干粉速溶型水泥降失水剂的研制及应用.doc

干粉速溶型水泥降失水剂的研制及应用第28卷第4期2006年8月石油钻采工艺OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol-28No.4Aug.2006文章编号:10007393(2006)04002504干粉速溶型水泥降失水剂的研制及应用李文斌肖海东李世梅祁晓峰(大庆石油管理局钻探集团,黑龙江大庆163411)摘要:针对目前干粉降失水剂水溶性差,溶胀时间长,稳定性差,影响水泥浆性能的均匀性,不可能以湿混的方式进行施工的问题,通过选择含有磺酸基,酰胺基,烷基,羧基的单体,以过氧化物作引发剂在水溶液中共聚,合成了聚合物DsJ.DsJ具有良好的滤失控制性能,失水控制稳定(100mL以下),同时有较好的水溶性,常温自然状态下溶解仅需150min;温度适应范围广(常温一120),耐盐20%;与各种水泥配伍性好,稠化时间可调,有较高的抗压强度和较高的抗污染能力.在海拉尔探井上应用表明,DsJ在降低运输费用,防油气浸,窜等方面均取得了较好的效果,从而有效地保证了固井质量.关键词:干粉速溶型;水泥降失水剂;固井;评价试验;现场应用中图分类号:TE256,7文献标识码:A国内各油田应用的降失水剂多为高分子聚合物,使用方式有干混和湿混之分,干混使用的降失水剂为固体粉末,常温下很难溶于水,必须有干混设备,混配工艺较复杂;湿混使用的降失水剂多为液体,加量大,不利于长途运输,同时冬季保温问题也比较突出.目前国内外能够湿混使用的固体降失水剂很少,且混拌功率要求较高,溶解时间长.为了满足外围油田勘探,开发的需要,有必要开发一种干粉速溶型降失水剂,既混配工艺简单,方便运输,又有利于储存.在充分调研和室内研究的基础上,研制的干粉速溶型降失水剂不仅水溶性好,既可湿混又可干混,混配工艺简单,下灰顺利,可泵性好,而且水泥浆各项性能能够满足提高固井质量的要求.1实验仪器与试剂1.1实验仪器红外光谱仪,数控恒温水浴,常压及高压稠化仪,失水仪,压力机,水泥石渗透率仪.1.2试剂单体:A为N,N一二甲基丙烯酰胺,B为丙烯磺酸钠,c为N一乙烯基吡咯烷酮;引发剂NH;自制分子量调节剂.2合成条件优选2.1合成方法在一定温度下,将N,N一二甲基丙烯酰胺,丙烯磺酸钠,N一乙烯基吡咯烷酮置于水溶液中用过氧化物引发进行水溶液聚合,反应完毕,真空干燥.2.2反应温度的影响聚合温度对产物的降失水性能有着较为明显的影响,试验条件为:Ft/,A:mB:mc=70:10:20;NH用量为单体质量的1%,调节剂用量为单体质量的10%,水泥为四川嘉化G级水泥,水泥浆密度为1.90g/em,DSJ掺量占纯水泥质量的1.1%.在此试验条件下考查温度对其降失水效果的影响,在反应温度为45,55,70时,API失水量分别为37mL,33mL,71mL.试验结果表明,合成温度过低或过高,均不利于聚合反应,温度较低,聚合反应在较短时间内难以完成,并造成单体引发不完全;温度太高,不利于引发剂的引发;在55进行聚合较为适宜.2.3单体配比对产物性能的影响改变投料配比可得到不同的反应产物,在反应温度为55,NH用量为单体质量的1%,调节剂用科研项目:大庆石油管理局科研项目”干粉速溶型水泥降失水剂的研究”,编号:zJ04006.作者简介:李文斌,1957年生.1977年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,2003年获油气井工程硕士学位,高级工程师.电话:04595680058.l3303697755.石油钻采工艺2006年8月(第28卷)第4期量为单体质量的10%条件下通过水泥浆性能测定来获得最佳投料比.试验结果见表1,表1中,水泥为四川嘉化G级水泥,API失水条件为52oC7.0MPa,水泥浆密度为1.90g/cm,DSJ掺量占纯水泥质量的初始稠度影响较显着,综合考虑各方面因素确定NH与调节剂用量之比为1:101:8效果较理想.表2引发剂及链转移剂用量对降失水性能的影响3评价试验3.1水溶性为验证其水溶性,用增力搅拌器在不同搅拌速度下测其完全溶解所需的时间以及在不同搅拌速度下黏度的变化,DSJ常温自然状态下溶解需150min,200r/min情况下溶解需20min,随着搅拌速度的增加,溶解速度加快,当搅拌速度达到1500r/min时,2min内即可溶解,最后其塑性黏度为17.9mPa?s.将完全溶解的溶液对其黏度进行连续检测1周,其黏度无变化,说明其稳定性好.由于其水溶性较好,在与水接触时容易抱团,影响其水溶性,在合成过程中,在其表面涂上一层表面活性剂,使其在水中能分散开,提高了溶解速度.3.2降失水剂DSJ掺量和温度对失水量的影响3.2.1掺量对失水量和流动度的影响见表3,试验条件与表2试验条件相同.由表3可见:降失水性能优良,加量在1.2%以上可使API失水小于50mL;掺量与失水量有良好的线性关系;随着加量的增加,失水量降低,但是水泥浆流动度进一步下降,考虑流动性和现场施工要求,DSJ最佳加量为0.9%一1.1%较为理想.表3DSJ掺量对失水量和流动度的影响3.2.2温度对失水量的影响试验条件同表2,在温度为40,60,80,93时,API失水量分别为56mL,65mL,72mL,78mL,试验结果表明:随温度的升高,水泥浆失水量有所增加,但趋势不明显,说明降失水剂具有良好的热稳定性.3.3抗盐性能试验条件:水泥浆密度1.90g/cm,温度52,盐的加量是指其在配浆水中的浓度.试验结果表明:随配浆水中盐浓度增大,水泥浆失水量增大,但增加DSJ掺量,仍可取得较小的失水量,当盐的加量为20%,降失水剂的加量加到1.4%时,失水量仍可控制在100mL以下,表明降失水剂具有一定的抗盐性能.主要是由于DSJ分子链上的一CHSO水化作用很强,水化膜对Na,Mg,Ca”的稳定性也较强,表现出一定的抗盐性能.3.4水泥浆综合性能3.4.1水泥浆常规性能不同温度下DSJ水泥浆常规性能试验条件同表1,试验结果见表4.由表4可见,加有DSJ的水泥浆失水量低,自由水为零,且水泥石强度发育好,流动度好;随温度的变化水泥浆稠化时间变化不明显,说明该水泥浆体系较适合长封固井.3.4.2配伍性DsJ与速凝剂F的配伍性试验条件:API失水量测试条件52oC7.0MPa,稠化时间测试条件52oC26.9MPa.DSJ与缓凝剂P的配伍性试验条件:失水量测试条件82oC7.0MPa,李文斌等:干粉速溶型水泥降失水剂的研制及应用稠化时间测试条件82oCX51.7MPa,抗压强度测试条件82oCX常压.试验结果见表5,表6.表4DSJ水泥浆(石)在不同温度下的常规性能表5速凝剂F加量对稠化时间和失水的影响从表5可知,随着速凝剂F加量的增加稠化时间缩短,失水量略有降低,说明此速凝剂与DsJ配伍性好,分析原因主要是在加速了水泥浆水化的同时,没有破坏高分子的链结构,从表6得知,随着缓凝剂加量的增加,稠化时间也变长,有良好的线性关系.表6缓凝DSJ水泥浆(石)常规性能3.4.3渗透率试验渗透率试验是利用双缸养护釜在60X20.7MPa下,将不同水泥养护48h制作试块,并在恒温箱里进行烘干至其重量基本恒定后,用水泥石渗透率仪测定每块的渗透率,试验条件同表2,渗透率是根据达西定律进行计算,试验结果见表7.从表7可见,DSJ水泥浆体系与原浆相比水泥石更加致密,渗透率降低36%,提高了水泥石的耐蚀性,降低了地层流体对套管的腐蚀程度.表7DSJ水泥石与G级原浆水泥石渗透率对比水泥浆L/MAp/乩k注:为试块长度.却试块截面进口压力与大气压之差,Q为一定压差下的气体流量,k为渗透率,为平均渗透率.3.4.4抗高温试验为了解DsJ在高温下的性能,进行了稠化时间和失水高温试验,结果见表8.从表8可知,DSJ降失水剂可以抗9o120oC的温度,且稠化时间可调.4速溶与降失水机理分析4.1速溶机理合成的丙烯酰胺一乙烯吡咯烷酮一丙烯磺酸钠表8不同温度下的稠化,失水试验结果/m帅in栅/B徽c/rg/%温度占固体含量占水泥质量一一/%百分91)l00l00ll0ll0l20l201.51.5l51.51.51.51.50.10.20.30.40.5144l36248l8l2962l2275l5<20<20<20<20<20<20注:水泥组成1600gG级嘉华水泥+210g硅JD/330mL水,密度1.90g/cm.VH一02为高温缓凝剂.共聚物由于在大分子侧链上引入磺酸基(一sO)及链刚性结构的吡咯烷酮基,使其水溶性增强.另外,对于此三元共聚物而言,各单体侧链基团较大,空间位阻的因数使聚合物倾向于形成直链型结构,该结构能完全地生成氢键,使水分子很快地进入全部聚合结构中,也有利于提高其水溶性.降失水剂分子量较低,在水中的扩散速度快;溶液黏度低,对分子运动的阻力小.该降失水剂的粒度在40目左右,既不抱团也不影响溶解速度.4.2降失水机理研制的降失水剂属于高分子聚合物,由于其含有大量的一CONH2,一CHSO3一,一COOH等基团,一CHSO一,一COOH基有较强的水化及吸附作用,一cONH则主要通过氢键吸附大量水.由于大分子在水泥颗粒表面吸附作用,使其能在水泥琳勰舵勰石油钻采工艺2006年8月(第28卷)第4期颗粒表面形成较厚的吸附膜,可将自由水包裹起来,同时大分子间相互作用形成布满水泥浆本系的网状结构避免了水泥颗粒的接触,防止水泥颗粒聚结,改变了其级配并形成致密滤饼,从而圈闭自由水,表现很好的降失水效果.而水泥颗粒上的水化基团的水化层在压差作用下变形堵塞滤饼颗粒间的孔道,降低了水泥滤饼的渗透率,从而降低失水.聚合物的黏度对控制失水也起到一定的辅助作用.5现场试验该降失水剂体系在海拉尔盆地4口井中进行了应用.4口井均为长封井固井,为防止压漏地层,乌23井,苏33井,苏35井采用上部低密度(p为1.60g/cm),下部原浆的固井方案,楚2井采用全井低密度(p为1.60g/cm)的固井方案.现场施工数据见表9.表9干粉速溶型水泥降失水剂体系现场施工数据统计固井现场施工表明:下灰顺利,可泵性好,密度控制较均匀,达到了设计要求,固井施工正常,固井后48h测井,声变结果为优质井.6结论(1)基于高分子水溶性基本原理,降失水剂机理,从单体选择,单体比,平均分子量及分子量分布人手,研制的以丙烯酰胺一乙烯吡咯烷酮一丙烯磺酸钠共聚物为主体的干粉速溶型降失水剂DSJ,合成条件易于控制,具有较强的温度稳定性和抗盐性,且有较低的失水,较高的抗压强度,稠化时间可调,但其抗渗性,强度发展有待研究.(上接第21页)钻完进尺,减少了起下钻更换钻头时间,较大幅度地提高了钻井速度,钻井周期分别为13.4d,11.3d和7.4d,合计32.1d.而相邻3口井使用的PDC钻头因为不具备钻砾石夹层的能力,在钻进含砾石夹层的馆陶组地层时,都是直接提钻换牙轮钻头,其钻井周期分别为20.4d,11.8d和8.3d,合计40.5d,相比之下,使用该新型PDC钻头,钻井效率提高26%.4结论(2)研制的降失水剂水溶性好,混配工艺简单,方便运输,有利于储存,从施工情况及测井情况分析,水泥浆体系性能可靠,可满足现场施工及固井质量的要求,但降失水剂的抗高温性能需要进一步研究,以适应油田发展的需求.参考文献:1黄柏宗,徐同台.国内外油井水泥和外加荆现状及发展趋势J.钻井液与完井液,1995,12(6):5675.2马喜平.AMAC共聚物的合成及其油井水泥降失水性研究J.钻采工艺,1997,19(6):8l一85.(修改稿收到日期20060427)编辑景暖本结构等设计合理;没发现有复合片脱落现象,说明该钻头复合片焊接工艺合理,焊接质量牢固可靠.(3)钻头起出后,主切削齿磨损较小,说明在主切削齿后面安排若干个PDC复合片辅助切削齿的设计是有效的,能够保护了主切削齿.(4)钻头出井后测量其外径尺寸仍为215.4mm,说明采用的人造金刚石聚晶,天然大颗粒金刚