油井水泥降失水剂进展研究

程凤翔 杨涛 张丹

摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，综合国力显著加强，本文从失水量、滤液黏度和滤饼结构等试验数据出发，阐释了聚乙烯醇降失水剂和AMPS聚合物降失水剂的作用机理。研究结果表明，聚乙烯醇降低失水量的主要原因不是其对水泥浆的增粘作用，而是其对滤饼渗透率的降低，即在滤饼和过滤介质表面形成的一层致密聚合物膜;AMPS聚合物降失水剂是靠改变滤饼电性，增加滤液黏度发挥作用。

关键词：油井水泥;降失水剂;聚乙烯醇;AMPS聚合物;作用机理

引言：

固井施工时，水泥浆被挤入环空，流经渗透性地层时会发生滤失，导致部分液相漏入地层，这个过程即“失水”。失水导致水泥浆的水灰比和胶凝特征均发生变化，泥饼增厚，水泥浆液柱压力急剧下降，可能引发环空窜流，严重时需进行补救固井作业，单井开发成本剧增。通常用油井水泥降失水剂来为降低水泥浆中液相滤失量，提高固井质量，从而能有效保护油气层。目前国内使用的固井水泥降失水剂有纤维素衍生物类，如羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素;改性淀粉类;水溶性合成聚合物类，如丙烯酰胺类聚合物。这些降失水剂普遍存在抗高温、抗盐能力差的问题，当温度达到150℃时，水泥浆滤失严重。随着温度的升高，丙烯酰胺类聚合物降失水剂分子常发生强烈的水解，造成水泥浆过度缓凝，无法满足复杂地层固井的需要。

1天然高分子类研究现状

天然高分子材料由于来源广泛、价格低、对环境友好等优点，在石油行业中被广泛应用和研究。常用的水溶性天然材料有纤维素、木质素、淀粉、褐煤、单宁等。这些天然材料的结构特点是：分子链多为大分子刚性链，具有耐温、耐盐、抗剪切等特点，而且易进行各种化学改性，如接枝改性、磺化等。例如，使用磺化、磺甲基化等化学改性的方法可降低水泥浆失水，磺酸基团还能有效改善水泥浆的分散性，且对水泥浆其他性能影响不大。木质素、淀粉等因其热稳定性差、增稠等缺点，在油井水泥降失水剂方面应用不多，多应用于钻井液用降滤失剂。不过国外曾有报道，将乙烯类单体引入单宁、褐煤中，得到的产物具有良好的耐盐性、耐温性。

2油井水泥降失水剂进展研究

2.1降失水剂耐温性能

在6.9±0.3MPa、降失水剂掺量2%和不同温度下测试水泥浆的失水量。随着温度升高，水泥浆失水量增大，150℃时的API失水量为86mL，失水量仍控制在100mL以内。合成的降失水剂具有微交联结构，高温耐水解能力强，且在水泥浆体系中布满网状结构，失水时高分子线团可部分进入滤饼孔隙中，降低滤饼渗透率。合成单体中，NVP分子中内酰胺结构对酰胺基团高温水解具有一定的屏蔽作用。此外，分子中—SO3-基团既可以使聚合物具有较好的耐温耐盐性能，同时，其较强的吸附能力也使得其可牢固吸附在水泥颗粒表面，通过静电排斥作用使水泥颗粒分散得更加均匀，失水时形成致密滤饼，从而降低失水率。由此可见，该降失水剂具有优良的耐温性能。

2.2 G32S的作用机理研究

降失水剂的作用机理研究表明，降失水剂发挥作用主要通过 3 种方式：①增大水泥浆液相黏度，从而增大向地层的滤失阻力 ;②改变水泥颗粒表面电性质，增加滤饼表面润湿性 ;③改善水泥滤饼的质量，使其更加致密，减少其渗透性。在 25 ℃下，考察了不同 G32S 加量下水泥浆的失水量，并从水泥浆滤液黏度和滤饼颗粒的电泳迁移率方面研究了 G32S 的作用机理，随着降失水剂G32S 加量的增加，失水量减小，而其滤液黏度也随着加量增大逐渐增加，表现出相关性。说明 G32S 对水泥浆失水性能的改变与其黏度有关，即增大水泥浆液相黏度，从而增大向地层的滤失阻力，减少失水 ;同时，随着 G32S 加量增大，滤饼的电泳迁移率 U 会由净浆的正值变为负值，当加量逐渐增大时，U 的绝对值会更大，说明随着 G32S 的加入，水泥颗粒表面的电性质发生了本质上的改变，这种改变会增加滤饼润湿性，减少水的滤失。G32S 的作用机理可以推测为，G32S 分子吸附在水泥颗粒表面，通过提高滤饼的电荷密度，改善滤饼润湿性来稳定滤饼中的水 ;当增大加量后，颗粒表面的电荷增加趋缓 ;随着溶液中 G32S聚合物浓度增加，滤液黏度增加，在一定程度上增加了水分子的滤失阻力 ;当滤饼形成，颗粒表面吸附饱和后，共聚物黏度对降低失水起主要作用。

2.3降失水剂的设计原则

通过上述研究，对于油井水泥降失水剂的开发可以借鉴以下原则：AMPS类阴离子聚合物电性变化与降失水量变化规律说明低浓度时改变滤饼电性，高浓度时黏度增加使其对降失水发挥重要的作用。阴离子降失水剂的设计合成重点应该注重单体的选择和不同电性单体的比例;在满足水泥浆基本性能需要的前提下，应尽可能地增加降失水剂分子对滤饼的吸附性，同时注意调整聚合物的分子量。聚乙烯醇降失水剂在水泥颗粒表面的吸附量很低，远小于其在体相的加有浓度;同时滤液粘度的研究表明其对失水量影响也不大;另外滤饼的电性也没有太大改变，这三点说明滤液黏度和滤饼结构性质不是该类降失水剂性能的决定因素。研究表明，滤膜才是决定其性能的最主要因素。如何增强滤膜的耐温性，改善滤膜的结构才是提高其抗温性能，增加其降失水效率的关键。

结语：

油井水泥降失水剂作为重要的油田化学品，对安全优质的固井具有至关重要的作用，特别是在复杂的地质环境下，对油井水泥降失水剂提出了更高的要求，今后的研究也应多与现场相结合，并且不应只针对某个单一的特定环境，需要在研究的思路上不断拓展，不斷地加强对油井水泥降失水剂的研究与应用，在降失水剂的环境适应性和制备成本上下功夫。国外早在20世纪40年代就已经对油井水泥降失水剂进行研究，并已经形成了从低温到高温等一系列成熟产品，我国在油井水泥降失水剂方面的研究虽然取得了不小成绩，但是与国外还存在不小的差距，国内的研究者应该多向国外学习和交流，不断补充新的知识，以满足我国石油工业的发展。

参考文献：

[1]刘学鹏，张明昌，方春飞.耐高温油井水泥降失水剂的合成与性能[J].钻井液与完井液，2015，32（6）：61-65.

[2]李晓岚，国安平，李韶利，等.抗高温油井水泥降失水剂的合成及性能评价[J].油田化学，2013，30（2）：164-167.