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梳型聚羧酸減阻劑的室內(nèi)研究

文檔作者：辛海鵬曾建國鄒建龍趙寶輝孫富全文檔來源：中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月26日
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第34卷第3期
2017年5月
鉆并液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
Vbl．34 NO．3
MaV 2017
doi：10．3969／j．issn．1001—5620．2017．03．014
梳型聚羧酸減阻劑的室內(nèi)研究
辛海鵬， 曾建國， 鄒建龍， 趙寶輝， 孫富全
(中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津300451)
辛海鵬，曾建國，鄒建龍，等，梳型聚羧酸減阻劑的室內(nèi)研究[J]．鉆井液與完井液，2017，34(3)：72—76．
XIN Haipeng，ZENG Jianguo，ZOU Jianlong，et a1．Laboratory study on comb—like polycarboxylic acid friction reducer[J]．
DrillingFluid&amp;amp;Completion Fluid，2017，34(3)：72—76．
摘要針對(duì)高壓鹽水層、大段鹽膏層及海上作業(yè)直接采用海水配漿固井時(shí)，現(xiàn)有減阻劑分散能力差、分散保持性差、
緩凝性強(qiáng)的缺點(diǎn)，采用自由基聚合方式開發(fā)了具有梳型結(jié)構(gòu)的聚羧酸減阻劑。通過紅外光譜、電鏡分析和熱重分析測(cè)定了
減阻劑的結(jié)構(gòu)和耐熱性，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了減阻劑加入對(duì)水泥漿流變性、稠化性能和強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行了對(duì)高密度水
泥漿的適應(yīng)性研究。熱重分析結(jié)果表明，該減阻劑耐溫可達(dá)233℃。掃描電鏡與原子力顯微鏡測(cè)試表明該減阻劑呈梳型。
該減阻劑對(duì)水泥漿分散能力強(qiáng)，對(duì)飽和鹽水和海水配漿體系具有良好的分散作用，緩凝性弱，且不破壞強(qiáng)度，可用海水直
接配漿。加入該減阻劑后密度為2．72 gCcm3的水泥漿體系失水量為24 mL，24 h強(qiáng)度為22 MPa，90℃穩(wěn)定性及流變性好。
其對(duì)飽和鹽水體系良好的分散效果及對(duì)高密度水泥漿體系良好的適應(yīng)性表明，梳型聚羧酸減阻劑是一種高效減阻劑。
關(guān)鍵詞固井；水泥漿；減阻劑；聚羧酸；梳型
中圖分類號(hào)：TE256．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—5620(2017)03-0072—05
Laboratory Study on Comb．1ike PolycarboxyHcAcid Friction Reducer
XIN Haipeng，ZENG Jianguo，ZOU Jianlong，ZHAO Baohui，SUN Fuquan
(Boxing Division ofCNPC Offshore Engineering Company Limited,Tianjin 30045 1)
Abstract Cementing slurries formulated with seawater are generally used in cementing the wells peneWating high pressure saltwater
zones，long salt／gypsum formmions，or wells drilled offshore．Friction reducers commonly used are difficult to disperse in the seawater
cementing slurries，and have short dispersion duration and strong retarding performance．A polycarboxylic acid friction reducer with
comb．1ike molecular structure has recently been developed to overcome these problems．The friction reducer was synthesized through
free—radical polymerization，and was studied for its molecular structure and thermal stability using IR，SEM and thermogravimetric
analysis．The effects ofthe friction reducer on the rheology,thickening performance and strength ofcement slurries were measured in
accordancewithrelevantindustrial standards．Theadaptabilityofthefrictionreducertocementslurrywasalso studied．Thermogravimetric
analysis showed that the friction reducer was stable at temperatures as high as 233℃．SEM and atomic force microscope measurement
demonstrated that the friction reducer had comb．1ike molecular structure．This friction reducer was highly dispersible in cement slurries
formulated with saturated saltwater or seawater,and had weak retarding power．It didn’t deteriorate the strength ofthe cement slurries
which were formulated directly from seawater．A cement slurry treated with the friction reducer had density of2．72 g／cm3，filter loss of
24 mL，24 h strength of22 MPa，and good stability and rheology at 90℃．Good dispersity in saturated saltwater and good adaptability
to high density cement slurry indicated that the comb-like polycarboxylic acid friction reducer was ofhigh efficiency．
Key words Well cementing；Cementing slurry；Friction reducer；Polycarboxylic acid；Comb-like
0 引言
油氣資源開發(fā)正向高溫深井、高酸性氣藏、稠
油、頁巖氣、高壓鹽水層等復(fù)雜地質(zhì)油氣藏推進(jìn)。
在中國的西部油田、中原油田、南海油田的鉆探過
基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“固井工程用高耐蝕高韌性水泥基材料的研究與應(yīng)用”(2016YFB0303602 o
第一作者簡介：辛海鵬，工程師，博士，1986年生，畢業(yè)于山東大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，現(xiàn)從事油井水泥外加
劑的研發(fā)及技術(shù)服務(wù)工作。電話(022)66310216；E—mail：xinhp@cnpc．com．cn。
萬方數(shù)據(jù)
第34卷第3期辛海鵬等：梳型聚羧酸減阻劑的室內(nèi)研究73
程中都不同程度地鉆遇了高壓鹽水層、大段鹽膏層
或水敏性地層等復(fù)雜地層[1。5]。中國各石油公司向
海外拓展的鉆井業(yè)務(wù)中也碰到類似的固井問題[6-9]。
此外，在海上、灘海作業(yè)中還經(jīng)常試圖用海水直接
配制水泥漿[10-11]。由于固相含量高、含鹽量大，含
鹽／海水水泥漿往往有較大觸變|生，流變性差，影
響固井施工及頂替效率，進(jìn)而影響固井質(zhì)量。為提
高含鹽水泥漿的施工性能，需要添加高性能減阻劑。
梳型聚羧酸減阻劑克服了傳統(tǒng)聚電解質(zhì)減阻劑
分散效能低、分散保掙『生能差等缺陷，具有摻量低、
分散及分散保持性能優(yōu)異、分子結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)、高
性能化潛力大、原料不含甲醛等優(yōu)點(diǎn)，是高性能水
泥減阻劑的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)為梳
型結(jié)構(gòu)，具有大分子長側(cè)鏈，在主鏈對(duì)水泥吸附的
同時(shí)，側(cè)鏈由于空間位阻作用，在水泥漿中呈立體分
散，該減阻劑具有抗鹽f生好，適用溫度范圍寬，流變
性好，低溫下緩凝性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但目前主要應(yīng)用
于混凝土行業(yè)?；炷劣脺p阻劑應(yīng)用于油井水泥的
主要阻礙有：①水泥漿有時(shí)需要在高循環(huán)溫度下作
業(yè)，要求減阻劑在高溫下不分解，因此需要添加耐高
溫的剛性單體；②高溫作業(yè)下，減阻劑不能有水解基
團(tuán)，否則高溫水解會(huì)影響水泥漿的稠化時(shí)間和流變
性；③含鹽水泥漿作業(yè)需要減阻劑具有抗鹽性。因
此需要開發(fā)具有高效分散能力的油井水泥減阻劑。
1 梳型聚羧酸減阻劑的合成與表征
梳型聚羧酸減阻劑BCD220L采用丙烯酸、親
水大分子A、2一丙烯酰胺一2一甲基丙磺酸(AMPS)、
磺酸類錨固單體B和剛性單體C進(jìn)行合成，丙烯
酸和單體B的加入利于減阻劑在水泥顆粒的錨固
吸附，大分子A的加人使減阻劑具有立體分散作
用，AMPS和單體B的加人使減阻劑具有抗鹽性，
剛性單體C的加入利于抗溫。BCD220L采用自由
基聚合原理制備，將單體和水加入到四口器中，開
動(dòng)攪拌，待所有單體都溶解均勻后，升至預(yù)定溫度，
加入引發(fā)劑合成，待用。
合成的BCD220L的紅外譜圖見圖1。其中
3 500 cm叫為一0H的伸縮振動(dòng)峰(水、單體A)，
2 880 cm。1為一cH，和一cH，的伸縮振動(dòng)峰(AMPS、
單體A、單體B)，1 653 cm。1為芳環(huán)骨架伸縮振動(dòng)
峰(單體C)，1 720 cm。1和1 540 cm。1為C=O的
對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰(丙烯酸)，1 467 cm-1為--CH：的彎
曲振動(dòng)峰(單體A)，1 345 cm-1為一COO一的對(duì)稱
伸縮振動(dòng)峰(丙烯酸)，1 114 cm。1為一C—O—C的
伸縮振動(dòng)峰(單體A、單體c)，626 cm-1為一s—o
的彎曲振動(dòng)峰(AMPS和單體B的磺酸基)。
圖1 BCD220L的紅外譜圖
BCD220L的熱重曲線(TG)和差熱分析(DTG)
結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，樣品從233℃
開始分解，說明其最大耐溫為233℃；其主要分解
分3步，分別對(duì)應(yīng)大分子單體的分解、AMPS分子
中酰胺基的重整和減阻劑分子主鏈的分解。說明該
減阻劑具有良好的耐溫I生。
裝
槲
鞭隧
皿Ⅲ}{
曙
O 100 200 300 400 500 600 700
刀℃
圖2 BCD220L的TG和DTG曲線
0 00
．0．0
．．0．1
一O．1
．0．2
．O．2
摹
槲
蚓
水
輜
霰
咖j
蜓
為進(jìn)一步研究減阻劑在溶液中的立體形態(tài)，進(jìn)
行了電鏡測(cè)試，電鏡采用掃描電鏡(SEM)和原
子力顯微鏡(AFM)。梳型聚合物由于主鏈和側(cè)鏈
都可以自由旋轉(zhuǎn)，因此不會(huì)呈現(xiàn)單一的規(guī)則形狀，
圖3給出了減阻劑在水中的幾種形態(tài)。此外，由于
分子的熱運(yùn)動(dòng)，減阻劑形態(tài)也一直處于變動(dòng)當(dāng)中，
即便是在水泥漿中主鏈吸附于水泥顆粒表面，側(cè)鏈
也會(huì)在無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。
圖3 BCD220L在水溶液中的幾種形態(tài)
萬方數(shù)據(jù)
74 鉆井液與完井液2017年5月
圖4為減阻劑在微米尺度下的聚集體狀態(tài)，其
為類樹枝狀形態(tài)，其主干為主鏈，在水泥漿中主鏈
上的羧基、磺酸基等基團(tuán)會(huì)吸附在水泥顆粒的表面，
而其枝權(quán)為大分子側(cè)鏈，在主鏈吸附于水泥漿主鏈
的同時(shí)，側(cè)鏈將自由伸展，由于側(cè)鏈分子量較大，
水和力學(xué)半徑相應(yīng)增大，其空間位阻較大，由于這
種較大的空間位阻作用，側(cè)鏈對(duì)水泥顆粒具有較強(qiáng)
的立體分散能力，從而使水泥漿有較好的分散性，
進(jìn)而增大其流變性。圖5為減阻劑在納米尺度下的
結(jié)構(gòu)，可以看出其為卷曲的梳型結(jié)構(gòu)。
——10 gm
圖4 BCD220L的SEM網(wǎng)像
——250nm ～100nm
一3．8mV 一3．8mV
圖5 BCD220L的AFM圖像
2 BCD220L對(duì)水泥漿流變性能的影響
根據(jù)BCD220L的可能應(yīng)用領(lǐng)域，分別測(cè)試了
其在自來水、飽和鹽水和海水配漿體系的流變性能。
首先考察BCD220L加量對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響，
結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著減阻劑含量的
增加，水泥漿流動(dòng)度增大。
表1加有BCD220L的水泥漿體系的流動(dòng)度
注：水固比為0．44。
2．1 自來水配漿體系的流變性
流變性根據(jù)SY／T 5504．3—2008進(jìn)行。加有
BCD220L的自來水配漿體系的流變性見表2。由表
2可知，52℃、常壓下，BCD220L加量超過0．5％時(shí)
水泥漿的流性指數(shù)均大于0．67，稠度系數(shù)均小于0．44
Pa·S”；85℃、常壓下，加量為1．5％時(shí)，自來水配
漿水泥漿的流性指數(shù)為0．92，稠度系數(shù)為0．18。說
明BCD220L對(duì)自來水配漿體系具有良好的分散眭。
表2加有BCD220L的自來水配漿體系的流變性
注：水固比為0．44。
將剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)剪切速率作圖，見圖6。由圖6
可知，隨著BCD220L摻量的增加，水泥漿流性指
數(shù)增大，稠度系數(shù)降低；且流動(dòng)曲線隨著BCD220L
摻量的增加，有從假塑性流體向牛頓流體變化的趨
勢(shì)，證明BCD220L具有良好的分散效果。
—．_水泥凈漿
40
20
00
80
60
40
20
0
剪切速率／s“
圖6加有BCD220L的自來水配漿體系的流動(dòng)曲線(52℃)
2．2飽和鹽水和海水配漿體系的流變性
加有BCD220L的飽和鹽水配漿體系的流變性
見表3所示。由表3可知，BCD220L對(duì)飽和鹽水
配漿體系具有良好的分散性。
加有BCD220L的海水配漿體系的流變性見表
4。從表4可以看出，BCD220L對(duì)海水配漿體系具
有良好的分散性。含BCD220L的水泥漿具有良好
的流變效果，耐鹽達(dá)飽和，可用海水直接配漿。
萬方數(shù)據(jù)
第34卷第3期辛海鵬等：梳型聚羧酸減阻劑的室內(nèi)研究75
表3加有BCD220L的飽和鹽水配漿體系的流變性即BCD220L具有弱緩凝性。
注：水固比為O．44。
表4加有BCD220L的海水配漿體系的流變性
注：水固比為0．44。
2．3水泥漿體系的觸變性
水泥漿的觸變性可用靜切力法測(cè)試。測(cè)試了加
有BCD220L的飽和鹽水和海水配漿體系靜置10、
20、30、60和90 min時(shí)的93讀數(shù)，如圖7所示。
～置／min
注：水固比為0．44。
圖7加有BCD220L的配漿體系仍隨靜置時(shí)間變化情況
從圖7可以看出，10 min內(nèi)飽和鹽水和海水配
漿體系的仍讀數(shù)基本保持不變，90 min時(shí)飽和鹽
水和海水配漿體系的仍仍小于10，觸變較小，可
見BCD220L具有良好的分散持效l生。
3 含BCD220L水泥漿的稠化性能
稠化測(cè)試根據(jù)SY／T 5504．3—2008進(jìn)行。以鹽
水配漿體系為例，稠化時(shí)間之比如表5所示。由表
5可以看出，在52℃、35．6 MPa下稠化時(shí)間之比
為1．49，85℃、70．3 MPa下稠化時(shí)間之比為1．22，
表5飽和鹽水配漿體系加BCD220L前后稠化時(shí)間之比
注：水泥漿配方：勝濰G級(jí)水泥+飽和鹽水(36％)+
BCD220L，水固比為0．44。
4含BCD220L水泥漿的強(qiáng)度性能
強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)SY／T 5504．3—2008進(jìn)行。加
BCD220L前后水泥漿體系67℃下24 h的抗壓強(qiáng)
度見表6。由表6可知，BCD220L加入后67 cC、
在常壓條件下的24 h強(qiáng)度之比均大于0．97，即
BCD220L的加入不影響水泥漿體系的強(qiáng)度。
表6加BCD220L前后水泥漿體系67 oC下抗壓強(qiáng)度
注：所有配方水固比均為O．44。
5 BCD220L在含鹽高密度水泥漿中
的配伍性
將BCD220L應(yīng)用于塔里木高密度水泥漿體系，
見表7。由表7可知，密度為2．72 g／cm3的水泥漿體
系失水量較小，24 h強(qiáng)度滿足使用要求，90℃穩(wěn)定
性及流變|生好，即BCD220L具有較好的分散效果。
表7采用BCD220L的高密度水泥漿綜合性能
注：水泥漿配方：阿克蘇G級(jí)水泥+35％硅粉+75％鐵
粉+3％BCG．200L+3％BCR．300L+2．5％BCD220L+10％BCT-
880L+46％半鹽水(15％(BWOW))。
萬方數(shù)據(jù)
76 鉆井液與完井液2017年5月
將加有BCD220L的高密度水泥漿體系進(jìn)行稠
化實(shí)驗(yàn)。典型稠化曲線如圖8所示，減阻劑可耐溫
180℃，且稠化曲線線性正常。
礎(chǔ)
山
羔
q
-
p
裔
300
250
200
150
100
50
O
100
90
80
昌70
醐
30
20
10
0
t／h
圖8加有BCD220L的高密度水泥漿稠化曲線
6 結(jié)論
BCD220L具有良好的分散性，抗鹽至飽和，
可用海水配漿。BCD220L具有弱緩凝性，且不破
壞強(qiáng)度，可適用于高密度水泥漿體系。
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