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基础知识
第二节 降失水剂
  • 详细说明
  水泥浆在压力作用下通过渗透性地层时,要产生滤失现象,水泥浆中的水相分离出来进入地层,而留下水泥颗粒,这种现象称为“失水”。如果失水不能控 制,就会产生一系列的严重后果,导致施工失败。随着水相体积的减少,水泥浆密度逐渐增大,使得水泥浆的性能(如流变性、稠化时间等)偏离原始设计,如果过多的水进入地层,水泥浆会变的无法泵送,就是俗说的“灌香肠”,使固井失败,导致重大损失。降失水剂就是用来减少水泥浆滤失量,其目的在于:1)防止水泥浆在渗透性地层处先期脱水,特别是在尾管注水泥时;2)保护水敏感性地层;3)改善挤水泥作业。
  纯水泥净浆在30分钟API失水量通常超过1500ml,一般根据注水泥作业不同类型来调节失水量。对一次套管注水泥作业,水泥浆失水量应在250ml以下,而对于挤水泥作业,失水量控制就比较关键,最大不得超过150ml。为了保证固井质量,现在注水泥作业对失水的要求越来越严格,通常失水量要求控制在50ml以下,甚至30ml以下。
一般降失水剂作用机理解释有以下几个:
  1、改善水泥浆的粒度分布。水泥浆中的水泥颗粒的分散程度对失水影响很大,有时除非使用某种分散剂,否则无论加多少降失水剂都难以控制失水。
  2、使水泥浆隙间产生粘性,但对水泥浆本身也有不利的影响,会增加水泥浆的稠度,流动性变差。
  3、在滤饼和孔隙性过滤介质间最初几层的交界面内形成一层非渗透性膜,如聚乙烯醇类降失水剂是形成致密的薄膜,而聚合物类降失水剂是形成阻水泥滤饼。
  降失水剂产品可分为两大类:微粒材料和水溶性高分子材料。
  微粒材料中,最先使用的是膨润土,膨润土以其微小的颗粒进入到滤饼并且嵌入在水泥颗粒之间,使滤饼结构致密,渗透率降低。此外胶乳水泥也有非常好的降滤失性能,胶粒的粒径比水泥颗粒小得多,而且具有良好的弹性,胶乳就是凭借其良好的降滤失、防气窜、增韧等优点成为国内外的研究热点。
  水溶性高分子材料中,天然改性高分子材料和水溶性聚合物已成为水泥浆降失水剂的重要组成,此外,国际上对环保型降失水剂也作了许多研究。
  改性纤维素是水溶性天然产物中应用较多的一类降失水剂,可用作降失水剂的改性纤维素有HEC(羟乙基纤维素)和CMHEC(羧甲基羟乙基纤维素)等。HEC综合性能尚可,但低温时粘度过大,水泥下灰困难,高温时粘度过低失水不容易控制在50ml以下,且沉降严重,现在仍有应用;而CMHEC性能优于要HEC。改性纤维素的共同缺点是水溶性差、低温搅拌粘度高、高温降粘导致水泥浆沉降严重、耐温性能差、抗盐性能差、延缓水泥石强度发展等。
  合成的聚合物类型降失水剂品种繁多且性能优异,具有一些天然产物无法比拟的特点,因而成为各国研究人员竞相开发的重点。
1非离子型聚合物
  PVA(聚乙烯醇)体系是国内应用较早的一类非离子型降失水剂,PVA与硼砂交联剂及分散剂复配成产品,目前国内一般是用PVA1788进行复配。该 体系使用温度可达95℃,高于此温度后,交联键被破坏,降滤失性能变差,此外,该体系抗盐(NaCl)性能差,抗盐通常不超过5%;并且对水泥的适应性 差,对于不同品种、厂家、批次的水泥其性能相差很大,目前已成淘汰趋势,逐渐被AMPS聚合物类代替。
2阴离子型聚合物
  阴离子型聚合物是国内外研究最为广泛、产品种类最多的一类降失水剂,其共聚单体包括非离子和阴离子单体两大类。非离子单体主要包括:AM(丙烯酰胺)、NVP(N-乙烯基吡咯烷酮)、NNDMA(N,N-二甲基丙烯酰胺)、St(苯乙烯)、VI(乙烯咪唑)、VFA(乙烯甲酰胺)、VP(乙烯吡啶)、VMAA(N-甲基-N-乙烯基乙酰胺)等。在这些单体中,AM易水解,所以在共聚物中含量不可太多;NNDMA引入了不易水解基团,耐高温性能明显增强,但这种单体价格昂贵,国内尚处于小试阶段。阴离子单体主要包括两类:一类是磺酸盐单体,如AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)、SS(苯乙烯磺酸盐)、VS(乙烯磺酸盐)、PS(丙烯磺酸盐);另一类是羧酸盐单体,如AA(丙烯酸)、MAA(甲基丙烯酸)、HEA(羟乙基丙烯酸)、IA(衣康酸)等。
  AMPS耐高温抗盐能力强,聚合活性高,使用日益广泛,早期的如4015991号美国专利中指出用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的共聚物作为水泥浆的降失水剂,但它同时会降低水泥浆的强度并使水泥浆的凝固时间延长。AMPS三聚合降失水剂产品目前在国内已有批量生产,但是三聚合降失水剂 产品只能用于半饱和盐水,耐温也只能达到150℃。国内外已经开始对AMPS四聚合产品进行研究,国外已经有了相关的应用报道,例如专利号为 5294651的菲利普斯公司专利以AMPS/AM/AA/NVP为单体,通过多种方式聚合得到的四聚合降失水剂(H-D344)使用温度宽,耐高温、抗盐性能好,但是价格昂贵。科力奥尔工程材料技术有限公司生产的CG610系列就属于AMPS四聚合降失水剂产品(专利 号:201010108900.X),该CG610系列产品能在很宽的温度范围内很好地控制水泥浆失水量,耐温可达150℃,水泥浆中加入少量NaCl,耐温可达180℃;水泥浆失水一般可控制在50ml以内,增加掺量,可以控制在30ml以内;抗盐性好,在半饱和盐水甚至饱和盐水中仍可以继续使用,只是需要适当的增加掺量。
降失水剂的技术要求:
  行业标准油井水泥外加剂评价方法第2部分:降失水剂(SY/T 5504.2-2005),对加有降失水剂的水泥浆性能要求为:
 

表2-1加有降失水剂的淡水水泥浆性能要求

检测项目

技 术 指 标

初始稠度,Bc

≤30

稠化线形

正常

40Bc~100Bc的时间,min

≤40

失水量,mL

≤150

游离液,%

≤1.4

24h抗压强度,MPa

≥14

表2-2 加有降失水剂的18% 盐水水泥浆性能要求

检测项目

技 术 指 标

初始稠度,Bc

≤30

稠化线形

正常

40Bc~100Bc的时间,min

≤40

失水量,mL

≤250

游离液,%

≤1.4

24h抗压强度,Mpa

≥14


行业标准只是规定了降失水剂的最低要求,目前阶段,作为优质的降失水剂产品必须满足以下要求:
  1、失水量:淡水失水量控制在50ml以下,甚至30ml以下,半饱和盐水失水量在120ml以下,甚至80ml以下。
  2、初始稠度:10~25Bc为最好,水泥浆的初始稠度越低,水泥浆的流动性越好,施工越容易泵送,但是初始稠度过低会导致水泥浆体系容易沉降,游离 水增加,所以初始稠度不应低于10Bc;反之水泥浆初始稠度越大,水泥浆越稳定,但是会导致泵送困难,所以一般不能超过25Bc。
  3、线形:稠化曲线的线形应当正常,不存在起包、起台、爬坡、包芯等现象。当水泥浆开始变稠时能很快达到100Bc,好的降失水剂产品其40Bc~100Bc的稠化时间应在10min以内。
  4、对水泥石强度的影响,通常加入降失水剂会影响水泥的水化反应,有些降失水剂会使水泥石的强度降低,优质的降失水剂不会降低水泥石的强度或对强度影响很小。
  5、表观粘度:通常降失水剂是高分子聚合物,高分子的水溶液一般粘度较大,这样液体产品泵送倒桶时就比较困难,因此液体产品的表观粘度越小越好,通常以1000~6000cP为好,不宜超过20000cP。
  6、掺量:降失水剂的掺量越大,失水量越小,可是初始稠度会变大,因此上述几个指标之间存在矛盾关系,很多时候不能同时达到最佳。通常纯降失水剂固体的掺量<2%,液体降失水剂的掺量<5%。