新型耐温油井水泥降失水剂体系的研究

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论文在分析水泥浆降失水剂及其作用机理存在问题的基础上,通过实验深入研究和剖析降失水剂作用的根本原因和影响因素,提出了新的降失水剂作用机理——粘弹性可压缩吸附层机理。新机理能合理解释实验现象和结果,对降失水剂分子的设计和合成具有普遍指导意义。新机理指出:降失水剂能降低失水的根本原因是形成了能充分堵塞失水通道的机制。降失水剂高分子水化束缚自由水、液相粘滞性阻力是控制失水的次要因素。降失水剂高分子,通过其官能团以与水泥颗粒表面带正电的金属离子形成σ配位键螯合物和正负离子静电引力两种方式,在水泥颗粒表面形成具有一定吸附强度和吸附厚度的高弹性、粘弹性、高粘合性的高分子吸附层,体系失水时,粘弹性吸附层物质被挤入水泥颗粒的空隙体积中并粘合在水泥颗粒之间,使失水通道被充分填充和堵塞,滤饼渗透率降低,滤饼致密而坚韧,体系失水得到彻底控制。在水泥颗粒表面有较强的吸附能力是降失水剂形成堵塞失水通道机制的关键因素,不能有效吸附在水泥颗粒表面的高分子,无法实质性控制体系的失水。降失水剂官能团的螯合能力和吸附能力越强、吸附层越厚、分子量越大、在水泥颗粒表面吸附的比例越高越有利于获得低失水;降失水剂高分子在水泥颗粒表面呈卷曲或沉淀状态有利于获得低失水。通过分析水泥浆体系失水通道的微观尺寸,提出了确定极配粒径和降失水剂分子尺寸(分子量)的计算方法和分子量范围。 以新机理为理论指导,设计了以耐温稳定性好的碳碳σ键为主链、以离子性强和鳌合能力强的—SO3-、—COO-、—CONH2为主要官能团的新型耐温降失水剂的分子结构。用单体聚合法、聚合物直接磺化法研制了两种新型耐温油井水泥降失水剂FAS-2和SPS-1,确定了最佳合成条件,进行了结构和性能的表征。研究表明,降失水效果取决于磺酸基的含量和分子量;耐温性取决于官能团的稳定性;研制的两种降失水剂耐温范围宽(70℃~140℃)、降失水效果好(API失水30~50ml)、抗盐抗钙能力强,总体上优于现用的纤维素类和胶乳类降失水剂体系。两种降失水剂的水泥浆体系抗压强度高,流动性好,微析水,稠化时间可调,稠化曲线呈直角稠化,与多种外加剂有良好的配伍性,室内配制的系列高温高密度配方的综合性能优良。降失水剂FAS-2在5500m左右直井长封固段和斜井尾管固井的现场应用表明,FAS-2对不同水泥、水质和外加剂有良好的适应性,性能良好,可施工性强,111℃斜井尾管固井中优质率和良好率分别为80%和20%;温度为42℃~125℃的长封固段固井中优良率达83.6%,有良好的实际
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