LQ乳液亲油水泥浆研究与性能评价
刘伟1,2, 曾敏1,2, 马开华1,2, 陶谦1,2     
1. 中国石化石油工程技术研究院, 北京 100101;
2. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 北京 100101
摘要: 采用油基钻井液钻井时井壁和套管上附有油膜,造成固井时环空界面的胶结强度低。为解决该问题,从改善水泥浆自身的亲油性出发,选择羧酸类不饱和油溶性软单体和芳香族不饱和烯烃类刚性单体作为亲油单体,采用乳液聚合法将亲油单体与亲水单体聚合,合成了具有两亲结构的、稳定性较好的LQ乳液,并优选稳定剂,形成了LQ乳液亲油水泥浆。水泥浆性能评价试验结果表明:该水泥浆的API滤失量小于50 mL,稠化时间在150~300 min范围内可调、48 h抗压强度达到18 MPa以上,符合现场固井要求;LQ乳液在水泥石内部及表面形成疏水亲油膜,其与油膜接触时会吸油膨胀,从而提高附有油膜环空界面的胶结强度。研究表明,LQ乳液亲油水泥浆的性能达到现场固井要求,能提高附有油膜的环空界面的胶结强度。
关键词: 固井     亲油水泥浆     乳液     水泥浆性能    
The Study and Property Evaluation of a Lipophilic Cement Slurry With LQ Emulsion
LIU Wei1,2, ZENG Min1,2, MA Kaihua1,2, TAO Qian1,2     
1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing, 100101, China;
2. State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development, Beijing, 100101, China
Abstract: Wells drilled by using oil-based drilling fluids may have thin oil films attached to the sidewall and the casing, so low a cementation strength may be expected on annular interfaces during cementing. To solve this problem, the lipophilic properties of cement slurries have been modified through polymerization of lipophilic monomers and hydrophilic monomers through emulsion polymerization to generate LQ emulsion with desirable properties. During the process, soft carboxylic monomers dissolvable in unsaturated oil and rigid unsaturated olefin monomers were used as lipophilic monomers. By adding optimal stabilizers, lipophilic cement slurries with LQ emulsion were generated. Test results show that the slurry has an API filtration loss of no more than 50 ml, an adjustable thickening time of 150-300 min. and compressive strengths over 18 MPa in 48 hours. All these properties can meet the requirements of field cementation operations. LQ emulsion can form hydrophobic and lipophilic film inside and on surface of the cement. When in contact with oil film, the hydrophobic and lipophilic film may absorb oil then expand. In this way, the cementation strength in annular interface with oil film can be enhanced effectively. Test results show the lipophilic cement slurry prepared from LQ emulsion can be used in field cementation operations to enhance cementation strength of annular interfaces with oil films attached.
Key words: cementing     lipophilic cement slurry     emulsion     performance of cement slurry    

油基钻井液由于具有热稳定性好、密度和流变性易调整、能抗各种盐类污染和抑制性强等优点[1-4],成为钻探泥页岩地层的首选,且在钻遇复杂地层或为了保护储层时也会选用油基钻井液[5-9]。但采用油基钻井液钻进时,在井壁和套管壁上均会附着一层油膜,造成固井时水泥环胶结强度低,从而严重影响固井质量,也会影响后续分段压裂及油气井的产能[10]。目前,主要应用具有洗油功能的前置液清洗附着在井壁和套管壁上的油膜,使环空界面保持水润湿,提高水泥浆与套管和地层的胶结质量,从而提高固井质量[11-15]。但洗油冲洗液中的表面活性剂会破坏油基钻井液的乳化稳定性,且水基冲洗液侵入油基钻井液易造成破乳,与油基钻井液的相溶性差[16-17]。此外,为了提高顶替效率,通常会增大冲洗液用量来延长紊流接触时间,提高清洗效果,由于洗油冲洗液属于水基冲洗液,长时间与页岩地层接触,页岩中的易膨胀组分会膨胀、变形,可能造成井壁坍塌等严重后果[18]。油基水泥浆是由油基携带液、油井水泥和润湿分散剂等配制而成,目前主要利用其遇油不凝、遇水快速凝固的特性,作为选择性堵水材料[19-20],无法用于常规固井。为此,笔者基于改善水泥浆自身亲油性来提高环空界面胶结质量的技术思路,选择羧酸类不饱和油溶性软单体和芳香族不饱和烯烃类刚性单体作为亲油单体,并与亲水单体聚合,合成了具有两亲结构的、稳定性较好的LQ乳液,并优选稳定剂,形成了LQ乳液亲油水泥浆。该水泥浆可用于常规固井,在油、水环境下都能凝固,能提高含油环空界面胶结强度,还可以少用或不用洗油冲洗液,以降低发生井下故障的概率。

1 LQ乳液研究 1.1 LQ乳液的结构设计

为了使水泥浆具有亲油特性,需在油井水泥中加入一种既能使水泥浆与油膜很好地融合、又能保证水泥浆自身的稠化凝结特性的材料。因此,将该材料设计为具有两亲特性的乳液粒子结构。依据“相似相溶原理”,选用合适的亲油单体,利用亲油基团与油分子间的作用力吸油。但由于亲油单体与水完全不相溶,如果单独加入到水泥浆中不能均匀分散,会完全游离在水泥浆之外,影响水泥浆的常规性能,所以需要引入亲水单体,既保证乳液粒子具有亲油性能,又能在水中均匀分散,且不影响水泥浆的性能。因此,笔者设计采用亲油单体与亲水单体聚合的方法,合成既具有极强亲油性、又具有较好亲水性的LQ乳液。

笔者选用羧酸类不饱和软单体和芳香族不饱和烯烃类刚性单体为亲油单体:羧酸类不饱和软单体可降低乳液玻璃化温度,赋予其在较低温度下的成膜性能;芳香族不饱和烯烃类刚性单体可赋予乳液内聚力。选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为亲水单体,其含有水溶性官能团,与亲油单体聚合后可使聚合物具有亲水性,趋向于在乳液粒子表面分布,增强乳液粒子的溶剂化和空间稳定作用,可在一定程度上提高乳液的稳定性。为确保乳液的耐温特性及亲油能力,聚合时还需引入长碳链烷基憎水基团。

1.2 LQ乳液的制备及表征

采用乳液聚合方法制备LQ乳液。将一定量乳化剂溶于去离子水中,然后连同引发剂加入装有温度计、回流冷凝管和电动搅拌器的四口烧瓶中,并将其放在水浴锅中边搅拌边加热至95 ℃。将所选的亲油单体A、亲油单体B、亲水单体C、乳化剂D、交联剂E和引发剂F溶于去离子水中,采用乳化剪切机剪切乳化5 min后,滴加到四口烧瓶中,待滴加完毕后在95 ℃温度下再反应30 min,以使所有单体充分反应;然后将得到的聚合物乳液冷却至室温,即得到LQ乳液。LQ乳液为O/W型乳液,密度1.02 kg/L,pH值9。

采用马尔文动态光散射仪测量LQ乳液的粒径及分布,结果见图 1

图 1 LQ乳液的粒径分布 Fig.1 Distribution of particle sizes of the LQ synthetic emulsion

图 1可知,LQ乳液乳液粒子的粒径分布范围为80~400 nm,平均为170.2 nm。

用傅里叶红外光谱仪测试LQ乳液提纯物红外光谱,结果见图 2。从图 2可看出:2 916 cm-1和1 462 cm-1处的尖锐峰分别为苯环中C-H与C-C的伸缩振动峰;1 728 cm-1处的尖锐峰为酯键中CO的伸缩振动峰;2 848 cm-1处的尖锐峰为CH2中C-H的伸缩振动峰;1 635~1 620 cm-1处没有出现碳碳双键的特征吸收峰。这说明各单体进行了充分的聚合反应,合成了目标聚合物。

图 2 LQ乳液的红外光谱图 Fig.2 Infrared spectrogram of LQ emulsion

对LQ乳液进行喷雾干燥,将干燥物置于试管中,然后注入适量柴油静置2 h,观察发现,干燥物已完全溶胀在柴油中,将试管倒置后该干燥物未流出,说明干燥物与油有一定亲和性,遇油完全溶胀。

1.3 LQ乳液稳定性测试

笔者利用马尔文动态光散射仪分别测定LQ乳液在不同测试条件下的电位和平均粒径,以考察LQ乳液的耐温性、抗盐性和机械稳定性等性能,结果见表 1

表 1 LQ乳液在不同条件下的稳定性测试结果 Table 1 Test for stability of LQ emulsion under different conditions
测试条件 ζ电位/mV平均粒径/nm
室温 -66.53170.1
18%NaCl -68.47172.3
10%CaCl2 -38.84221.1
pH值13 -67.10174.2
老化后 -53.39205.6
4 000 r/min -67.53175.8

表 1可以看出,NaCl、高pH值和高速搅拌对LQ乳液的ζ电位、粒径的影响不大,但CaCl2和高温老化会使LQ乳液的ζ电位绝对值减小、粒径略有增大。因ζ电位越高,粒径越小,乳液就越稳定[21],所以,为了提高LQ乳液在高价阳离子和高温条件下的稳定性,还需添加与之配伍的稳定剂,以防止LQ乳液加入水泥浆后发生破乳。

2 LQ乳液亲油水泥浆性能评价 2.1 稳定剂的优选

水泥水化产生的Ca2+和Al3+等多价阳离子和其他水泥浆外加剂中的极性官能团会对LQ乳液的化学稳定性起破坏作用,地层温度也会对LQ乳液的稳定性造成一定破坏。因此,配制LQ乳液亲油水泥浆时,需要加入一定量的稳定剂,以期在乳液粒子表面形成保护膜,解决LQ乳液亲油水泥浆的破乳增稠问题。表 2为不同配方水泥浆的稳定性和流变性测试结果。

表 2 不同配方水泥浆的流变性和稳定性测试结果 Table 2 Test for stability of emulsions with different formulas

流动
上下密度差/
(kg·L-1)
温度/
六速黏度计读数
φ600φ300φ200φ100φ6φ3
1240.01225195104794221
120185100653742
2无法
流动
25
120
319253002912351462012
120
4220.015 2530021013272139
12027916913170118
注:配方1为G级水泥+2.5%DZJ-Y+44.0%水;配方2为G级水泥+15.0%LQ+2.5%DZJ-Y+44.0%水;配方3为G级水泥+15.0%LQ+2.5%DZJ-Y+1.0%SD-1+44.0%水;配方4为G级水泥+15.0%LQ+2.5%DZJ-Y+1.0%SD-2+44.0%水;六速旋转黏度计读数空缺处为稠度太大而无法测量。

表 2可知:常规水泥浆加入LQ乳液后增稠严重,无法用六速旋转黏度计测定其黏度;加入稳定剂SD-1后,LQ乳液亲油水泥浆的流变性和流动度有所改善,但在高温条件下增稠严重;而加入稳定剂SD-2后,LQ乳液亲油水泥浆的流变性和流动度大幅提高,在120 ℃下也未出现增稠现象,且其沉降稳定性良好。因此,选用SD-2作为LQ乳液亲油水泥浆的稳定剂。

2.2 LQ乳液亲油水泥浆水化产物分析

为考察LQ乳液是否参与了水泥的水化反应,采用X射线衍射仪分析LQ乳液亲油水泥石及常规水泥石水化产物的物相结构,结果见图 3图 4

图 3 LQ乳液亲油水泥石XRD衍射图谱 Fig.3 XRD spectrum for lipophilic cement generated by LQ emulsion
图 4 常规水泥石的XRD衍射图谱 Fig.4 XRD spectrum of conventional cement

对比图 3图 4可以看出:2种水泥石水化产物的物相结构相同,说明LQ乳液未参与水泥的水化反应;LQ乳液亲油水泥石中氢氧化钙晶体的衍射峰强度较常规水泥石略有降低,这是由于LQ乳液亲油水泥浆在凝结成水泥石的过程中,浆体中的水被水泥水化所消耗,乳液粒子逐渐沉淀,聚集在水化产物表面,积聚的胶粒形成连续的薄膜并和水化产物连接在一起,从而形成一种由聚合物和水化产物互相渗透的立体网状膜,降低了H2O和Ca2+在水泥-液相中的扩散速度,从而在一定程度上降低了水泥的水化速度。

采用水化热测试仪测试了水泥浆在25 ℃下加入不同量LQ乳液5 d后的水化放热情况,结果见表 3

表 3 水泥浆在不同LQ乳液加量下的水化热测试结果 Table 3 Test results for hydration heat of cement slurry with LQ emulsion of various volumes
LQ乳液
加量,%
初始放热速率/
(J·g-1·h-1)
二次放热
时间/h
二次放热速率/
(J·g-1·h-1)
0641018
10541512
15501712
2042197

表 3可以看出,水泥浆加入LQ乳液后,初始放热速率和二次放热速率都有所降低,二次放热时间有所延长,说明LQ乳液在一定程度上影响了水泥早期强度和凝结时间的发展,延长了水泥初始水化进程,与XRD试验结果相符。

2.3 LQ乳液亲油水泥浆常规性能

为了考察LQ乳液亲油水泥浆能否用于常规固井,在95 ℃下测定了LQ乳液亲油水泥浆的常规性能,并与常规水泥浆的性能进行了对比,结果见表 4

表 4 LQ乳液亲油水泥浆与常规水泥浆的常规性能对比 Table 4 Properties of lipophilic cement slurry prepared by using LQ emulsion

六速旋转黏度计读数稠化时
间/min
API滤失
量/mL
48 h抗压
强度/MPa
φ600φ300φ200φ100φ6φ3
12151107544531407025
2216118894917151914722
3280171133721282363920
4300202144801392634118
注:配方1为G级水泥+2.5%DZJ-Y+44.0%水;配方2为G级水泥+5.0%LQ+2.5%DZJ-Y+0.8%SD-2+44.0%水;配方3为G级水泥+10.0%LQ+2.5%DZJ-Y+0.8%SD-2+44.0%水;配方4为G级水泥+15.0%LQ+2.5%DZJ-Y+1.0%SD-2+44.0%水。

表 4可知:随着LQ乳液加量增大,水泥浆的API滤失量逐渐降低,并降至50 mL以下。这是因为LQ乳液在水泥浆中形成的乳膜能降低水泥浆的滤失量;随LQ乳液加量增大,水泥浆的稠化时间略有增长,抗压强度有一定降低,但其常规性能仍能满足现场固井要求。

2.4 LQ水泥石亲油性能评价

为了考察LQ乳液亲油水泥石的疏水亲油特性,在自然晾干的含有15%LQ乳液的水泥石和常规水泥石上分别滴上1滴自来水,观察10 s和10 min后的变化情况,结果见图 5。从图 5可以看出,常规水泥石上的水滴很快铺展开并渗入到水泥石中,而LQ乳液亲油水泥石上的水滴10 min后仍未铺展,这说明LQ乳液亲油水泥石具有很好的的疏水亲油性。

图 5 LQ乳液亲油水泥石疏水亲油试验 Fig.5 Test for hydrophobic and lipophilic properties of LQ emulsion

利用视频光学接触角测量仪测量了水在2种水泥石表面的接触角,结果为水与LQ乳液亲油水泥石表面的接触角为58.3°,与常规水泥石表面的接触角为20.6°,这也说明与常规水泥石相比,LQ乳液亲油水泥石具有一定的疏水亲油特性。

2.5 界面胶结强度评价

为了评价LQ乳液亲油水泥环在油环境下的界面胶结强度,自制了一种简易评价模具。该模具为外径110.0 mm、高110.0 mm的圆环,内插直径70.0 mm的钢柱。试验时将模具在油基钻井液中浸泡5 h后取出,将模具环空注满LQ乳液亲油水泥浆,在80 ℃下养护48 h形成水泥石,将模具放在压力机上测剪切压力,然后计算出界面胶结强度,结果为:模具未在油基钻井液中浸泡时,常规水泥浆和含有10%LQ乳液的亲油水泥浆与模具界面的胶结强度分别为1.37和1.33 MPa;模具在油基钻井液中浸泡后,常规水泥浆、含有10%和20%LQ乳液的亲油水泥浆与模具界面的胶结强度分别为0,1.25和1.44 MPa。由此可知,LQ乳液亲油水泥浆提高了油界面的润湿性能,使第一界面胶结强度有一定程度的提高,这是因为LQ乳液亲油水泥石中的乳膜与油基钻井液接触时会吸油膨胀,在有约束的环境下提高了界面胶结强度。

3 结论

1) 选用合适的软、硬亲油单体和亲水单体,采用乳液聚合法合成了具有两亲结构特性的LQ乳液。

2) 由于水泥水化产生的Ca2+、Al3+等多价阳离子和其他水泥浆外加剂中的极性官能团会对LQ乳液的化学稳定性起到破坏作用,因此应优选与水泥浆外加剂配伍的稳定剂,以提高LQ乳液亲油水泥浆的稳定性。

3) 随着LQ乳液加量增大,LQ乳液亲油水泥浆的API滤失量和抗压强度有所降低,凝结时间略有增长,但其整体性能可以满足现场固井要求。

4) 将LQ乳液加入水泥浆后,LQ乳液在水泥石内外呈连续相状分布,形成亲油膜,使LQ乳液亲油水泥石具有很好的疏水亲油性,其与油基钻井液接触时会吸油膨胀,从而提高含油环空界面的胶结强度。

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刘伟, 曾敏, 马开华, 陶谦
LIU Wei, ZENG Min, MA Kaihua, TAO Qian
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http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201701007

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收稿日期: 2016-04-25
改回日期: 2016-08-24

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