新型耐温油井水泥降失水剂体系的研究

论文摘要

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

论文目录

1. 绪论

1.1 国内在钻探过程中遇到的高温高压情况

1.2 高温高密度固井水泥外加剂

1.3 控制水泥浆失水的意义

1.4 降失水剂的研究与应用进展

1.4.1 微粒材料

1.4.2 天然高分子及其改性物

1.4.3 人工合成聚合物

1.5 降失水剂作用机理

1.6 问题的提出

1.6.1 油井水泥降失水剂作用机理研究的意义

1.6.2 新型耐温油井水泥降失水剂研究的意义

1.6.3 水泥浆体系评价方法研究的意义

2. 降失水剂作用机理的研究

2.1 束缚自由水、体系液相粘度、高分子嵌入空隙对控制失水作用大小的研究

2.1.1 主要试剂和仪器

2.1.2 实验方法与原理

2.1.3 实验步骤

2.1.4 实验结果

2.1.5 实验结果分析与讨论

2.1.6 束缚自由水、体系液相粘度、高分子嵌入空隙对控制失水作用大小的研究结论

2.2 降失水剂在水泥颗粒上的吸附性质研究

2.2.1 主要试剂与仪器

2.2.2 实验方法

2.2.4 实验结果分析与讨论

2.2.5 吸附实验结论

2.3 吸附强度对失水的影响

2.3.1 主要实验药品

2.3.2 实验方法原理

2.3.3 AM/AA/AS共聚物加量与失水的关系

2.3.4 HEC加量与失水的关系

2.3.5 PVA加量与失水的关系

2.3.6 PEO加量与失水的关系

2.3.7 吸附强度实验结果的分析与结论

2.4 吸附层厚度对降失水剂失水效果的影响

2.4.1 AM/AA/AS共聚物体系吸附厚度变化对失水的影响

2.4.2 HEC体系吸附厚度变化对失水的影响

2.4.3 PVA体系吸附层厚度变化对失水的影响

2.4.4 PEO体系吸附层厚度变化对失水的影响

2.4.5 吸附层厚度对失水影响实验结果的分析与结论

2.5 分子形态与失水的关系研究

2.5.1 实验方法与原理

2.5.2 实验仪器及药品

2.5.3 不良溶剂和θ溶剂比例的确定

2.5.4 分子形态变化对水泥浆滤失性能的影响

2.5.5 实验结果的讨论

2.5.6 分子形态与失水关系研究结论

2.6 水泥浆失水通道的微观分析

2.6.1 球体密堆积的空隙率

2.6.2 水泥颗粒之间空隙的钢性填充要求

2.6.3 水泥颗粒的柔性填充要求

2.6.4 降失水剂高分子的理论尺寸（分子量）要求

2.7 降失水剂高分子无扰尺寸的测定

2.7.1 θ溶剂的确定

2.7.2 测定条件

2.7.3 θ条件下分子量的测定

2.7.4 θ条件下FAS-2分子量的计算

2.7.5 θ条件下FAS-2分子无扰尺寸的计算

2.8 水泥颗粒的扫描电镜分析

2.9 粘弹性吸附层降失水剂作用机理

2.10 本章小结

3. 新型耐温油井水泥降失水剂的合成

3.1 耐温降失水剂的分子设计

3.1.1 耐高温降失水剂的基本要求

3.1.2 磺化型油井水泥降失水剂的优点

3.1.3 耐温降失水剂主链的设计

3.1.4 耐温降失水剂官能团的设计

3.1.5 含磺酸基的油田化学品的主要技术路线

3.1.6 耐温降失水剂合成方法选择

3.2 AM/AA/AS降失水剂的合成

3.2.1 实验药品

3.2.2 合成方法

3.2.3 水泥实验方法

3.2.4 AM/AA/AS共聚物反应条件的研究

3.2.4.1 反应时间对聚合反应转化率的影响

3.2.4.2 反应温度、分子量与失水的关系研究

3.2.4.3 引发剂量对共聚物分子量和失水性能的影响

3.2.4.4 AS加量对降失水剂性能的影响

3.2.5 AA/AM/AS的表征

3.2.5.1 AM/AA/AS共聚物的红外光谱

3.2.5.2 AA/AM/AS分子量的测定

3.2.6 AA/AM/AS三元无规共聚降失水剂的合成小结

3.3 磺化聚苯乙烯的合成

3.3.1 聚苯乙烯的磺化方法

3.3.2 磺化反应原理

3.3.3 磺化反应历程

3.3.4 磺化反应动力学

3.3.5 磺化剂的选择

3.3.6 实验药品

3.3.7 PS的磺化实验方法

3.3.8 产品的处理方法

3.3.9 磺化度的测定方法

3.3.10 SPS失水性能测定方法

3.3.11 磺化方法的优选

3.3.12 磺化反应影响因素的研究

3.3.12.1 磺化度对SPS失水控制性能的影响

3.3.12.2 硫酸用量对磺化度的影响

3.3.12.3 反应温度对磺化度的影响

3.3.12.4 反应时间对磺化度的影响

3.3.12.5 分散剂用量对磺化度的影响

3.3.12.6 催化剂用量对磺化度的影响

3.3.13 SPS磺化小结

3.4 本章小结

4. 新型耐温油井水泥浆体系的性能研究与评价

4.1 高温高密度水泥浆的基本要求

4.2 AM/AA/AS新型耐温油井水泥降失水剂体系的性能

4.2.1 实验药品

4.2.2 FAS-2的降失水性能

4.2.3 FAS-2对水泥浆流变性和析水的影响

4.2.4 FAS-2对水泥石抗压强度的影响

4.2.5 FAS-2对水泥浆稠化时间的影响

4.2.6 FAS-2水泥浆体系耐盐能力的研究

4.2.7 FAS-2水泥浆体系耐温能力的研究

4.2.8 不同温度段实用配方的研究

4.2.8.1 90℃常规密度的配方

4.2.8.2 100℃常规密度的配方

4.2.8.3 110℃常规密度的配方

4.2.8.4 高密度体系的配方

4.2.9 FAS-2水泥浆体系小结

4.3 SPS性能的研究

4.3.1 实验药品

4.3.2 SPS的降失水性能

4.3.3 SPS的耐温性能

4.3.4 SPS对水泥浆体系流变性能的影响

4.3.5 SPS-1水泥浆体系耐盐能力的研究

4.3.6 SPS水泥浆体系的其他性能的影响

4.3.7 不同温度段实用配方的研究

4.3.8 SPS性能小结

4.4 本章小结

5. 新型耐温油井水泥降失水剂体系的现场应用

5.1 FAS-2新型耐温油井水泥浆体系在TK839井的应用

5.1.1 TK839井7"双级固井设计基本情况

5.1.2 TK839井井身结构

5.1.3 TK839井钻井液性能

5.1.4 TK839井井内温度

5.1.5 TK839井水泥浆设计

5.1.6 水泥浆实验配及性能

5.1.7 TK839井固井结果

5.2 FAS-2新型耐温油井水泥体系在TK910井的应用

5.2.1 TK910井基本情况

5.2.2 TK910井泥浆性能

5.2.3 TK910井固井水泥设计

5.2.4 TK910井固开水泥设计

5.2.5 TK910井固井施工结果

5.2.6 TK910井固井总结

6. 水泥浆综合性能的模糊评价

6.1 水泥体系性能的模糊性

6.2 模糊综合评判

6.3 水泥浆体系性能模糊综合评价体系的建立

6.3.1 因素集和评判集的建立

6.3.2 各因素隶属函数的建立

6.3.2.1 稠化时间隶属函数的建立

6.3.2.2 API失水隶属函数的建立

6.3.2.3 流性指数隶属函数的建立

6.3.2.4 抗压强度隶属函数的建立

6.3.2.5 析水隶属函数的建立

6.3.3 权重模糊子集的建立

6.3.3.1 直井权重模糊子集

6.3.3.2 斜井和水平井权重模糊子集

6.4 水泥体系性能的综合评分

6.5 水泥体系性能模糊评价实例

6.6 模糊综合评价方法在实际固井中的验证和结论

6.7 本章小结

7. 结论与建议

致谢

参考文献

附录部分配方稠化曲线

答辩委员会

新型耐温油井水泥降失水剂体系的研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢