本文選題：大溫差 + 兩性離子緩凝劑�。� 參考：《西南石油大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著油氣田勘探開發(fā)向深井、超深井發(fā)展,目的層地質(zhì)條件的復(fù)雜性給固井工程帶來了許多困難和挑戰(zhàn),尤其是長(zhǎng)封固段低壓易漏井固井,不僅要求水泥漿密度低,而且要求水泥漿緩凝劑具有優(yōu)異的耐高溫能力和適應(yīng)大溫差的能力。然而,現(xiàn)有的緩凝劑耐高溫和適應(yīng)大溫差能力較差,為此,本文以大溫差固井對(duì)緩凝劑的要求為出發(fā)點(diǎn),重點(diǎn)開展了大溫差兩性離子緩凝劑的研究,并將此緩凝劑應(yīng)用于低密度水泥漿中,形成了大溫差低密度水泥漿體系,取得的研究成果如下：(1)以2-甲基-2-丙烯酰胺基-丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、甲基丙烯醇聚氧乙烯醚(HEPG)為單體,過硫酸鉀(K2S208)為引發(fā)劑,采用水溶液自由基聚合法制備了大溫差兩性離子緩凝劑PAID、在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面法分析法優(yōu)化出最佳合成反應(yīng)工藝條件為：?jiǎn)误w摩爾比AMPS:IA:DMC:HPEG為50：25：10：0.02,K2S208加量1.2%,單體濃度31%,反應(yīng)時(shí)間5h,聚合溫度66℃,體系pH為8。采用FTIR、NMR、TG-DSC、GPC、SEM等測(cè)試手段對(duì)PAID進(jìn)行表征。結(jié)果表明,PAID按設(shè)計(jì)單體配比進(jìn)行共聚反應(yīng),分子結(jié)構(gòu)中含有預(yù)期設(shè)計(jì)的功能基團(tuán)；GPC測(cè)得PAID的重均分子量為Mw=4.45×105,數(shù)均分子量Mn=1.91×105,分子量分布指數(shù)PDI為2.3,分子量分布較寬；熱分析結(jié)果表明PAID熱穩(wěn)定性良好；SEM實(shí)驗(yàn)表明,PAID溶液微觀形貌呈現(xiàn)樹枝狀結(jié)構(gòu)。(2)考察了PAID在水泥漿中的綜合性能。結(jié)果表明,PAID對(duì)大溫差固井具有良好的適應(yīng)性,可滿足高溫條件下水泥漿的安全泵送,又可保證低溫井段水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展；PAID具有良好的抗溫性及緩凝性,對(duì)溫度,加量敏感性小,稠化時(shí)間與緩凝劑加量呈線性關(guān)系,滿足90～180℃的固井要求；PAID具有一定分散作用,有利于改善水泥漿的流動(dòng)性；與降失水劑配伍性良好。(3)合成了不同陽(yáng)離子含量的兩性離子緩凝劑。研究了兩性離子緩凝劑在水泥顆粒表面的吸附行為；通過低場(chǎng)核磁T2弛豫時(shí)間研究了兩性離子緩凝劑對(duì)水泥水化初期漿體中水存在狀態(tài)的影響；采用XRD研究了兩性離子緩凝劑對(duì)水泥水化產(chǎn)物的影響�；谝陨蠈�(shí)驗(yàn),推測(cè)兩性離子緩凝劑延緩水泥水化的機(jī)理主要是吸附機(jī)理和絡(luò)合機(jī)理。兩性離子緩凝劑適應(yīng)大溫差條件的原因?yàn)椋?)在水泥顆粒表面的吸附強(qiáng)度小,形成的吸附層疏松,容易解吸附,在不斷的“吸附—解吸附”過程中實(shí)現(xiàn)其緩凝作用與水泥水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,有效防止水泥漿的長(zhǎng)期不凝現(xiàn)象；2)高低溫度下吸附量不同,通過緩凝劑分子對(duì)溫度的可逆響應(yīng)特性,緩凝劑在高溫下吸附量大,緩凝作用強(qiáng),低溫下吸附量小,緩凝效果弱。以此解決了水泥漿高溫稠化時(shí)間長(zhǎng)與低溫強(qiáng)度發(fā)展緩慢的矛盾；3)高低溫度下對(duì)鈣離子的絡(luò)合能力不同,由于緩凝劑分子的溫度伸縮性,低溫下分子鏈蜷縮,使部分羧基被包埋,螫合作用減弱,緩凝能力降低。高溫下分子鏈?zhǔn)嬲?螯合能力增強(qiáng),緩凝作用加劇。以此來實(shí)現(xiàn)其高溫緩凝低溫早強(qiáng)的特性。(4)制備了活性減輕材料ESC-25。采用FTIR,EDS,SEM,TG-DSC等手段對(duì)ESC-25進(jìn)行了表征。紅外光譜和能譜分析結(jié)果表明,礦渣與有機(jī)樹脂基體成功復(fù)合；潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明活性填料改善了有機(jī)樹脂基體的表面性能,使其表面親水性增強(qiáng)；SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接表明活性減輕材料具有良好的剪切力學(xué)性能。熱重結(jié)果表明,礦渣的加入,改善了減輕材料的熱穩(wěn)定性。ESC-25具有良好的抗剪切抗壓性能,有利于深井固井中保證水泥漿的密度穩(wěn)定性；XRD和TG-DSC實(shí)驗(yàn)證明,ESC-25的活性機(jī)理為,在水泥漿的堿性環(huán)境中,Ca(OH)2作為堿激發(fā)劑,激活礦渣發(fā)生火山灰反應(yīng),生成對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度有利的水化硅酸鈣凝膠。(5)以PAID和ESC-25為基礎(chǔ),通過篩選及組配外摻料和外加劑,設(shè)計(jì)了適用于115～135℃,密度為1.3-1.5g/cm3的大溫差實(shí)心低密度水泥漿體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,體系綜合性能良好,在保證高溫稠化時(shí)間的條件下水泥石頂部抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度發(fā)展快,對(duì)于長(zhǎng)封固段低壓易漏井固井具有良好的應(yīng)用前景。
[Abstract]:With the development of oil and gas field exploration and development to deep wells and ultra - deep wells , the complexity of the geological conditions of the destination floor has brought many difficulties and challenges to cementing engineering , especially the low - pressure easy - to - drain well cementing of long - seal section . The results are as follows : ( 1 ) The temperature difference of two - sex ionic retarder is optimized by using the method of response surface method . The results show that the PAID is prepared by copolymerization of 2 - methyl - 2 - acrylamide - propanesulfonic acid ( AMPS ) , itaconic acid ( IA ) , methacryloxyethyl trimethyl ammonium chloride ( DMC ) , GPC and SEM . The results show that PAID is a functional group which is expected to be designed in the molecular structure .
The weight average molecular weight of PAID measured by GPC was Mw = 4.45 脳 105 , number average molecular weight Mn = 1.91 脳 105 , molecular weight distribution index PDI was 2.3 , molecular weight distribution was wider ;
The results of thermal analysis showed that the thermal stability of PAID was good .
SEM experiments show that the microscopic appearance of PAID solution presents dendritic structure . ( 2 ) The comprehensive performance of PAID in cement slurry is studied . The results show that PAID has good adaptability to large temperature difference cementing , and can meet the safe pumping of cement slurry under high temperature conditions , and can guarantee the development of cement stone compressive strength at low temperature .
The PAID has good temperature resistance and retarding property , and has a linear relation to the temperature , the addition amount sensitivity , the thickening time and the adding amount of the retarder , so that the cementing requirement of 90 - 180 DEG C is satisfied ;
PAID has a certain dispersing effect , which is beneficial to improving the fluidity of cement slurry ;
( 3 ) The adsorption behavior of zwitterionic retarder on the surface of cement particles was studied .
The effect of zwitterionic retarder on the presence of water in the initial slurry of cement by low field nuclear magnetic T2 relaxation time was studied .
Based on the above experiments , it is speculated that the mechanism of retarding the hydration of cement by zwitterionic retarder is mainly adsorption mechanism and complexation mechanism .
2 ) the adsorption quantity is different at high and low temperatures , and the reversible response characteristic of the retarder molecule to the temperature is adopted , the absorption quantity of the retarder is large under the high temperature , the inhibition effect is strong , the adsorption quantity at low temperature is small , and the retarding effect is weak , thereby solving the contradiction of slow development of high temperature thickening time and low temperature strength of the cement slurry ;
3 ) Under high temperature and low temperature , the complexing ability of the calcium ions is different . Because of the temperature expansion of the retarder molecules , the molecular chains are curled up at low temperature , so that some carboxyl groups are embedded , the chelating ability is enhanced , and the retarding action is increased .
The wetting experiment results show that the active filler improves the surface property of the organic resin matrix , so that the surface hydrophilicity is enhanced ;
The results of SEM show that the active material has good shear mechanical properties . The results show that the addition of slag improves the thermal stability of the material . The ESC - 25 has good shear compression resistance , which is beneficial to the density stability of cement slurry in deep well cementing .
XRD and TG - DSC experiments show that the activity mechanism of ESC - 25 is that Ca ( OH ) 2 is used as alkali activator in the alkaline environment of cement slurry to activate slag to react with ash to generate hydrated calcium silicate gel with favorable compressive strength .
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE256.6

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本文編號(hào)：1961168