纳米二氧化硅改性固井用胶乳水泥体系性能研究

纳米二氧化硅改性固井用胶乳水泥体系性能研究

何毅;白锦锦;姚文宇;王瑞敏;何焦;王丽晶;田野

【摘 要】In view of the problems of the corrosion and brittle fracture of

cement sheath in the later stage of oil field,latex cement added to oil well

cement can improve cementing quality,but the domestic cement latex

indicators difficult to meet the requirements,the high temperature

resistance of cement slurry system is stability of latex cement

slurry system was combination of OP-10 and OP-40 is ud to

prevent the latex cement slurry thickening and improve its stability香蕉煮牛奶 ;the

nano silica composite emulsion was prepared to investigate the high

temperature resistance of the latex cement slurry,At the same

time,evaluated the performance of the latex cement,such as the loss,the

consistency,the compres-sive strength,and so on.%针对油田中后期开发面临

的固井水泥环受腐蚀、脆性破裂的问题,胶乳添加到油井水泥中,可以改善固井质量,

但国内的固井用水泥胶乳指标难以达到要求,水泥浆体系耐高温性能差,针对胶乳水

泥稳定性差的缺点对胶乳水泥浆体系进行研究,将OP-10与OP-40复配使用,防止

胶乳水泥浆变稠,改善其稳定性能;引入纳米二氧化硅,制备纳米二氧化硅复合乳液,考

察其胶乳水泥浆的耐高温性能,同时对胶乳水泥的降滤失性、稠化性、抗压强度等

各方面性能做了相应的评价.

【期刊名称】《应用化工》

【年(卷),期】2016(045)003

【总页数】5页(P445-449)

【关小沈阳原名叫什么 键词】二氧化硅;胶乳水泥;稳定性能;耐高温性能

【作 者】何毅;白锦锦;姚文宇;王瑞敏;何焦;王丽晶;田野

【作者单位】西南石油大学化学化工学院,四川成都 610500;西南石油大学化学化

工学院,四川成都 610500;西南石油大学化学化工学院,四川成都 610500;西南石油

大学化学化工学院,四川成都 610500;西南石油大学化学化工学院,四川成都

610500;西南石油大学化学化工学院,四川成都 610500;西南石油大学化学化工学

院,四川成都 610500

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ9

在现场实践中，由于固井质量问题而引起了很多事故。例如，由于水泥浆凝结时间

短而造成水泥柱未到预计返高而引起的促凝现象；由于水泥浆滤失严重而造成的对

油气层的损坏；由于水泥浆密度过高而造成的井漏现象，从而污染了地层[1]。油

田进入中后期,随着注水、酸化、压裂、热采等开发措施的实施,井内高压极易使水

泥石产生脆性破裂,造成油、气、水窜流,地层水对水泥石的腐蚀会破坏水泥石结构,

由于腐蚀介质对油气井套管的腐蚀损坏,产层油气水窜严重。水泥石脆性破裂和地

层水对水泥石腐蚀都会严重影响油气井生产寿命。水溶蚀和离子交换侵蚀是水泥石

受腐蚀的主要原因之一,增加水泥石致密性和降低水泥水化产物受溶蚀作用和离子

交换作用发生的可能性是提高水泥石耐腐蚀的主要途径[2]。水泥浆中添加适量丁

苯胶乳能够提高水泥石的抗腐蚀性,增强水泥石的韧性,避免水泥石产生脆性破裂。

同时为了避免其在高温下，增稠太多，还必须增加胶乳的热稳定性。

因此，本文将纳米二氧化硅引入胶乳中，制备相应的胶乳水泥，对其降滤失性、稠

化时间、流变性等常规性能进行了评价，并通过电化学的方法测试了其阻抗性能，

同时对其热稳定性进行了相关研究。

1.1 材料与仪器

丁苯胶乳808/812/815、分散剂SXY、降失水剂HS-2A、降失水剂BS100L、

OP-10/OP-40、纳米二氧化硅、KH560、无水乙醇(≥99.7%)、去离子水、氨水

(≥25%)均为分析纯；G级高抗油井水泥。

OWC-9350A型常压稠化仪；OWC-9360型恒速搅拌器；OWC-118型双温强度

养护箱；OWC-9710型高温高压失水仪；YP202N型电子天平；ZNN-D6型旋转

粘度计；WQF-520型傅里叶变换红外光谱仪；KQ22OOD 型数控超声波清洗器；

TG209F1型热重分析仪；FEI Quanta环境扫描电子显微镜；CHI660E上海辰华

电化学工作站。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米SiO2的改性 称取一定量的纳米二氧化硅粉末3份，用适量的无水

乙醇将其刚好溶解，再分别加入 3%，5%，10%的KH-560，搅拌，放置在超声

波清洗仪中超声分散1 h，放进干燥箱干燥24 h，研磨即得KH-560改性纳米二

氧化硅样品。

1.2.2 红外光谱测定 分别取少量以上改性后的SiO2、未改性的SiO2与一定量

的溴化钾研磨成均匀的粉末，通过红外分析仪确定其改性是否成功。

1.2.3 稠化时间的测定 实验在常压稠化仪上测试水泥浆常压稠化时间，以水泥

浆在常压达到稠度30BC的时间为标准考察水泥浆稳定性。考察纳米无机材料馋是什么意思 对胶

乳水泥浆耐高温稳定性的影响。

1.2.4 水泥降滤失实验 实验在高温高压失水仪上测试，水泥浆失水是在90 ℃、

7 MPa压差条件下测试30 min的失水量，主要考察：①实验选择了两种降失水

剂，一种是固体降失水剂HS-2A，另一种是液体降失水剂BS100L，考察两种降

失水剂的性能差异；②胶乳对水泥浆失水的影响。

1.2.斤斤计较的人 5 水泥胶乳水泥浆的流变性 实验将胶乳水泥浆在常压稠化仪中搅拌20 min

后，使用六速旋转粘度计测试胶乳水泥浆体系的流变性，利用以下公式计算水泥浆

流变参数：

n=3.32lg(200/100)

K=0.511100/170.3n

式中 K——粘度系数，Pas;

n——流变指数，无量纲;

——相应转速下的读数，Pas。

实验考察OP稳定剂对水泥浆流变性能的影响。

1.2.6 胶乳水泥电化学测试 采用电化学工作站测试胶乳水泥在3.5% NaCl溶液

以及含饱CO2的3.5% NaCl溶液两种腐蚀介质中的阻抗性能，电极设计见图1。

1.2.7 胶乳水泥TGA分析 采用热重分析仪对加入纳米二氧化硅前后的胶乳进行

了热失重实验，在空气环境下测试，升温速率为20 ℃/min，温度截止800 ℃。

2.1 改性SiO2的FTIR分析

由图2可知，经过KH-550与KH-560改性过后的纳米二氧化硅和未经过改性的

纳米二氧化硅的不同之处，位于3 433 cm-1处的Si—OH经过KH-550与KH-

560改性后明显有所减小[3-4]，说明经过改性的纳米二氧化硅微粒表面羟基由于

与硅烷偶联剂表面的羟基发生反应而明显减少。

2.2 改性SiO2的接触角测试

图3中a、b分别为KH560改性前后接触角的大小，由图3可知，经过改性后，

纳米二氧化硅的接触角从之前的=75.41 变成了124.75，成功将亲水性的纳米

二氧化硅改性为疏水性二氧化硅，增加了纳米二氧化硅与胶乳的相容性。

2.3 胶乳水泥的稠化时间实验

由表1可知，随着纳米无机材料用量的增加，当加量在0.05 g以下时，水泥浆常

压稠化时间不断延长，当加量超过0.05 g以后，常压稠化时间基本保持稳定。当

纳米无机材料用量超过1 g时，水泥石结构会变的很松散，胶结能力降低。根据

数据可以发现，当无机材料用量民的成语 为0.05 g时，水泥浆稳定性达到最佳，因此，无

机材料用量0.05 g为最佳用量。

2.4 水泥降滤失实验

2.4.1 降失水剂的选择 由表2可知，固体粉末降失水剂HS-2A虽然可以控制失

水，但是效果不明显且加量大，因此实验选择控制失水效果明显的液体降失水剂

BS100L。

胶乳含量为7%时，降失水剂BS100L可以控制水泥浆失水在50 mL以下。

2.4.2 胶乳含量对失水的影响 由表3可知，在不加入降失水剂时，胶乳SBR-

815没有起到控制失水的作用，对水泥浆的失水性能影响不大，水泥浆没有形成

滤饼且完全失水。当加入降失水剂BS100L时，加入相同含量的BS100L，随着水

泥浆中胶乳含量的增加，水泥浆的API失水量基本保持不变，说明此胶乳对水泥

浆失水性能影响不大。降失水剂BS100L加量为3%时可以控制失水50 mL以下。

2.5 胶乳水泥的流变性

胶乳的加入易使水泥浆体系变稠，当胶乳加量为3%以下时，水泥浆稠度较低，不

需要加入稳定剂；当加量为3%以上时，胶乳水泥与水混合后稠度很大，水泥浆无

法使用，因此需要加入稳定剂，本课题中将OP-10与OP-40按1∶5比例复配作

稳定剂使用。

水泥配方：水泥600 g+胶乳SBR-815(3%～5%)+石英砂(35%)+降失水剂

BS100L(3%)+缓凝剂BS200R(中温)0.5 g+分散剂SXY(0.5%)+纳米无机材料

(SiO2)0.05 g+OP-10/OP-40(1%)+少量有机硅消泡剂，水灰比为0.44。

由表4可知，胶50年代经典老歌 乳水泥浆的流变性能和流变参数能够满足固井施工要求。正常密

度胶乳水泥浆体系的n值在0.5～1.0，K值在1.0以下。说明OP-10与OP-40

按1∶5比例复配为稳定剂效果良好，能够保证水泥中增大胶乳含量后胶乳水泥浆

的流变性能。

2.6 胶乳水泥的抗压强度

由表5配方1和3可知，加胶乳水泥浆加沙后其抗压强度大幅度减小。由配方1

和2可知，在胶乳水泥硬化体中，使硬化水泥石中的缺陷和微裂缝被填充。由于

聚合物膜层具有较高的抗拉强度和变形能力，可吸收缺陷和微裂缝在水泥中扩展所

需的断裂能。因此，胶乳能有效地延缓缺陷和微裂缝的扩展速率,改善水泥石的力

学性能。

2.7 胶乳水泥电化学评价

2.7.1 NaCl溶液体系 图4为不含胶乳的水泥在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间

时的电化学阻抗图，图5、图6为加入3%和5%胶乳后的水泥电极在3.5%NaCl

溶液中浸泡不同时间时的电化学阻抗图。

由图4可知，不含胶乳的水泥在浸泡时间达到31 h时，腐蚀介质扩散达到金属表

面，当浸泡时间达到37 h时扩散过程的特征消失[4]。由图5可知，加入的胶乳为

3%时，其电化学阻抗图在第41 h时开始出现扩散现象[5]，并在112 h时扩散过

程消失；而在加入夕阳的近义词 5%的胶乳的体系中，在浸泡时间达到102 h的时候腐蚀介质扩

散到金属表面，并在132 h时扩散过程消失。说明胶乳的加入可以有效增强水泥

的抗氯离子腐蚀性能。

2.7.2 含有饱和CO2的NaCl溶液体系 图7和图8分别为加入3%胶乳的水泥

和加入了5%胶乳的水泥在含有饱和CO2的3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间的电

化学阻抗图。

由图7、图8可知，不论加入的胶乳含量为3%还是5%，都是在第9 h开始出现

扩散，并一直维持里海酸奶 扩散。这主要是由于CO2与水泥颗粒反应，生成固态的碳酸钙，

其空隙率维持不变，从而导致扩散现象维持不变。

2.8 胶乳水泥热稳定性研什么是童谣 究

由图9可知，纯的乳液和加入了改性SiO2复合乳液的热重曲线，纯的乳液的起始

分解温度为331.414 ℃，加入SiO2的复合乳液的起始分解温度为335.814 ℃，

可以看出，加入改性纳米二氧化硅的复合乳液热稳定更高，且在最后由于二氧化硅

的分解温度较高，加入纳米二氧化硅的复合材料的剩余组分多于纯的乳液。

2.9 纳米无机材料提高稳定性的机理分析

由图10可知，未加入纳米无机材料的水泥石中存在较大尺寸的板状Ca(OH)2晶

体，明显贯穿于纤维状、网络状的C—S—H凝胶中，增强了水泥石的胶结性能；

而加入纳米无机材料的水泥石中没有大尺寸的Ca(OH)2晶体，纤维状网状的C—

S—H凝胶较少，生成的C—S—H多以互不连接的针状、分散的簇状为主，水泥

胶创城图片 结能力较弱。

根据扫描电镜结果分析，纳米无机材料能够增加胶乳水泥浆的耐高温稳定性的同时

又会降低水泥石的抗压强度，原因一方面可能是纳米无机材料粉末包裹在胶乳颗粒

表面形成一层保护膜，这层保护膜可以抵抗温度变化使胶乳颗粒不易发生胶结从而

使体系保持稳定，胶结能力下降的同时水泥强度也随之降低；另一方面纳米无机材

料可能影响了水泥的水化，使水化产物中硅酸钙凝胶和氢氧化钙含量和胶结程度降

低，进而强度降低，同时Ca2+减少，胶乳体系免于受到离子影响而更加稳定。

(1)OP-10与OP-40按1∶5的比例复配而成的稳定剂可以增加胶乳水泥浆的物理

稳定性和流动性；纳米二氧化硅可以提高胶乳水泥浆高温条件下的稳定性，但是也

会降低水泥石的抗压强度。

(2)使用降失水剂BS100L可以有效控制水泥浆失水，胶乳加量基本对失水无影响，

水泥加砂后失水量增加，且砂粒径越大，相同条件下水泥失水量越高。

(3)胶乳水泥流变性良好，n值在0.5以上1.0以下，K值在1.0以下。

(4)胶乳加入水泥中可以有效抵抗氯离子、CO2与硫离子腐蚀。

【相关文献】

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