水泥漿聚合物降濾失劑的合成及性能評價

秦波波　(荊州市學成實業有限公司，湖北 荊州 434023)

羅春芝，楊云峰　(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

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水泥漿聚合物降濾失劑的合成及性能評價

秦波波(荊州市學成實業有限公司，湖北 荊州 434023)

羅春芝，楊云峰(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

[摘要]以丙烯酸(AA)、順丁烯二酸酐(MA)和丙烯酰胺(AM)等3種單體為主要原料，采用水溶液自由基聚合的方法合成了一系列聚合物水泥漿降濾失劑，并研究了單體配比、反應溫度、引發劑濃度對聚合物水泥漿降濾失劑性能的影響。結果表明，最佳單體質量比(AA∶MA∶AM )為25∶10∶65，反應溫度為40℃，引發劑加量為單體總量的 1.0%。與常用的幾種水泥漿降濾失劑相比，合成樣品JLS的降濾失性能最好；JLS在水泥漿中加量為0.8%(以水泥的質量計)時，高溫高壓濾失量為72.3ml,比標準要求低77.7ml，且對表觀黏度影響小；JLS抗溫性達120℃；抗鹽性滿足標準(SY/T 5504. 2-2005)要求；JLS和模擬水泥漿體系中的外加劑具有良好的配伍性。

[關鍵詞]聚合物降濾失劑；水泥漿；抗溫性；抗鹽性

隨著油氣井鉆探深度的增加，井底溫度、壓力不斷增高，對固井水泥外加劑的要求越來越高，降濾失劑是用量最大的油井水泥外加劑之一[1～3]。傳統的水泥漿降濾失劑(纖維素系列、聚乙烯醇系列和聚丙烯酰胺系列)普遍存在一些缺陷[4～7]，如纖維素系列易使水泥漿增稠，且抗溫性差；聚乙烯醇系列抗鹽性差且在溫度較低時具有很強的緩凝作用；聚丙烯酰胺系列易影響水泥漿的穩定性。為解決上述問題，筆者選用丙烯酸、順丁烯二酸酐和丙烯酰胺為原料，以氧化還原體系為引發劑，采用水溶液聚合，合成適宜分子量的水泥漿降濾失劑，對降濾失劑性能進行評價，并考察其在水泥漿中的適應性。

1樣品的合成

1.1主要原料

順丁烯二酸酐，工業級；丙烯酸，工業級；丙烯酰胺，工業級；高抗G級水泥，工業級；丙酮，分析純；亞硫酸氫鈉，分析純；過硫酸鉀，分析純。

1.2合成方法

稱取一定量丙烯酸、順丁烯二酸酐、丙烯酰胺，用適量的水溶解，調節其pH值，以過硫酸鉀和適量的亞硫酸氫鈉為引發劑，在一定的溫度和氮氣保護下低速攪拌使單體共聚。反應產物用丙酮洗滌，以除去沒有反應的單體，烘干、剪切、粉碎即得到聚合物降濾失劑樣品。

1.3評價方法

按標準[8]配制并評價聚合物降濾失劑樣品的性能。水灰比采用 0.44，外加劑采用外摻法，摻量為占水泥干灰重的百分數。

1.4樣品的合成及優選

選用丙烯酸、順丁烯二酸酐、丙烯酰胺為原料，改變單體配比、反應溫度和引發劑的加量(引發劑的加量為單體總質量的百分比)，按照正交試驗法合成9個樣品(見表1)。按標準[8]檢測其高溫高壓濾失量，依此優選出最佳試驗配方。

表1　正交表分析

注：FLHTHP為120℃、圧差6.9MPa條件下的高溫高壓濾失量，下同。水泥漿基漿配方為水灰比0.44+1%ZH-8(緩凝劑)。合成降濾失劑加量為0.8%。

對試驗結果進行正交分析(見表1)可以看出，單體配比的極差最大，說明單體配比是影響反應的主要因素，其次是溫度和引發劑加量。各因素濾失量最小的水平為40℃、原料配比為25∶10∶65、引發劑加量為1%。在9組試驗中，沒有該產品，因此需要追加樣品合成10#。檢測追加樣品的高溫高壓濾失量FLHTHP為72.3ml，比5#樣品濾失量小。所以10#為最佳樣品，且將其命名為JLS。

2樣品性能評價

2.1降濾失性能

室內選擇油田常用的水泥漿降濾失劑LW-1、SK-1、TD-X、T121和筆者合成的樣品JLS進行對比評價。在水泥漿基漿配方中加入0.8%的降濾失劑，再以表觀黏度、40℃的濾失量和高溫高壓濾失量為評價標準，評價不同的水泥漿降濾失劑的性能(見表2)。由表2中可以看出，與其他幾種水泥漿降濾失劑相比較，合成樣品流變性和降濾失性能滿足現場的要求，表觀黏度AV最小，濾失量FL最小，游離液最小，抗壓強度最大，說明合成樣品JLS的性能最好。

表2　不同水泥漿降濾失劑對水泥漿性能的影響

注：AV為表觀黏度；FL為40℃、圧差6.9MPa條件下的濾失量；游離液為靜置5h的游離水量；抗壓強度為90℃

養護24h的抗壓強度，下同。

2.2加量對水泥漿性能影響

表3　JLS加量對水泥漿性能的影響

表4　溫度對水泥漿濾失量的影響

按1.3中的方法配制水泥漿，并評價JLS加量對水泥漿的表觀黏度、濾失量(40℃、圧差6.9MPa)、高溫高壓濾失量(120℃、壓差6.9MPa)的影響(見表3)。從表3可以看出，隨著JLS的加量增大，表觀黏度增加，濾失量減小。當加量低于0.8%時，隨著加量的增加，濾失量和高溫高壓濾失量都顯著的減小，表觀黏度變化不大；當加量超過0.8%時，濾失量逐漸的趨于恒定值，而表觀黏度增加。所以選取的最佳加量為0.8%。

2.3抗溫性

在JLS加量為0.8%時，依據標準[8]評價溫度對水泥漿濾失量的影響(見表4)。從表4可以看出，在120℃以下時，隨著溫度的升高，其濾失量有所升高，但其濾失量都能控制在150ml以下；當溫度超過120℃時，其濾失量急劇增加，因此JLS抗溫性為120℃。

2.4抗鹽性

表5　鹽對水泥漿性能的影響

在JLS加量為0.8%時，依據標準[8]評價NaCl對水泥漿濾失量、游離液、抗壓強度的影響(見表5)。從表5可以看出，加入18%NaCl(以水泥質量計)，水泥漿的濾失量、游離液、抗壓強度都變化不大，也滿足標準要求，證明JLS抗鹽性能優異。

2.5JLS加量對模擬水泥漿體系性能的影響

在模擬水泥漿體系中，分別加入不同加量的JLS，評價其對水泥漿體系性能的影響(見表6)。由表6可以看出，隨著JLS加量的增加，水泥漿體系的高溫高壓濾失量和游離水量都顯著的降低，而體系的表觀黏度、抗壓強度、凝結時間都基本不變，說明JLS和水泥漿外加劑具有良好的配伍性。

表6　JLS加量對模擬水泥漿體系性能的影響

注：模擬水泥漿體系配方為水灰比0.44，外加劑配方為0.15%Landy19L+0.76%Landy606L+3.1%Landy806L+1.2% Landy906L+0.5%D1001+14.3%漂珠+ 14.3%微硅。

3樣品紅外光譜分析

圖1　樣品JLS的紅外光譜圖

4結論

1)合成樣品的最佳條件：單體濃度為20%，丙烯酸、順丁烯二酸酐和丙烯酰胺單體質量比為25∶10∶65，引發劑加量為1.0%(質量分數)，反應溫度40℃，反應時間4h。

2)與現場常用的幾種水泥漿降濾失劑對比，JLS的降濾失性能最好。

3)JLS最佳加量為0.8%，此時水泥漿濾失量為6.5ml，高溫高壓濾失量為72.3ml，且在40～120℃范圍內都有優異的降濾失效果。

4)JLS具有很強的抗鹽性，且與水泥漿外加劑具有良好的配伍性。

5)紅外譜圖分析結果表明，3種單體均參與了反應，成功合成了丙烯酸、順丁烯二酸酐和丙烯酰胺三元共聚物。

[參考文獻]

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[8]SY/T 5004.2-2005,油井水泥外加劑評價方法[S].

[編輯]趙宏敏

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)04-0027-03

[中圖分類號]TE256.7

[通信作者]羅春芝(1964-)，女，碩士，副教授，現主要從事油田化學方面的教學與研究工作；E-mail:Luochunzhi8@126.com。

[基金項目]國家自然科學基金項目(51174036)。

[收稿日期]2015-10-29

[引著格式]秦波波，羅春芝，楊云峰.水泥漿聚合物降濾失劑的合成及性能評價[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(4)：27～29，38.