一種反相乳液型油井水泥懸浮穩定劑

田 野

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北 三河 065201）

反相乳液聚合指的是以水溶性單體的水溶液作為分散相、與水不混溶的有機溶劑作為連續相，在乳化劑的作用下形成油包水型乳液而進行的乳液聚合。反相乳液聚合始用1962年[1]，該法對水溶性單體的聚合有特殊的意義，與傳統水溶液聚合相比，反相乳液聚合法具有反應速度快、產物分子量高、固相含量高的特點。目前工業上反相乳液聚合法主要用于聚丙烯酰胺的生產，國內于20世紀70年代開始丙烯酰胺及丙烯酸的反相乳液聚合研究[2-5]。近年來油田上開始逐步使用反相乳液產品，主要是應用在鉆井液增黏、油田調驅堵水等方面，以及絮凝劑[6-12]等方面，油井水泥添加劑方面的應用少有報道。反相乳液的制備，通常以白油、液體石蠟等為連續相，以司盤80、吐溫80、OP-10、AEO-3等為乳化體系，使用氧化還原引發體系合成[13-16]。

本文使用反相乳液聚合法合成了一種適用于油井水泥的懸浮穩定劑 C-J65L，該產品為AMPS/N,N-DMA二元共聚物，與水溶液聚合的同類產品相比，C-J65L具有液相黏度低、分子量高、加量少的特點，更有利于海上固井作業現場施工，超過百萬的分子量，使其應用于水泥漿中可有效提高水泥漿的黏度和穩定性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

AMPS、N,N-DMA、工業級氫氧化鈉、白油、司盤80、吐溫80、過硫酸銨、焦亞硫酸鈉均來自中海油服化學有限公司，一種自制乳化劑C-18；水泥采用山東中昌G級水泥，硅粉、降濾失劑C-FL80L、緩凝劑C-R21L/C-R42L、消泡劑C-DF60L等均來自中海油服化學有限公司。

符合API標準的配漿設備及實驗模具、Chandle 8040D高溫高壓稠化儀；攪拌器、乳化機來自上海歐河。

1.2 實驗方法

水泥漿實驗根據API R10B標準進行。

1.3 反相乳液懸浮穩定劑的制備

配制油相：將一定量的司盤 80和自制乳化劑C-18加入白油中，并攪拌10 min備用；配制水相：將一定量的AMPS、N,N-DMA緩慢加入去離子水中，同時攪拌降溫防止自聚，滴加氫氧化鈉溶液調節pH值至 6~7；將配制好的水相溶液緩慢加入油相中，同時快速攪拌并乳化持續20 min，形成乳白色的反相乳液。將乳液倒入4口燒瓶中，在水浴中加熱升溫至30 ℃并持續攪拌，通入氮氣10 min后，加入氧化還原引發劑過硫酸銨、焦亞硫酸鈉，燒瓶中乳液反應升溫至50 ℃以上，保溫3 h后反應結束，加入吐溫80并攪拌10 min，取出乳液備用。

2 結果與討論

2.1 表征

將制備的反相乳液C-J65L進行破乳、無水乙醇洗滌、烘干后得到的產物進行紅外光譜分析，結果如圖1所示。

如圖1所示，特征吸收峰分析如下：3 316 cm-1是-NH2的伸縮振動峰，2 978 cm-1、2 935 cm-1是-CH3、-CH2的特征吸收峰，1 614 cm-1是酰胺基團的特征吸收峰，1 454 cm-1、1 368 cm-1是-CH3的對稱彎曲振動峰，1 178 cm-1和1 038 cm-1分別為-SO3的對稱和不對稱伸縮振動峰。從上述特征峰出現的位置，說明單體AMPS和N，N-DMA均參與了聚合反應。并且在1 600~1 640 cm-1范圍內未發現C=C雙鍵的特征吸收峰，表明所有單體均參與了共聚反應。反相乳液C-J65L物理性能見表1。由表1可知，C-J65L固相含量高、液相黏度低，分子量高達百萬以上。

圖1 反相乳液C-J65L紅外光譜圖

表1 C-J65L物理性能

2.2 在常規密度水泥漿中的應用

將反相乳液 C-J65L加入特定常規密度水泥漿中，測試其對水泥漿流變性、穩定性的影響，特定水泥漿選擇黏度較低、穩定性較差的水泥漿配方，以此對比評價C-J65L的增黏效果。90 ℃條件下實驗結果見表2。實驗結果表明，基礎水泥漿本身黏度較低、有自由液和漿體沉降，隨著C-J65L的加入，水泥漿黏度明顯增加、自由液為0、漿體沉降消失，同時上下密度差明顯減小，說明C-J65L能夠有效提高水泥漿的黏度和懸浮穩定性。

表2 90 ℃ C-J65L對水泥漿流變性和穩定性的影響

2.2.2 高溫穩定性評價

評價 C-J65L在高溫條件下對水泥漿懸浮穩定性能的影響，結果見表3。停開機實驗是在150 ℃條件下進行稠化實驗，在溫度升至150 ℃后關閉攪拌電機，保持150 ℃靜置30 min后打開稠化儀電機，觀察水泥漿稠度變化，稠度上升幅度越大，說明水泥漿穩定性越差。水泥漿穩定性較差時會產生沉降，電機打開后攪動阻力增加，可觀察到稠度有明顯上升，嚴重時可使稠度超過100Bc從而終止實驗。圖2-4為C-J65L加量0%、0.5%與1%的停開機稠化曲線圖。

表3 C-J65L對水泥漿高溫穩定性的影響

圖2 C-J65L加量0%，停開機稠化曲線

圖3 C-J65L加量0.5%，停開機稠化曲線

圖4 C-J65L加量1%，停開機稠化曲線

由表3和圖2-4可知，隨著C-J65L加量的增加，150 ℃條件下水泥漿上下密度差減小，停開機稠度上升幅度明顯減小，由此可知，C-J65L在150 ℃高溫條件下能夠有效提高水泥漿的穩定性。

2.3 大水灰比低密度水泥漿中的應用

C-J65L具有顯著的增黏、提高穩定性的功效，加入適量的C-J65L并提高水泥漿的水灰比，能夠降低水泥漿密度，制備大水灰比的低密度水泥漿，其性能見表4。當水泥漿水灰比提高至 1.05時，C-J65L加量為4%，此時水泥漿密度可降低至1.5 g·cm-3，水泥漿穩定性良好。因此，C-J65L可作為一種用于提高水泥漿水灰比，降低水泥漿密度的低密度穩定劑。

表4 C-J65L在大水灰比低密度水泥漿中的性能評價

3 結 論

1）本文使用反相乳液聚合法合成了懸浮穩定劑C-J65L，固相含量高、液相黏度低、分子量高。

2）C-J65L應用于1.9 g·cm-3常規密度水泥漿中，很少的加量即可有效提高水泥漿液相黏度和穩定性。

3）C-J65L可在150 ℃高溫條件下有效提高水泥漿懸浮穩定性。

4）C-J65L可用于提高水泥漿水灰比，降低水泥漿密度，加量為 4%時可使水泥漿密度降至1.5 g·cm-3，水泥漿穩定性良好。