聚合物加量對(duì)水泥漿失水量的影響研究

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水泥漿制備及性能測(cè)定的方法按照GB/T19139—2003進(jìn)行；失水量的測(cè)定方法按照SY/T5504.2—2005進(jìn)行；稠化時(shí)間的測(cè)定方法按照SY/T5504.1—2005進(jìn)行。

最佳合成條件

首先通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定了單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（12%）和單體摩爾配比（AM∶AMPS∶NVP為8.5∶1.0∶0.5），在此基礎(chǔ)上以聚合物在水泥漿中的降失水能力為指標(biāo)，采用4因素3水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、引發(fā)劑加量和體系的pH值對(duì)聚合物降失水能力的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了極差分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，在以上4因素中，引發(fā)劑的加量是影響聚合物降失水能力的主要因素，反應(yīng)溫度和pH值次之，反應(yīng)時(shí)間的影響最小。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳合成條件為：反應(yīng)溫度為70℃、反應(yīng)時(shí)間為5h，引發(fā)劑加量為0.7%，體系的pH值為12。

表征

1）紅外光譜。采用KBr壓片法，用Nicolet6700紅外光譜儀對(duì)聚合物進(jìn)行定性結(jié)構(gòu)分析，掃描范圍為4000～400cm-1，聚合物的紅外光譜如圖1所示。從圖1可以看出，3419cm-1是AM中酰胺基的N—H伸縮振動(dòng)，1666cm-1是酰胺基的C＝O伸縮振動(dòng)，1452cm-1是酰胺基的NH2彎曲振動(dòng)，1368cm-1是CH3的變角振動(dòng)，1186cm-1是S＝O的伸縮振動(dòng)，1041cm-1是S—O的吸收峰，627cm-1是C—S伸縮振動(dòng)峰，—CH＝CH2的特征吸收峰989cm-1和961cm-1已經(jīng)消失。紅外光譜的數(shù)據(jù)表明，單體AM、AMPS和NVP發(fā)生了共聚反應(yīng)，所得聚合物為目標(biāo)產(chǎn)物。

2）熱重分析。采用TGA/Q500型熱重分析儀器測(cè)定聚合物的熱分解溫度，測(cè)試溫度范圍為室溫～500℃，圖2是降失水劑聚合物的熱失重曲線(xiàn)。從圖2可以看出，在室溫～500℃范圍內(nèi)，聚合物失重曲線(xiàn)出現(xiàn)5個(gè)失重區(qū)：第一失重區(qū)是在室溫～110℃，引起失重的原因主要是樣品中自由水的揮發(fā)，失重率為4.2%；第二失重區(qū)在192℃附近，在這一區(qū)域，聚合物中的小部分酰胺基斷裂，變成小分子揮發(fā)造成失重，失重率為2.4%；第三失重區(qū)是在267℃附近，聚合物的部分酰胺基和磺酸基斷裂，失重率為10.8%；第四失重區(qū)在334℃附近，聚合物的大部分酰胺基、磺酸基和內(nèi)酰胺基斷裂，失重率為14.1%；第五失重區(qū)在373～500℃，聚合物的主鏈斷裂、碳化至大部分發(fā)生分解。聚合物的分解溫度為370℃左右，比一般的降失水劑聚合物要高[12-13]，主要是因?yàn)樵诟叻肿渔溕弦肓嘶撬峄蛢?nèi)酰胺基，提高了分子鏈的剛性，分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻增大，使得分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)困難，從而提高了聚合物的耐溫性能。

3）凝膠滲透色譜。作為降失水劑使用的聚合物，若分子量過(guò)大，會(huì)使大分子中的吸附基團(tuán)吸附過(guò)多的水泥顆粒，并且周?chē)乃瘜舆^(guò)厚，水泥漿容易產(chǎn)生絮凝，使得其懸浮穩(wěn)定性變差，失水量難以控制，即使沒(méi)有絮凝，稠度也很大，不利于泵送；若分子過(guò)小，分子鏈過(guò)短，則分子鏈上的吸附基和水化基的數(shù)量不足，聚合物分子鏈就不容易吸附在水泥顆粒上，難以改變水泥顆粒的級(jí)配，形成的濾餅厚而疏松，從而導(dǎo)致失水量大；較寬的分子量分布有助于聚合物分子在水泥顆粒表面的多點(diǎn)吸附，對(duì)水泥顆粒具有一定的分散作用。采用Waters公司凝膠色譜儀對(duì)聚合物進(jìn)行相對(duì)分子質(zhì)量及分布的表征。圖3為聚合物的凝膠滲透色譜圖。由測(cè)試結(jié)果可知，所合成聚合物的重均分子量（Mw）為26.2×104，數(shù)均分子量（Mn）為13.5×104，分子量分布（Mw/Mn）為1.94，比較適合作為油井水泥降失水劑使用[14]。

性能評(píng)價(jià)

1聚合物加量對(duì)水泥漿失水量的影響。選用G級(jí)油井水泥，所加降失水劑為聚合物占水泥干重的百分比，水灰比為0.44，實(shí)驗(yàn)條件為75℃、6.9MPa，30min，聚合物加量對(duì)水泥漿失水量的影響如圖4所示。從圖4可知，水泥漿的失水量隨聚合物加量的增加呈現(xiàn)先急劇降低后下降較為緩慢的趨勢(shì)。純聚合物加量分別為0.5%、0.7%、0.9%和1.2%時(shí)，水泥漿的API失水量分別為37、26、19和15mL，說(shuō)明該聚合物在測(cè)試條件下具有良好的降失水能力。

2聚合物在不同溫度下的降失水能力。如表2所示，加有聚合物降失水劑的水泥漿失水量，隨溫度和壓力的升高呈緩慢增加趨勢(shì)，當(dāng)溫度為170℃時(shí)，加有0.5%降失水劑的水泥漿失水量為73mL，而當(dāng)其加量提高到0.7%時(shí)，水泥漿的失水量?jī)H為30mL，充分說(shuō)明該聚合物具有良好的高溫降失水能力。

3加入聚合物后的水泥漿綜合性能。水泥漿具有良好的綜合性能是固井質(zhì)量得以保證的前提，因此對(duì)以聚合物降失水劑為主劑的水泥漿體系的綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)配方如下。G級(jí)油井水泥+30%硅粉+2%微硅+0.5%分散劑+0.5%降失水劑+1.4%緩凝劑+0.1%消泡劑，水灰比為0.56該水泥漿的密度為1.90g/cm3，游離液為0，初始稠度為14Bc，160℃時(shí)的稠化時(shí)間為280min，40～100Bc的過(guò)渡時(shí)間為3min，110℃、24h的抗壓強(qiáng)度為26.1MPa，160℃、125MPa下的失水量為60mL。說(shuō)明以該降失水劑為主劑的水泥漿穩(wěn)定性好，初始稠度較低，過(guò)渡時(shí)間短，水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，能夠滿(mǎn)足高溫高壓條件下的固井施工要求。

結(jié)論

采用AM、AMPS、NVP為單體合成了三元共聚物油井水泥降失水劑，確定了其室內(nèi)合成工藝，并利用紅外光譜定性地證明了所合成的聚合物即為目標(biāo)產(chǎn)物；對(duì)聚合物進(jìn)行熱重分析表明，該聚合物的熱分解溫度在370℃左右，具有良好的熱穩(wěn)定性；凝膠滲透色譜分析結(jié)果表明，該聚合物的重均分子量為26.2×104，數(shù)均分子量為13.5×104，分子量分布為1.94，比較適合作為油井水泥降失水劑使用；性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，0.7%（BWOC）時(shí)，可將水泥漿在170℃失水量控制在50mL以?xún)?nèi)，并且以該降失水劑為主劑的水泥漿穩(wěn)定性好，初始稠度低，過(guò)渡時(shí)間短，水泥石強(qiáng)度發(fā)展快。（本文作者：李曉嵐、國(guó)安平、孫舉 單位：南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院）