AMPS在油井水泥外加劑中的應(yīng)用

盧甲晗，王彥青，任保增

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001;2.衛(wèi)輝市化工有限公司，河南衛(wèi)輝 453100)

AMPS(2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸)屬于丙烯酰胺的磺酸衍生物，由丙烯腈和異丁烯在發(fā)煙硫酸的作用下反應(yīng)而成。AMPS是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ木酆蠁误w，廣泛應(yīng)用于油田化學(xué)劑、紡織、水處理、塑料、涂料等化工行業(yè)。

從其結(jié)構(gòu)式來看，由于AMPS含有的水溶性、強(qiáng)陰離子性磺酸基使其具有良好的導(dǎo)電性、染色親和性、抗鹽性及熱穩(wěn)定性;含有酰胺基團(tuán)使其有很好的水解穩(wěn)定性、抗酸、堿及熱穩(wěn)定性;活潑的碳碳雙鍵有利于其與各種烯類單體共聚。AMPS既可以直接以磺酸的形式參與聚合，又可以轉(zhuǎn)化為磺酸鹽后參與聚合。

在國內(nèi)AMPS(2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸)共聚物用于油井水泥外加劑領(lǐng)域始于2000年前后，近年來在該領(lǐng)域研究者眾多，發(fā)展迅速。AMPS共聚物憑借其優(yōu)越的性能滿足了我國油氣資源勘探開發(fā)難度日益增加的需要，受到越來越多的生產(chǎn)廠商和油田的重視。目前AMPS共聚物在油井水泥外加劑中主要應(yīng)用于降失水劑、緩凝劑、分散劑、早強(qiáng)劑等幾類。

1 AMPS在油井水泥降失水劑中的應(yīng)用

AMPS共聚物在油井水泥外加劑的應(yīng)用主要是降失水劑的生產(chǎn)。近年來，隨著AMPS多元共聚物類降失水劑研究的深入，新的研究成果層出不窮。此類降失水劑在油井水泥降失水劑中所占比例逐漸增大，成為深井、超深井及高礦化度井固井施工中保證低失水、保護(hù)油氣層的重要外加劑。

作為油井水泥漿中的降失水劑，AMPS一般與丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸(MAA)、N－乙烯基砒硌烷酮、N，N二甲基丙烯酰胺(DMAM)等單體形成二元、三元或多元共聚物。如AMPS/AA/AM按7∶1∶2的比例溶于一定比例的去離子中，用50%NaOH水溶液中和至pH值為5～6，在55～60℃下用過硫酸銨進(jìn)行引發(fā)聚合，即可得到一種性能良好的降失水劑，加量3% ～4%(BWOC)的情況下水泥漿失水可降至50 mL以下。共聚時(shí)加入不同比例的N－乙烯基砒硌烷酮、N，N二甲基丙烯酰胺可提高降失水劑的抗溫性能及抗鈣鎂離子的性能。

目前國內(nèi)油井水泥降失水劑產(chǎn)品以聚乙烯醇(PVA)類產(chǎn)品為主，該類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、控制失水效果好，但同時(shí)也有明顯的缺點(diǎn)，如不抗鹽、不抗高溫及對(duì)不同水泥的適應(yīng)性差。而AMPS共聚物的分子鏈上含有磺酸基、酰胺基，使得該類產(chǎn)品有很好的抗鹽、抗鈣和抗高溫性能，可廣泛應(yīng)用于淡水、海水、鹽水配制的高、中、低溫水泥漿體系，且對(duì)不同品牌油井水泥的適應(yīng)性強(qiáng)，是一種廣譜降失水劑。

PVA類降失水劑是靠壓力在井壁上形成的一層聚合物膜降低失水的，而由于井壁情況比較復(fù)雜，能不能真正形成這層膜是無法考證的。AMPS共聚物類降失水劑是靠提高水泥漿的液相黏度，從而在井壁上形成一層致密的泥餅來降低失水的，降失水效果比較可靠。實(shí)際的固井質(zhì)量測(cè)井聲幅圖也驗(yàn)證了這種推論。

目前市場(chǎng)使用的AMPS共聚物類降失水劑品種繁多，但性能穩(wěn)定、形成規(guī)模的主要有衛(wèi)輝市化工有限公司生產(chǎn)的G310(液體)降失水劑、G33S(固體)降失水劑，天津渤星公司的BXF－200L(液體)降失水劑等少數(shù)幾家廠商。

2 AMPS在油井水泥緩劑中的應(yīng)用

隨著油氣資源勘探開發(fā)深度不斷加大，固井施工對(duì)緩凝劑的要求也越來越高，不僅要求緩凝劑要有良好的抗高溫性，還要求水泥漿在施工返高后在較低的溫度下能有較高的頂部強(qiáng)度。目前，我國油井水泥緩凝劑以天然糖類及其衍生物、有機(jī)酸、鹽為主，但這些緩凝劑普遍存在缺陷，如不抗高溫、對(duì)加量敏感或水泥漿早期強(qiáng)度低等。聚合物類緩凝劑是近年來國內(nèi)外研究最多的一類緩凝劑。由于通過聚合技術(shù)可將多種不同的功能性單體結(jié)合在一起，而且可以控制分子鏈的長(zhǎng)短、分子量的大小及分布，因此這類緩凝劑可以用分子設(shè)計(jì)思想來指導(dǎo)其合成，得到綜合性能較為理想的緩凝劑。

聚合物類緩凝劑大部分以AMPS與衣康酸(IA)、丙烯酸(AA)、馬來酸酐(MA)等進(jìn)行二元或多元共聚。AMPS/AA二元共聚物:如AMPS/AA共聚物。共聚物中n(AMPS)∶n(AA)=4∶6，以過硫酸銨和亞硫酸鈉引發(fā)聚合，相對(duì)分子質(zhì)量控制在4000左右。該緩凝劑使用溫度可達(dá)130℃，摻量為0.5% ～1.5%BWOC，該緩凝劑稠化實(shí)驗(yàn)規(guī)律較好，稠化時(shí)間容易調(diào)節(jié)，還適用于鹽水水泥漿或其它高礦化度水泥漿。將AMPS/AA共聚物與木質(zhì)素磺酸鹽、硼砂、有機(jī)酸等其它緩凝材料復(fù)配使用，可擴(kuò)大該緩凝劑的溫度適用范圍，如與葡萄糖酸鈉復(fù)配使用后其使用溫度可達(dá)260℃。②AMPS/IA二元共聚物。共聚物中n(AMPS)∶n(IA)=73∶27，以過硫酸銨和亞硫酸鈉引發(fā)聚合，相對(duì)分子質(zhì)量控制在4000左右。該緩凝劑緩凝效果明顯強(qiáng)于AMPS/AA緩凝劑，無需加入硼砂、有機(jī)酸等緩凝增強(qiáng)劑，單獨(dú)使用溫度可達(dá)260℃且稠化曲線過渡時(shí)間非常短、早期強(qiáng)度也高，有利于提高固井質(zhì)量。目前國內(nèi)各油田用量比較大的該類緩凝劑主要有衛(wèi)輝市化工有限公司的高溫緩凝劑GH－9。

3 AMPS在油井水泥分散劑中的應(yīng)用

目前國內(nèi)油井水泥分散劑以甲醛、丙酮縮聚磺化物為主，成本較低，分散效果明顯，這類產(chǎn)品使用較為廣泛的是衛(wèi)輝市化工有限公司生產(chǎn)的分散劑USZ和成都栲膠廠生產(chǎn)的分散劑 SXY。近年來AMPS共聚物類降失水劑和膠乳防竄水泥漿體系大量應(yīng)用，這類分散劑在該類體系中不能完全滿足工程要求的分散效果，使得開發(fā)出一種適應(yīng)這兩種水泥漿體系分散劑的研究越來越迫切。其中就有以AMPS與丙烯酸(AA)或其它烯類單體以一定的比例在水溶液里中和至pH值為6，在氧化還原引發(fā)體系下進(jìn)行爆聚，得到相對(duì)分子質(zhì)量為300～500的共聚物來用做油井水泥分散劑。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，這種分散劑可適用于目前國內(nèi)大部分水泥漿體系，具有很好的抗鹽抗高溫性能，分散效果要優(yōu)于醛酮縮合物類分散劑，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 醛酮縮聚物與AMPS共聚物兩種分散劑效果對(duì)比

另外，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，AMPS與某些單進(jìn)行接枝共聚還能得到性能良好的油井水泥早強(qiáng)劑。

AMPS共聚物類的分散劑和早強(qiáng)劑都還處于室內(nèi)研究階段，目前市場(chǎng)上還未見到成熟應(yīng)用的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

綜上所述，AMPS共聚物的研究開發(fā)使油井水泥外加劑的應(yīng)用上了一個(gè)新的臺(tái)階，為石油天然氣的勘探開發(fā)提供了技術(shù)保障。

AMPS多元共聚物類降失水劑必將以優(yōu)越的性能替代PVA類降失水劑，成為最主要的油井水泥降失水劑。

AMPS與衣康酸共聚物類油井水泥高溫緩凝劑，表現(xiàn)出了良好的抗高溫性能，為深井、超深井的順利施工提供了保障。

由于AMPS在國內(nèi)油田化學(xué)劑中的應(yīng)用只有十年左右，其更深的研究及應(yīng)用還需時(shí)日，這也引起了越來越多的研究者的興趣。