脂肪族水泥分散劑的改良與制備

王婧，李麗華，張金生，梁路，王雪

(遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順 113000)

油井水泥分散劑用于油氣井的注水泥作業(yè)中改善水泥漿的流動(dòng)性，降低流動(dòng)阻力，減小施工壓力防止“井漏”。在較小的泵送速度下達(dá)到紊流，提高對井壁和套管的沖刷效果，提高固井質(zhì)量。脂肪族分散劑由于其原料來源廣、價(jià)格低廉、污染小、耐高溫［1］等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛使用。同時(shí)分散劑隨油井的建立、長距離遷移及難以生物降解，對生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。近年來，國家倡導(dǎo)環(huán)境友好型產(chǎn)品，所以研制易降解的分散劑具有重要現(xiàn)實(shí)意義。利用脂肪族分散劑分子中存在的雙鍵具有共聚合成的可能，國內(nèi)外已有許多改性脂肪族分散劑的報(bào)道［2-5］。根據(jù)結(jié)構(gòu)-生物降解相關(guān)性原理，試驗(yàn)2種酰胺類物質(zhì)分別接枝脂肪族分散劑的高分子主鏈，將其支鏈末端連接的非主導(dǎo)性基團(tuán)羰基轉(zhuǎn)變?yōu)榘被衔铮跜ONR2］［6］，通過曼尼希反應(yīng)合成的易生物降解的水泥分散劑性能優(yōu)良。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

甲醛、丙酮、亞硫酸氫鈉、亞硫酸鈉、2種改性酰胺均為分析純;水泥分散劑SAF、SAF-1、SAF-2及緩凝劑、早強(qiáng)劑等為實(shí)驗(yàn)室自制;G級油井水泥。

D2004W電動(dòng)攪拌器;766-3遠(yuǎn)紅外輻射干燥箱;WQF-520傅里葉變換紅外光譜儀;OWC常壓、增壓稠化儀;OWC2990F增壓養(yǎng)護(hù)釜;DRFSX數(shù)顯恒溫電熱套。

1.2 分散劑的制備

根據(jù)醛酮反應(yīng)機(jī)理［7-8］和曼尼希反應(yīng)，合成路線如下:

先制備一般分散劑SAF。于裝有冷凝器、機(jī)械攪拌器、溫度計(jì)和加料漏斗的四頸燒瓶中加入定量的亞硫酸鈉和水，常溫下緩慢滴加丙酮、甲醛、亞硫酸氫鈉的混合液，維持溫度不超過70℃，保溫1 h。升溫至95℃保溫2 h。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸至固含量顯著，放入烘箱中保持溫度低于70℃烘干為止。在縮聚反應(yīng)前分別加入定量的甲酰胺或者尿素，即合成新型分散劑。新合成分散劑烘干后用乙醇超聲振蕩洗滌。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變性能測試

在85℃常壓下，采用SY/T 5546—92所規(guī)定的油井水泥應(yīng)用性能試驗(yàn)方法，研究不同摻量下的水泥漿流變性能，結(jié)果見表1。

表1 分散劑對水泥漿流變性的影響Table 1 The effect of different dispersant on rheology of slurry

由表1可知，隨3種分散劑摻量的增加，粘度越來越小，減小幅度有所不同。在所測范圍內(nèi)，2種改性后的分散劑性能均略好于原分散劑。脂肪族高分子的主鏈沒變，改性后增加了一個(gè)酰胺基，是親水基，吸附水泥粒子，既產(chǎn)生有靜電排斥力的基團(tuán)，又產(chǎn)生立體排斥力的基團(tuán)。不同程度的阻礙或者破壞了水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放游離水，同時(shí)與水分子形成氫鍵締合，阻止了水泥粒子之間的聚結(jié)。宏觀上則表現(xiàn)為水泥漿流動(dòng)程度增加，需水量減小。單就流變性能而言，3種分散劑的最優(yōu)摻量大約是0.6%。

2.2 稠化時(shí)間

在溫度為85℃，初始壓力為10.3 MPa，最終壓力為70.3 MPa，升溫時(shí)間為44 min的實(shí)驗(yàn)條件下，按照GB/T 19139規(guī)定的方法，測試3種不同分散劑的水泥稠化時(shí)間，結(jié)果見圖1。

圖1 摻有3種水泥分散劑的稠化曲線(B.酰胺Ⅰ改性，C.酰胺Ⅱ改性)Fig.1 The thickening curve of three dispersants cement slurry

由圖1可知，加入0.6%的2種改性后的分散劑與加入原分散劑的稠度沒有顯著區(qū)別，都大大降低了水泥的稠度。在稠化時(shí)間上，2種改性后的產(chǎn)品都有不同程度的緩凝，稠化時(shí)間延長。是由于胺基化合物［9-10］本身作為一種緩凝劑起到延長了水泥水化期和結(jié)構(gòu)形成的作用。

2.3 抗壓強(qiáng)度

在養(yǎng)護(hù)溫度為110℃的條件下，按照 GB/T 19139規(guī)定的方法，分別進(jìn)行純水泥凈漿水泥石和加有分散劑的水泥石抗壓強(qiáng)度測試，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h，再計(jì)算兩者的與水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度之比，結(jié)果見表2。

由表2可知，摻加3種水泥分散劑后的水泥石抗壓強(qiáng)度沒有顯著差別。隨著分散劑摻量的增加，降低了水泥的膠凝強(qiáng)度，增大了水泥比表面積，從而水泥石的毛細(xì)通道增多，大力分散了水泥漿，最終導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度的降低。水泥石的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

在110℃下，加入了新合成的水泥分散劑后，水泥石的抗壓強(qiáng)度與空白試驗(yàn)對比均大于1.0，高于標(biāo)準(zhǔn)的抗壓強(qiáng)度要求。

表2 分散劑對水泥石抗壓強(qiáng)度的影響Table 2 The effect of dispersants on compression strength of cement

2.4 2種新分散劑的光譜表征

將2種改進(jìn)后的產(chǎn)物烘干、磨細(xì)，再經(jīng)乙醇沉淀過濾，用KBr壓片紅外光譜儀進(jìn)行表征，見圖2。

圖2 2種新分散劑的紅外譜圖Fig.2 IR of two new dispersants

3 結(jié)論

(1)由2種酰胺類物質(zhì)合成了易降解水泥分散劑。脂肪族分散劑與酰胺類均含有雙鍵，反應(yīng)合成容易、迅速，不改變高分子脂肪鏈，對于環(huán)境保護(hù)有重要促進(jìn)意義。

(2)按曼尼希反應(yīng)的要求，在分散劑合成后期加入其它物質(zhì)共聚合成目標(biāo)基團(tuán)。對其分散性能、稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行研究。結(jié)果表明，摻量在0.6%時(shí)，合成2種新型易降解的水泥分散劑與原先分散劑在流變性上沒有顯著差別，稠化時(shí)間上有所延長，抗壓強(qiáng)度達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)要求。

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