一種反相乳液型油井水泥懸浮穩(wěn)定劑

田 野

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)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(xù)相，在乳化劑的作用下形成油包水型乳液而進(jìn)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(tǒng)水溶液聚合相比，反相乳液聚合法具有反應(yīng)速度快、產(chǎn)物分子量高、固相含量高的特點。目前工業(yè)上反相乳液聚合法主要用于聚丙烯酰胺的生產(chǎn)，國內(nèi)于20世紀(jì)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(chǎn)品，主要是應(yīng)用在鉆井液增黏、油田調(diào)驅(qū)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(yīng)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(xù)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(fā)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(wěn)定劑 C-J65L，該產(chǎn)品為AMPS/N,N-DMA二元共聚物，與水溶液聚合的同類產(chǎn)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(yè)現(xiàn)場施工，超過百萬的分子量，使其應(yīng)用于水泥漿中可有效提高水泥漿的黏度和穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

AMPS、N,N-DMA、工業(yè)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(xué)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(xué)有限公司。

符合API標(biāo)準(zhǔn)的配漿設(shè)備及實驗?zāi)＞摺handle 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(jù)API R10B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 反相乳液懸浮穩(wěn)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(diào)節(jié)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(xù)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(xù)攪拌，通入氮氣10 min后，加入氧化還原引發(fā)劑過硫酸銨、焦亞硫酸鈉，燒瓶中乳液反應(yīng)升溫至50 ℃以上，保溫3 h后反應(yīng)結(jié)束，加入吐溫80并攪拌10 min，取出乳液備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

將制備的反相乳液C-J65L進(jìn)行破乳、無水乙醇洗滌、烘干后得到的產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)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(tuán)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(xiàn)的位置，說明單體AMPS和N，N-DMA均參與了聚合反應(yīng)。并且在1 600~1 640 cm-1范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)C=C雙鍵的特征吸收峰，表明所有單體均參與了共聚反應(yīng)。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(dá)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(guī)密度水泥漿中的應(yīng)用

將反相乳液 C-J65L加入特定常規(guī)密度水泥漿中，測試其對水泥漿流變性、穩(wěn)定性的影響，特定水泥漿選擇黏度較低、穩(wěn)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(jié)果見表2。實驗結(jié)果表明，基礎(chǔ)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(wěn)定性。

表2 90 ℃ C-J65L對水泥漿流變性和穩(wěn)定性的影響

2.2.2 高溫穩(wěn)定性評價

評價 C-J65L在高溫條件下對水泥漿懸浮穩(wěn)定性能的影響，結(jié)果見表3。停開機實驗是在150 ℃條件下進(jìn)行稠化實驗，在溫度升至150 ℃后關(guān)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(wěn)定性越差。水泥漿穩(wěn)定性較差時會產(chǎn)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(yán)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(wěn)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(wěn)定性。

2.3 大水灰比低密度水泥漿中的應(yīng)用

C-J65L具有顯著的增黏、提高穩(wěn)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(dāng)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(wěn)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(wěn)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(jié) 論

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

2）C-J65L應(yīng)用于1.9 g·cm-3常規(guī)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(wěn)定性。

3）C-J65L可在150 ℃高溫條件下有效提高水泥漿懸浮穩(wěn)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(wěn)定性良好。