油井水泥多功能高温缓凝剂的制备与性能研究

摘要

随着石油工业的发展、浅层油气储量开采日益枯竭，地层深部的勘探开发工作迫在眉睫。深井、超深井的井底温度对缓凝剂抗温性能提出了更高的技术要求。目前油田使用的缓凝剂种类较多，配制一种满足现场固井要求的水泥浆，往往需要多种外加剂来调节。然而，不同的外加剂具有不同的作用，不同的外加剂在一起又会互相影响，产生相容性的问题。这不仅给水泥浆性能设计带来很多困难，而且也给固井施工带来诸多不便。为此研制出一种新型的油井水泥缓凝剂PA，尽量减少外加剂的种类，简化水泥浆体系的设计。研究结果表明，该缓凝剂PA具有较好的抗高温缓凝、降滤失、分散和抗盐等功能。
　　 根据油井水泥外加剂对聚合物性能的要求，进行了分子结构设计，选择2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)与有机羧酸(TA)为聚合单体，(NH4)2S2O8-Na2SO3为引发体系。由正交实验初步确定了影响共聚物缓凝性能的主要因素：单体配比>反应温度>引发剂浓度>pH值>反应时间。确定油井水泥缓凝剂AMPS-TA(PA)的合成条件为：单体配比(AMPS：TA)=19:2，反应温度为50℃，引发剂浓度为0.45～0.55％，pH值在6～7之间，反应时间为13～15h，通氮气时间为2h。
　　 PA在95～180℃之间有着优异的抗温缓凝性能，属于抗高温缓凝剂。相同情况下，掺有PA的水泥浆稠化时间是净浆的13～16倍。PA掺量与水泥浆稠化时间呈线性关系，稠化时间易控制。在稠化实验中无过度缓凝和闪凝现象，稠化曲线基本呈直角。
　　 同一批PA体系的老化稳定性好，掺有PA的水泥浆流变性能优异，并且PA具有很好的抗盐性。温度在90～120℃内，PA具有一定的高温降滤失性能，掺有PA的水泥石在高温养护下，抗压强度可以满足固井施工的基本技术要求。
　　 对AMPS、PA的红外光谱进行分析，判定共聚物PA是二元共聚物。通过测定水泥浆不同龄期化学结合水量及水化程度，以定量描述掺有PA的水泥浆水化过程。通过测定水泥浆反应热功率，以定性描述掺有PA的水泥浆水化过程。通过XRD谱图进一步佐证PA对水泥水化过程的影响。