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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。