2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸／衣康酸／丙烯酰胺緩凝劑的黏溫特性

李 明，靳建洲，于永金，劉碩瓊，郭小陽

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100089）

在深井固井時，需在水泥漿中加入高溫緩凝劑以調(diào)節(jié)稠化時間，此類緩凝劑多為有機膦酸（鹽）及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）共聚物，典型的AMPS共聚物類緩凝劑包括AMPS／IA、AMPS／MA、AMPS／IA／AA、AMPS／IA／SS、AMPS／IA／AM 等［1-7］，其 中 AMPS／IA／AM較為常用，相對分子質量約6×105［8］。國內(nèi)外對緩凝劑和降失水劑的工程性能與結構表征已進行了大量研究，但對其在井下高溫高壓環(huán)境下的流變性研究較少［9-10］。由于水泥漿是一種高濃水基懸浮顆粒體系，緩凝劑的黏溫特征與流變特性會直接影響水泥漿性能?，F(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn)在一定溫度內(nèi)AMPS共聚物類緩凝劑存在易引起稠化曲線“鼓包”的缺陷，影響其使用效果。因此，有必要研究緩凝劑的黏溫特征與流變特性。為此，筆者使用7400型高溫高壓流變儀，以AMPS／IA／AM緩凝劑為研究對象，研究了溫度、壓力對其表觀黏度的影響；同時研究了緩凝劑的黏溫特征對水泥漿的稠度、沉降穩(wěn)定性和稠化時間的影響。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

NDJ-79型旋轉黏度計，常壓稠化儀，TG-71型高溫高壓失水儀，8040D10型高溫高壓稠化儀，7375型高溫高壓養(yǎng)護釜。

1.2 水泥漿性能測試

實驗采用GB／T 19139-2003方法進行水泥漿性能測試。測試降失水性能的水泥漿配方為G級水泥600g＋0.5%分散劑＋3%降失水劑＋245 g水＋消泡劑，測試稠化時間的配方為G級水泥600g＋0.5%分散劑＋3%降失水劑＋4%緩凝劑＋245g水＋消泡劑。

1.3 聚合物溶液的高溫高壓流變性測試

采用7400型高溫高壓流變儀，按 GB／T 19139—2003進行流變性測試。

2 結果與討論

2.1 AMPS／IA／AM 共聚物耐熱性能測試

對AMPS／IA／AM緩凝劑進行熱失重分析（TG）以表征其耐熱性能。測試條件為：N2保護，升溫速率為20K／min，測試溫度為15～450℃。測試結果見圖1。由圖1可見：AMPS／IA／AM緩凝劑有良好的耐熱性，在進行高溫高壓流變性測試時，AMPS／IA／AM緩凝劑不會發(fā)生分解。

圖1 AMPS／IA／AM緩凝劑TG譜

2.2 溫度對AMPS／IA／AM共聚物溶液黏度的影響

緩凝劑在水泥漿中的加量一般為1%～6%，參考緩凝劑在水泥漿中的加量，配制不同質量濃度的AMPS／IA／AM緩凝劑水溶液。實驗中考察了溫度對AMPS／IA／AM緩凝劑水溶液黏度的影響，結果見圖2。

圖2 溫度對AMPS／IA／AM緩凝劑水溶液黏度的影響

由圖2可見：當溫度低于120℃時，隨溫度的升高，AMPS／IA／AM 水溶液的黏度逐漸下降。溫度在120～130℃時，AMPS／AM／AA水溶液黏度急劇上升，在130℃時黏度最高；溫度超過130℃之后，共聚物水溶液黏度顯著下降。產(chǎn)生上述實驗現(xiàn)象的原因可能是：1）溫度低于120℃時，隨溫度增加，共聚物在溶液中運動速度加快，分子間的作用力減弱，所以黏度隨著溫度的增加而下降；2）AMPS／IA／AM 共聚物在120～130℃存在溫敏現(xiàn)象，其原因可能是類似于N-丙基丙烯酰胺類聚合物，存在一個低臨界溶解溫度，約為120℃，當溫度低于120℃時，共聚物溶于水呈透明態(tài)，而溫度升高到120℃時，共聚物發(fā)生迅速相變，溶液呈渾濁狀，出現(xiàn)相分離，溶液黏度表現(xiàn)出隨溫度的升高而增加。

2.3 壓力對AMPS／IA／AM共聚物溶液黏度的影響

在剪切速率為255s-1（轉速150r／min）時，考察壓力對AMPS／IA／AM水溶液黏度的影響，結果見圖3。由圖3可見：一定溫度下，壓力對AMPS／IA／AM溶液流變性影響不如溫度明顯，一定溫度下，壓力增加，共聚物溶液的表觀黏度稍有增加。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：壓力增加，大分子之間距離減小，造成鏈段活動范圍減小和分子間的作用力增加，使得鏈間的錯動困難，表現(xiàn)為黏度增加。

圖3 壓力對AMPS／IA／AM共聚物水溶液黏度的影響

2.4 AMPS／IA／AM 共聚物流變性對水泥漿性能的影響

在190℃、70MPa、150min條件下測試了添加AMPS／IA／AM緩凝劑的水泥漿的稠化時間，結果見圖4。在相同條件下進行了稠化實驗，在出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象后，在水泥漿未稠化之前結束，拆開漿杯發(fā)現(xiàn)水泥漿出現(xiàn)了嚴重的“包心”現(xiàn)象。

圖4 AMPS／IA／AM對水泥漿稠化曲線的影響

由圖4可見：水泥漿稠化曲線在120～130℃間出現(xiàn)“鼓包”（稠化線型突變）現(xiàn)象，出現(xiàn)“鼓包”之后，拆開漿杯后發(fā)現(xiàn)水泥漿出現(xiàn)了溫度曲線波動與“包心”現(xiàn)象。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能在于，AMPS／IA／AM在120～130℃時的溫敏現(xiàn)象導致懸浮液黏度急劇增加，使得水泥漿稠度迅速上升，溫度超過130℃后，隨著 AMPS／IA／AM黏度的顯著下降，水泥漿稠度也隨著下降，表現(xiàn)為稠化曲線出現(xiàn)“鼓包”；同時，由于AMPS／IA／AM溶液黏度的增加，加劇了溶液本已存在的 Weissenberg效應（又稱爬桿效應），導致水泥漿產(chǎn)生“包心”現(xiàn)象，有可能影響注水泥安全。

3 結 論

一定壓力下，AMPS／IA／AM共聚物溶液在120～130℃時存在溫敏現(xiàn)象，表觀黏度急劇增大；一定溫度下，壓力對AMPS／IA／AM共聚物緩凝劑的流變性影響不如溫度明顯，隨壓力增加，共聚物溶液的表觀黏度稍有增加。AAMPS／IA／AM共聚物溶液在120～130℃時的溫敏現(xiàn)象會導致水泥漿稠度迅速上升，稠化曲線出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象；由于共聚物溶液黏度的增加，會加劇共聚物溶液的Weissenberg效應，這是水泥漿“包心”現(xiàn)象的實質。在油井水泥外加劑研發(fā)中，應對其在深井固井工況下的溶液特性和流變行為開展全面深入研究。

［1］Brothers L E，Lindsey D W，Terry D T.Set retarded ce-ment compositions and methods for well cementing：US，4941536A［P］.1990-07-17.

［2］Brothers L E.Low temperature set retarded well cement compositions and methods：US，5472051A［P］.1995-12-05.

［3］Bour D L，Brothers L E，Vinson E F.High temperature set retarded well cement compositions and methods：US，4997487A［P］.1991-03-05.

［4］Eoff L S，Buster D.High temperature synthetic cement retarder［Z］.SPE 28957，1995.

［5］Rodrigues K A.Set retarded cement compositions，additives andmethods：US，5536311［P］.1996-07-16.

［6］趙林.油井水泥緩凝劑的合成與性能研究［J］.武漢工業(yè)大學學報，1998，20（4）：25-27.

［7］蘇如軍，李清忠.高溫緩凝劑GH29的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2005，22（5）：89-92.

［8］Rodrigues K A.Set retarded cement compositions，additives and methods：US，5536311A［P］.1996-07-16.

［9］Plank J，Dugonjic-Bilic F，Lummer N R.Modification of the molar anionic charge density of acetone-formaldehydesulfite dispersant to improve adsorption behavior and effectiveness in presence of CaAMPS-co-NNDMA cement fluid loss polymer［J］.Journal of Applied Polymer Science，2009，111：2018-2024.

［10］Plank J，Lummer R，Dugonjic-Bilic F.Physico-chemical interactions perturbing the effectiveness of an ATBS-based fluid loss polymer used in oil well cementing［C］.SPE 121541，2009.