一种固井用高温稳定剂J200L 的合成与评价

李 屹，邹亦玮，王义昕，宋维凯

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北 廊坊 065201）

引言

固井是油气开采中的重要环节，固井质量的好坏，会对油气产量以及井筒寿命有着重要的影响。高温固井要面临诸多技术挑战，其中水泥浆高温条件下不稳定，出现固相沉降是常见的一个难题，影响固井质量及安全。造成水泥浆产生沉降的原因可以归结为以下四个：在高温条件下，水泥粒子布朗运动加剧，水泥浆内部的粘滞力被破坏，水泥浆粒子会产生明显沉降；在高温下一些聚合物添加剂高分子链段会变柔顺，黏度降低，又会加快水泥浆粒子沉降；缓凝剂加入，会使水泥浆稳定性变差，这是由于缓凝剂的吸附络合作用破坏了水泥粒子表面的C-S-H 凝胶的黏结力，使悬浮能力变差；加入大量的大分子量的降失水剂会提高水泥浆稳定性，主要因为提高了液相黏度和吸附能力。但有的降失水剂在高温下会断裂，造成水泥浆沉降[1]。

根据以上分析，在本文中研究者以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）和腐殖酸钠为原料合成了一种高分子聚合物，该聚合物既具有接枝聚合物的体型结构，可以在水泥浆中形成空间网状结构，使其具有抗温悬浮稳定的作用，而且又具有吸附能力，能够吸附水泥颗粒防止沉降，在高温下起到稳定水泥浆的作用，针对该聚合物进行了一系列评价。

1 实验部分

1.1 实验试剂

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）、腐殖酸钠、片碱、引发剂、分子量调节剂、阻聚剂、蒸馏水等，以上均为工业品。

1.2 实验仪器

高温高压稠化仪、恒速搅拌器、高温高压失水仪、增压养护釜、旋转黏度计、压力试验机等。

1.3 合成实验

将腐殖酸钠粉末缓慢加入到含有去离子水的四口瓶中，搅拌20 min，加入氢氧化钠并使其充分溶解，依次加入处理好的AMPS 单体，最后加入DMAM及链转移剂，调节pH 值，充氮气1 h 并升温至60 ℃，缓慢滴加引发剂，待反应保温5 h 后加入阻聚剂，反应终止。冷却后得到黑色黏稠液体（固含量为20%），可得到悬浮稳定剂产品J200L。

1.4 水泥浆性能评价

实验水泥浆配方：G 级水泥+35%硅粉+8%降失水剂+X%高温稳定剂J200L+2.5%缓凝剂+0.25%消泡剂+自来水，降失水剂、缓凝剂和消泡剂均来自天津中海油服化学有限公司；加量为BWOC（占水泥的质量比）。评价实验均用此配方配制，根据温度的高低来调节稳定剂J200L 加量及水的加量，水泥浆实验方法参照GB/T 19139 规定的方法进行[2]。

2 结果与讨论

2.1 残留单体分析

将制得的稳定剂产品J200L 在烘箱中烘干后称取0.6 g 置入烧杯中，加入醇类混合提取剂，之后加入少量阻聚剂，磁力搅拌1h。待充分静置后，吸取上清液过0.45 μm 滤膜后用高效液相色谱法（HPLC）分析。测试结果见下页表1，结果表明产品中残留的AMPS 单体只有0.68%（反应单体量的百分比），DMAM单体残留量小于0.01%，表明单体几乎完全反应。

表1 产品中残留单体分析

图1 为制得的稳定剂J200L 的热重分析曲线，在270 ℃之前的质量损失主要为聚合物分子中水分的损失导致的，当温度升至270 ℃之后，失重为共聚物分解导致，在322 ℃以后至580 ℃失重约10%，主要是接枝聚合物中侧链的分解导致的，在580℃至840 ℃失重约为5%，其主链结构也没完全分解，说明制得的稳定剂J200L 有较好的热稳定性，作为高温悬浮稳定剂产品而言，可满足耐温270 ℃以上的要求。

图1 热重分析曲线

2.2 热重分析

2.3 水泥浆实验

有的高温稳定剂为了起到在高温下稳定水泥颗粒的作用，常常设计的分子量较大，影响水泥浆常温下的流变以及失水和稠化时间，因此做了一组添加不同加量稳定剂的实验，来评价稳定剂对水泥浆流变性和失水的影响，结果见表2。

表2 添加有高温稳定剂J200L 的水泥浆流变性、失水及稠化试验

通过上表看出，水泥浆中随着稳定剂J200L 加量的增大，从空白到4%，水泥浆在室温27℃下的流变（测试水泥在3 转、6 转、30 转、60 转、100 转、200转和300 转下的读数）随着稳定剂加量而稍微增稠，但是并不明显；水泥浆失水比空白配方减少；稠化时间随着加入稳定剂而稍微延长，最长延长了10%，处于可接受范围内。

综上可以看出，该产品对水泥浆流变性、失水及稠化时间有一定影响，但处于可接受范围。

2.4 稳定性实验

评价水泥浆稳定性常用的方法有《GB/T 19139油井水泥试验方法》中沉降管法以及固井作业常用的稠化试验停开机法，通过沉降管中水泥石上下密度差值，结合水泥浆稠化试验时停开机的稠度变化来反映水泥浆的稳定性。这两种方法也是行业中比较认可的水泥浆稳定性评价方法[3]。

稠化试验停开机法的操作步骤为：按《GB/T 19139 油井水泥试验方法》稠化时间试验方法，将水泥浆升至目标温度后（160℃），在该温度下保持搅拌60 min，然后停止搅拌30 min，并保持温度不变，30 min 后打开搅拌，观察稠度变化情况，记录稠度前后变化的差值。两种方法评价结果见表3。

表3 添加有高温稳定剂J200L 的水泥浆在160℃时的稳定性试验

通过试验结果看出，随着稳定剂J200L 的加入，水泥浆在160℃稳定性逐渐提升，水泥石上下密度差由空白的0.15 g/cm3逐渐提升至0.04 g/cm3（加量4%），通过稠化试验停开机法测得的稠度变化由空白的42 Bc 减小至8 Bc，水泥浆的稳定性提到大幅提升，满足现场固井作业保证质量及安全施工的需求[4]。

3 结论

1）通过热重分析证明高温稳定剂J200L 的热稳定性满足抗温270 ℃以上；且对水泥浆常温流变、失水和稠化时间无负面影响。

2）通过沉降管试验及稠化停开机试验证明高温稳定剂J200L 在高温下，能够大幅提高水泥浆的稳定性，是一种综合性能优良的高温稳定剂产品。