AMPS在油井水泥外加剂中的应用

卢甲晗，王彦青，任保增

(1.郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001;2.卫辉市化工有限公司，河南卫辉 453100)

AMPS(2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸)属于丙烯酰胺的磺酸衍生物，由丙烯腈和异丁烯在发烟硫酸的作用下反应而成。AMPS是一种极具发展潜力的聚合单体，广泛应用于油田化学剂、纺织、水处理、塑料、涂料等化工行业。

从其结构式来看，由于AMPS含有的水溶性、强阴离子性磺酸基使其具有良好的导电性、染色亲和性、抗盐性及热稳定性;含有酰胺基团使其有很好的水解稳定性、抗酸、碱及热稳定性;活泼的碳碳双键有利于其与各种烯类单体共聚。AMPS既可以直接以磺酸的形式参与聚合，又可以转化为磺酸盐后参与聚合。

在国内AMPS(2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸)共聚物用于油井水泥外加剂领域始于2000年前后，近年来在该领域研究者众多，发展迅速。AMPS共聚物凭借其优越的性能满足了我国油气资源勘探开发难度日益增加的需要，受到越来越多的生产厂商和油田的重视。目前AMPS共聚物在油井水泥外加剂中主要应用于降失水剂、缓凝剂、分散剂、早强剂等几类。

1 AMPS在油井水泥降失水剂中的应用

AMPS共聚物在油井水泥外加剂的应用主要是降失水剂的生产。近年来，随着AMPS多元共聚物类降失水剂研究的深入，新的研究成果层出不穷。此类降失水剂在油井水泥降失水剂中所占比例逐渐增大，成为深井、超深井及高矿化度井固井施工中保证低失水、保护油气层的重要外加剂。

作为油井水泥浆中的降失水剂，AMPS一般与丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸(MAA)、N－乙烯基砒硌烷酮、N，N二甲基丙烯酰胺(DMAM)等单体形成二元、三元或多元共聚物。如AMPS/AA/AM按7∶1∶2的比例溶于一定比例的去离子中，用50%NaOH水溶液中和至pH值为5～6，在55～60℃下用过硫酸铵进行引发聚合，即可得到一种性能良好的降失水剂，加量3% ～4%(BWOC)的情况下水泥浆失水可降至50 mL以下。共聚时加入不同比例的N－乙烯基砒硌烷酮、N，N二甲基丙烯酰胺可提高降失水剂的抗温性能及抗钙镁离子的性能。

目前国内油井水泥降失水剂产品以聚乙烯醇(PVA)类产品为主，该类产品的优点是成本较低、控制失水效果好，但同时也有明显的缺点，如不抗盐、不抗高温及对不同水泥的适应性差。而AMPS共聚物的分子链上含有磺酸基、酰胺基，使得该类产品有很好的抗盐、抗钙和抗高温性能，可广泛应用于淡水、海水、盐水配制的高、中、低温水泥浆体系，且对不同品牌油井水泥的适应性强，是一种广谱降失水剂。

PVA类降失水剂是靠压力在井壁上形成的一层聚合物膜降低失水的，而由于井壁情况比较复杂，能不能真正形成这层膜是无法考证的。AMPS共聚物类降失水剂是靠提高水泥浆的液相黏度，从而在井壁上形成一层致密的泥饼来降低失水的，降失水效果比较可靠。实际的固井质量测井声幅图也验证了这种推论。

目前市场使用的AMPS共聚物类降失水剂品种繁多，但性能稳定、形成规模的主要有卫辉市化工有限公司生产的G310(液体)降失水剂、G33S(固体)降失水剂，天津渤星公司的BXF－200L(液体)降失水剂等少数几家厂商。

2 AMPS在油井水泥缓剂中的应用

随着油气资源勘探开发深度不断加大，固井施工对缓凝剂的要求也越来越高，不仅要求缓凝剂要有良好的抗高温性，还要求水泥浆在施工返高后在较低的温度下能有较高的顶部强度。目前，我国油井水泥缓凝剂以天然糖类及其衍生物、有机酸、盐为主，但这些缓凝剂普遍存在缺陷，如不抗高温、对加量敏感或水泥浆早期强度低等。聚合物类缓凝剂是近年来国内外研究最多的一类缓凝剂。由于通过聚合技术可将多种不同的功能性单体结合在一起，而且可以控制分子链的长短、分子量的大小及分布，因此这类缓凝剂可以用分子设计思想来指导其合成，得到综合性能较为理想的缓凝剂。

聚合物类缓凝剂大部分以AMPS与衣康酸(IA)、丙烯酸(AA)、马来酸酐(MA)等进行二元或多元共聚。AMPS/AA二元共聚物:如AMPS/AA共聚物。共聚物中n(AMPS)∶n(AA)=4∶6，以过硫酸铵和亚硫酸钠引发聚合，相对分子质量控制在4000左右。该缓凝剂使用温度可达130℃，掺量为0.5% ～1.5%BWOC，该缓凝剂稠化实验规律较好，稠化时间容易调节，还适用于盐水水泥浆或其它高矿化度水泥浆。将AMPS/AA共聚物与木质素磺酸盐、硼砂、有机酸等其它缓凝材料复配使用，可扩大该缓凝剂的温度适用范围，如与葡萄糖酸钠复配使用后其使用温度可达260℃。②AMPS/IA二元共聚物。共聚物中n(AMPS)∶n(IA)=73∶27，以过硫酸铵和亚硫酸钠引发聚合，相对分子质量控制在4000左右。该缓凝剂缓凝效果明显强于AMPS/AA缓凝剂，无需加入硼砂、有机酸等缓凝增强剂，单独使用温度可达260℃且稠化曲线过渡时间非常短、早期强度也高，有利于提高固井质量。目前国内各油田用量比较大的该类缓凝剂主要有卫辉市化工有限公司的高温缓凝剂GH－9。

3 AMPS在油井水泥分散剂中的应用

目前国内油井水泥分散剂以甲醛、丙酮缩聚磺化物为主，成本较低，分散效果明显，这类产品使用较为广泛的是卫辉市化工有限公司生产的分散剂USZ和成都栲胶厂生产的分散剂 SXY。近年来AMPS共聚物类降失水剂和胶乳防窜水泥浆体系大量应用，这类分散剂在该类体系中不能完全满足工程要求的分散效果，使得开发出一种适应这两种水泥浆体系分散剂的研究越来越迫切。其中就有以AMPS与丙烯酸(AA)或其它烯类单体以一定的比例在水溶液里中和至pH值为6，在氧化还原引发体系下进行爆聚，得到相对分子质量为300～500的共聚物来用做油井水泥分散剂。经试验验证，这种分散剂可适用于目前国内大部分水泥浆体系，具有很好的抗盐抗高温性能，分散效果要优于醛酮缩合物类分散剂，实验数据见表1。

表1 醛酮缩聚物与AMPS共聚物两种分散剂效果对比

另外，据相关文献介绍，AMPS与某些单进行接枝共聚还能得到性能良好的油井水泥早强剂。

AMPS共聚物类的分散剂和早强剂都还处于室内研究阶段，目前市场上还未见到成熟应用的产品。

4 结论

综上所述，AMPS共聚物的研究开发使油井水泥外加剂的应用上了一个新的台阶，为石油天然气的勘探开发提供了技术保障。

AMPS多元共聚物类降失水剂必将以优越的性能替代PVA类降失水剂，成为最主要的油井水泥降失水剂。

AMPS与衣康酸共聚物类油井水泥高温缓凝剂，表现出了良好的抗高温性能，为深井、超深井的顺利施工提供了保障。

由于AMPS在国内油田化学剂中的应用只有十年左右，其更深的研究及应用还需时日，这也引起了越来越多的研究者的兴趣。