油井水泥高温缓凝剂CHR40的合成与评价

田宏伟，汪蕾，耿国伟，肖淼，宋维凯，侯亚伟

（1.中海油田服务股份有限公司化学公司，天津塘沽300450；2.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河065201）

油井水泥高温缓凝剂CHR40的合成与评价

田宏伟1，汪蕾2，耿国伟1，肖淼1，宋维凯2，侯亚伟2

（1.中海油田服务股份有限公司化学公司，天津塘沽300450；2.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河065201）

为了克服在深井固井过程中面临的高温难题，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、马来酸酐（MA）和丙烯酸（AA）为聚合单体，采用水溶液聚合的方式制得高温缓凝剂CHR40。此缓凝剂温度敏感性和掺量敏感性小，抗高温能力强，可使用温度高达200℃，与各种水泥外加剂配伍性良好，且稠化过渡时间短，具有直角稠化和曲线平稳的特性，易于现场调节。

深井；高温缓凝剂；稠化时间；水泥浆性能

目前石油勘探开发不断的向深井、超深井方向发展，井温随着井深的增加而增加，这就要求固井水泥浆具有良好的抗高温性能，主要表现在油井水泥缓凝剂抗高温性能方面[1，2]。传统的缓凝剂多为木质素磺酸盐及其衍生物、羟基羧酸、有机磷酸盐、无机酸、有机酸等材料，或者是两种及以上的复配物，这些缓凝剂存在超缓凝、敏感性大、不耐高温等问题，无法满足现场的施工要求[3，4]。自20世纪90年代，国外首先开始研究合成聚合物类高温缓凝剂，国内也相继研究出类似的聚合物高温缓凝剂[5-7]，但普遍存在价格昂贵、敏感性大、规律性不强等问题，不能满足现场施工条件。针对以上问题，研制了一种以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、马来酸酐（MA）和丙烯酸（AA）为单体的三元共聚物，该高温缓凝剂CHR40具有良好的缓凝效果和抗高温性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），马来酸酐（MA），丙烯酸（AA），引发剂M，氢氧化钠（分析纯），去离子水。

1.1.2 仪器OWC-9360型恒速搅拌器，OWC-9480C型高温高压稠化仪，旋转黏度计，增压养护釜，高温高压失水仪，匀加荷压力试验机等。

1.2 共聚物的合成

称取一定量的AMPS、马来酸酐（MA），丙烯酸（AA）配制成水溶液，用NaOH调节pH值，加入装有温度计和搅拌器的三口烧瓶中搅拌升温，待温度升至60℃开始通入氮气，10 min后开始滴加引发剂，待反应2 h后，冷却至室温，得到共聚物。

1.3 缓凝剂性能评价

实验水泥浆配方：山东G级水泥+35%300目硅粉+6%PC-G80L+x%CHR40+0.25%PC-X60L，式中：降失水剂PC-G80L和消泡剂PC-X60L，天津中海油服化学有限公司；百分数为占水泥质量的百分比。本文中水泥浆都使用此配方配制，根据需要调节缓凝剂CHR40加量，水泥浆密度为1.90 g/cm3，水灰比为0.44。

水泥浆的制备和各性能的评价方法按试验方法参照API-RP-10B-2-2013规定的方法进行。

2 结果与讨论

2.1 CHR40温度敏感性

水泥浆的稠化时间一般随着温度的升高而呈现缩短趋势，或许出现超缓凝现象，或许出现稠化时间反转现象，影响固井施工安全。CHR40温度敏感性关系（见图1、图2）。

图1 试验温度对CHR40（4%）缓凝效果影响

由图1可知，CHR40具有很好的缓凝效果，对稠化时间的影响随着温度的降低呈缩短趋势并无反转、无超缓凝现象，温度敏感性小，稠化时间易调节，抗高温能力强，抗温可高达200℃，满足固井施工要求。

由图2可知，加入该缓凝剂的水泥浆稠化过渡时间短，无鼓包、台阶等不良现象，且长时间内稠度稳定，具有很好的稳定性和防窜性能。

2.2 CHR40掺量敏感性

不同CHR40掺量对水泥浆稠化时间作用规律（见图3）。由图3可知，新型高温缓凝剂CHR40的掺量与稠化时间几乎呈直线线性关系，表明掺量敏感性小。掺量敏感性呈直线线性关系的缓凝剂在固井施工过程中稠化时间易于调控，属于一种理想、安全的高效缓凝剂。

2.3 CHR40对水泥浆抗压强度的影响

缓凝剂CHR40对24 h水泥浆抗压强度的影响（见表1）。1＃配方与2＃配方测试温度分别为120℃和160℃，控制水泥浆的稠化时间5 h左右。24 h水泥浆抗压强度随着温度的升高而升高，根据现场井况要求，试验测得的抗压强度远远大于实际需求。因此得出结论：CHR40对水泥浆抗压强度无不良影响。

2.4 CHR40对水泥浆流变性、失水性能的影响

CHR40对水泥浆流变性与失水性能的影响（见表2）。在90℃条件下按照标准分别测试1＃配方与2＃配方的水泥浆流变性和失水性能，两组配方分别为加入3%CHR40的水泥浆与空白浆，从表2可知，两组水泥浆性能差别不大，流变性与失水均未出现异常情况，可见CHR40对水泥浆流变性与失水性能无不利影响。

图2 135℃、65 MPa条件下的稠化曲线图

图3 CHR40掺量对稠化时间的影响

表1 CHR40对水泥浆抗压强度的影响

表2 CHR40对水泥浆流变性的影响

3 结论

（1）CHR40是一种性能优良的高温缓凝剂，温度敏感性和掺量敏感性小，适用温度范围广，抗高温能力强，可高达200℃，缓凝效果明显，具有良好的规律性，且稠化过渡时间短，具有直角稠化和曲线平稳的特性，易于现场调节。

（2）CHR40与降失水剂、消泡剂等固井水泥添加剂配伍性良好，对水泥浆的抗压强度、稳定性、流变性、失水性等性能无不良影响。

［1］彭志刚，许遵见，冯茜，等.高温缓凝剂WHJ在深井固井中的应用［J］.天然气工业，2009，29（12）：41-44.

［2］蒋鸿邹，张财金，等.吐哈油田长封固固井技术的研究和应用［J］.钻井液与完井液，2003，20（6）：57-59.

［3］杨小华，王中华.国内近15年来油井水泥外加剂研究与应用进展［J］．油田化学，2004，21（3）：294-295.

［4］陈馥，刘迎香，李凤霞．油井水泥缓凝剂的优选技术［J］．石油与天然气化工，2000，29（4）：203-204.

［5］赵岳，沙林浩，王建东，等.油井水泥高温缓凝剂特性及发展浅析［J］.钻井液与完井液，2011，28（Z1）：54-58.

［6］苏如军，等.高温缓凝剂GH-9的研究与应用［J］.钻井液与完井液，2005，22（S1）：89-92.

［7］桑来玉，王其春，赵艳.油井水泥高温缓凝剂DZH-2室内评价与应用［J］．钻井液与完井液，2006，23（6）：47-49.

The synthesis and evaluation of high-temperature oil well cement retarder CHR40

TIAN Hongwei1，WANG Lei2，GENG Guowei1，XIAO Miao1，SONG Weikai2，HOU Yawei2
（1.Chemical Company，COSL，Tanggu Tianjin 300450，China；2.Oilfield Chemicals Institute，COSL，Sanhe Hebei 065201，China）

In order to overcome the high temperature problem in the process of deep well cementing,the article is to introduce a kind of high-temperature retarder CHR40 with the method of aqueous solution polymerization,synthesized from 2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid（AMPS）,maleic anhydride（MA）and acrylic acid（AA）.The results show that the retarder has small temperature sensitivity and small dosage sensitivity,strong ability to resist high temperature,can use temperature as high as 200℃.It also has good compatibility with all kinds of cementing additive,the slurry performance is stable,and the thickening transition time is short,the thickening curve appears 90-degree rise and smooth.So,the hightemperature retarder CHR40 is easy field adjustable.

deep well；high-temperature retarder；thickening time；cement slurry properties

TE256.6

A

1673-5285（2016）01-0017-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.005

2015－11-05

田宏伟，在中海油田服务股份有限公司化学公司从事油田化学方面的研发工作，邮箱：tianhw4@cosl.com.cn。