一种反相乳液型油井水泥悬浮稳定剂

田 野

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北 三河 065201）

反相乳液聚合指的是以水溶性单体的水溶液作为分散相、与水不混溶的有机溶剂作为连续相，在乳化剂的作用下形成油包水型乳液而进行的乳液聚合。反相乳液聚合始用1962年[1]，该法对水溶性单体的聚合有特殊的意义，与传统水溶液聚合相比，反相乳液聚合法具有反应速度快、产物分子量高、固相含量高的特点。目前工业上反相乳液聚合法主要用于聚丙烯酰胺的生产，国内于20世纪70年代开始丙烯酰胺及丙烯酸的反相乳液聚合研究[2-5]。近年来油田上开始逐步使用反相乳液产品，主要是应用在钻井液增黏、油田调驱堵水等方面，以及絮凝剂[6-12]等方面，油井水泥添加剂方面的应用少有报道。反相乳液的制备，通常以白油、液体石蜡等为连续相，以司盘80、吐温80、OP-10、AEO-3等为乳化体系，使用氧化还原引发体系合成[13-16]。

本文使用反相乳液聚合法合成了一种适用于油井水泥的悬浮稳定剂 C-J65L，该产品为AMPS/N,N-DMA二元共聚物，与水溶液聚合的同类产品相比，C-J65L具有液相黏度低、分子量高、加量少的特点，更有利于海上固井作业现场施工，超过百万的分子量，使其应用于水泥浆中可有效提高水泥浆的黏度和稳定性。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

AMPS、N,N-DMA、工业级氢氧化钠、白油、司盘80、吐温80、过硫酸铵、焦亚硫酸钠均来自中海油服化学有限公司，一种自制乳化剂C-18；水泥采用山东中昌G级水泥，硅粉、降滤失剂C-FL80L、缓凝剂C-R21L/C-R42L、消泡剂C-DF60L等均来自中海油服化学有限公司。

符合API标准的配浆设备及实验模具、Chandle 8040D高温高压稠化仪；搅拌器、乳化机来自上海欧河。

1.2 实验方法

水泥浆实验根据API R10B标准进行。

1.3 反相乳液悬浮稳定剂的制备

配制油相：将一定量的司盘 80和自制乳化剂C-18加入白油中，并搅拌10 min备用；配制水相：将一定量的AMPS、N,N-DMA缓慢加入去离子水中，同时搅拌降温防止自聚，滴加氢氧化钠溶液调节pH值至 6~7；将配制好的水相溶液缓慢加入油相中，同时快速搅拌并乳化持续20 min，形成乳白色的反相乳液。将乳液倒入4口烧瓶中，在水浴中加热升温至30 ℃并持续搅拌，通入氮气10 min后，加入氧化还原引发剂过硫酸铵、焦亚硫酸钠，烧瓶中乳液反应升温至50 ℃以上，保温3 h后反应结束，加入吐温80并搅拌10 min，取出乳液备用。

2 结果与讨论

2.1 表征

将制备的反相乳液C-J65L进行破乳、无水乙醇洗涤、烘干后得到的产物进行红外光谱分析，结果如图1所示。

如图1所示，特征吸收峰分析如下：3 316 cm-1是-NH2的伸缩振动峰，2 978 cm-1、2 935 cm-1是-CH3、-CH2的特征吸收峰，1 614 cm-1是酰胺基团的特征吸收峰，1 454 cm-1、1 368 cm-1是-CH3的对称弯曲振动峰，1 178 cm-1和1 038 cm-1分别为-SO3的对称和不对称伸缩振动峰。从上述特征峰出现的位置，说明单体AMPS和N，N-DMA均参与了聚合反应。并且在1 600~1 640 cm-1范围内未发现C=C双键的特征吸收峰，表明所有单体均参与了共聚反应。反相乳液C-J65L物理性能见表1。由表1可知，C-J65L固相含量高、液相黏度低，分子量高达百万以上。

图1 反相乳液C-J65L红外光谱图

表1 C-J65L物理性能

2.2 在常规密度水泥浆中的应用

将反相乳液 C-J65L加入特定常规密度水泥浆中，测试其对水泥浆流变性、稳定性的影响，特定水泥浆选择黏度较低、稳定性较差的水泥浆配方，以此对比评价C-J65L的增黏效果。90 ℃条件下实验结果见表2。实验结果表明，基础水泥浆本身黏度较低、有自由液和浆体沉降，随着C-J65L的加入，水泥浆黏度明显增加、自由液为0、浆体沉降消失，同时上下密度差明显减小，说明C-J65L能够有效提高水泥浆的黏度和悬浮稳定性。

表2 90 ℃ C-J65L对水泥浆流变性和稳定性的影响

2.2.2 高温稳定性评价

评价 C-J65L在高温条件下对水泥浆悬浮稳定性能的影响，结果见表3。停开机实验是在150 ℃条件下进行稠化实验，在温度升至150 ℃后关闭搅拌电机，保持150 ℃静置30 min后打开稠化仪电机，观察水泥浆稠度变化，稠度上升幅度越大，说明水泥浆稳定性越差。水泥浆稳定性较差时会产生沉降，电机打开后搅动阻力增加，可观察到稠度有明显上升，严重时可使稠度超过100Bc从而终止实验。图2-4为C-J65L加量0%、0.5%与1%的停开机稠化曲线图。

表3 C-J65L对水泥浆高温稳定性的影响

图2 C-J65L加量0%，停开机稠化曲线

图3 C-J65L加量0.5%，停开机稠化曲线

图4 C-J65L加量1%，停开机稠化曲线

由表3和图2-4可知，随着C-J65L加量的增加，150 ℃条件下水泥浆上下密度差减小，停开机稠度上升幅度明显减小，由此可知，C-J65L在150 ℃高温条件下能够有效提高水泥浆的稳定性。

2.3 大水灰比低密度水泥浆中的应用

C-J65L具有显著的增黏、提高稳定性的功效，加入适量的C-J65L并提高水泥浆的水灰比，能够降低水泥浆密度，制备大水灰比的低密度水泥浆，其性能见表4。当水泥浆水灰比提高至 1.05时，C-J65L加量为4%，此时水泥浆密度可降低至1.5 g·cm-3，水泥浆稳定性良好。因此，C-J65L可作为一种用于提高水泥浆水灰比，降低水泥浆密度的低密度稳定剂。

表4 C-J65L在大水灰比低密度水泥浆中的性能评价

3 结 论

1）本文使用反相乳液聚合法合成了悬浮稳定剂C-J65L，固相含量高、液相黏度低、分子量高。

2）C-J65L应用于1.9 g·cm-3常规密度水泥浆中，很少的加量即可有效提高水泥浆液相黏度和稳定性。

3）C-J65L可在150 ℃高温条件下有效提高水泥浆悬浮稳定性。

4）C-J65L可用于提高水泥浆水灰比，降低水泥浆密度，加量为 4%时可使水泥浆密度降至1.5 g·cm-3，水泥浆稳定性良好。