2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸／衣康酸／丙烯酰胺缓凝剂的黏温特性

李 明，靳建洲，于永金，刘硕琼，郭小阳

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100089）

在深井固井时，需在水泥浆中加入高温缓凝剂以调节稠化时间，此类缓凝剂多为有机膦酸（盐）及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）共聚物，典型的AMPS共聚物类缓凝剂包括AMPS／IA、AMPS／MA、AMPS／IA／AA、AMPS／IA／SS、AMPS／IA／AM 等［1-7］，其 中 AMPS／IA／AM较为常用，相对分子质量约6×105［8］。国内外对缓凝剂和降失水剂的工程性能与结构表征已进行了大量研究，但对其在井下高温高压环境下的流变性研究较少［9-10］。由于水泥浆是一种高浓水基悬浮颗粒体系，缓凝剂的黏温特征与流变特性会直接影响水泥浆性能。现场使用发现在一定温度内AMPS共聚物类缓凝剂存在易引起稠化曲线“鼓包”的缺陷，影响其使用效果。因此，有必要研究缓凝剂的黏温特征与流变特性。为此，笔者使用7400型高温高压流变仪，以AMPS／IA／AM缓凝剂为研究对象，研究了温度、压力对其表观黏度的影响；同时研究了缓凝剂的黏温特征对水泥浆的稠度、沉降稳定性和稠化时间的影响。

1 实验部分

1.1 主要仪器

NDJ-79型旋转黏度计，常压稠化仪，TG-71型高温高压失水仪，8040D10型高温高压稠化仪，7375型高温高压养护釜。

1.2 水泥浆性能测试

实验采用GB／T 19139-2003方法进行水泥浆性能测试。测试降失水性能的水泥浆配方为G级水泥600g＋0.5%分散剂＋3%降失水剂＋245 g水＋消泡剂，测试稠化时间的配方为G级水泥600g＋0.5%分散剂＋3%降失水剂＋4%缓凝剂＋245g水＋消泡剂。

1.3 聚合物溶液的高温高压流变性测试

采用7400型高温高压流变仪，按 GB／T 19139—2003进行流变性测试。

2 结果与讨论

2.1 AMPS／IA／AM 共聚物耐热性能测试

对AMPS／IA／AM缓凝剂进行热失重分析（TG）以表征其耐热性能。测试条件为：N2保护，升温速率为20K／min，测试温度为15～450℃。测试结果见图1。由图1可见：AMPS／IA／AM缓凝剂有良好的耐热性，在进行高温高压流变性测试时，AMPS／IA／AM缓凝剂不会发生分解。

图1 AMPS／IA／AM缓凝剂TG谱

2.2 温度对AMPS／IA／AM共聚物溶液黏度的影响

缓凝剂在水泥浆中的加量一般为1%～6%，参考缓凝剂在水泥浆中的加量，配制不同质量浓度的AMPS／IA／AM缓凝剂水溶液。实验中考察了温度对AMPS／IA／AM缓凝剂水溶液黏度的影响，结果见图2。

图2 温度对AMPS／IA／AM缓凝剂水溶液黏度的影响

由图2可见：当温度低于120℃时，随温度的升高，AMPS／IA／AM 水溶液的黏度逐渐下降。温度在120～130℃时，AMPS／AM／AA水溶液黏度急剧上升，在130℃时黏度最高；温度超过130℃之后，共聚物水溶液黏度显著下降。产生上述实验现象的原因可能是：1）温度低于120℃时，随温度增加，共聚物在溶液中运动速度加快，分子间的作用力减弱，所以黏度随着温度的增加而下降；2）AMPS／IA／AM 共聚物在120～130℃存在温敏现象，其原因可能是类似于N-丙基丙烯酰胺类聚合物，存在一个低临界溶解温度，约为120℃，当温度低于120℃时，共聚物溶于水呈透明态，而温度升高到120℃时，共聚物发生迅速相变，溶液呈浑浊状，出现相分离，溶液黏度表现出随温度的升高而增加。

2.3 压力对AMPS／IA／AM共聚物溶液黏度的影响

在剪切速率为255s-1（转速150r／min）时，考察压力对AMPS／IA／AM水溶液黏度的影响，结果见图3。由图3可见：一定温度下，压力对AMPS／IA／AM溶液流变性影响不如温度明显，一定温度下，压力增加，共聚物溶液的表观黏度稍有增加。产生上述现象的原因可能是：压力增加，大分子之间距离减小，造成链段活动范围减小和分子间的作用力增加，使得链间的错动困难，表现为黏度增加。

图3 压力对AMPS／IA／AM共聚物水溶液黏度的影响

2.4 AMPS／IA／AM 共聚物流变性对水泥浆性能的影响

在190℃、70MPa、150min条件下测试了添加AMPS／IA／AM缓凝剂的水泥浆的稠化时间，结果见图4。在相同条件下进行了稠化实验，在出现“鼓包”现象后，在水泥浆未稠化之前结束，拆开浆杯发现水泥浆出现了严重的“包心”现象。

图4 AMPS／IA／AM对水泥浆稠化曲线的影响

由图4可见：水泥浆稠化曲线在120～130℃间出现“鼓包”（稠化线型突变）现象，出现“鼓包”之后，拆开浆杯后发现水泥浆出现了温度曲线波动与“包心”现象。产生上述现象的原因可能在于，AMPS／IA／AM在120～130℃时的温敏现象导致悬浮液黏度急剧增加，使得水泥浆稠度迅速上升，温度超过130℃后，随着 AMPS／IA／AM黏度的显著下降，水泥浆稠度也随着下降，表现为稠化曲线出现“鼓包”；同时，由于AMPS／IA／AM溶液黏度的增加，加剧了溶液本已存在的 Weissenberg效应（又称爬杆效应），导致水泥浆产生“包心”现象，有可能影响注水泥安全。

3 结 论

一定压力下，AMPS／IA／AM共聚物溶液在120～130℃时存在温敏现象，表观黏度急剧增大；一定温度下，压力对AMPS／IA／AM共聚物缓凝剂的流变性影响不如温度明显，随压力增加，共聚物溶液的表观黏度稍有增加。AAMPS／IA／AM共聚物溶液在120～130℃时的温敏现象会导致水泥浆稠度迅速上升，稠化曲线出现“鼓包”现象；由于共聚物溶液黏度的增加，会加剧共聚物溶液的Weissenberg效应，这是水泥浆“包心”现象的实质。在油井水泥外加剂研发中，应对其在深井固井工况下的溶液特性和流变行为开展全面深入研究。

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