脂肪族水泥分散剂的改良与制备

王婧，李丽华，张金生，梁路，王雪

(辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113000)

油井水泥分散剂用于油气井的注水泥作业中改善水泥浆的流动性，降低流动阻力，减小施工压力防止“井漏”。在较小的泵送速度下达到紊流，提高对井壁和套管的冲刷效果，提高固井质量。脂肪族分散剂由于其原料来源广、价格低廉、污染小、耐高温［1］等优点受到广泛使用。同时分散剂随油井的建立、长距离迁移及难以生物降解，对生态系统造成破坏。近年来，国家倡导环境友好型产品，所以研制易降解的分散剂具有重要现实意义。利用脂肪族分散剂分子中存在的双键具有共聚合成的可能，国内外已有许多改性脂肪族分散剂的报道［2-5］。根据结构-生物降解相关性原理，试验2种酰胺类物质分别接枝脂肪族分散剂的高分子主链，将其支链末端连接的非主导性基团羰基转变为氨基化合物［CONR2］［6］，通过曼尼希反应合成的易生物降解的水泥分散剂性能优良。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

甲醛、丙酮、亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、2种改性酰胺均为分析纯;水泥分散剂SAF、SAF-1、SAF-2及缓凝剂、早强剂等为实验室自制;G级油井水泥。

D2004W电动搅拌器;766-3远红外辐射干燥箱;WQF-520傅里叶变换红外光谱仪;OWC常压、增压稠化仪;OWC2990F增压养护釜;DRFSX数显恒温电热套。

1.2 分散剂的制备

根据醛酮反应机理［7-8］和曼尼希反应，合成路线如下:

先制备一般分散剂SAF。于装有冷凝器、机械搅拌器、温度计和加料漏斗的四颈烧瓶中加入定量的亚硫酸钠和水，常温下缓慢滴加丙酮、甲醛、亚硫酸氢钠的混合液，维持温度不超过70℃，保温1 h。升温至95℃保温2 h。用旋转蒸发仪蒸至固含量显著，放入烘箱中保持温度低于70℃烘干为止。在缩聚反应前分别加入定量的甲酰胺或者尿素，即合成新型分散剂。新合成分散剂烘干后用乙醇超声振荡洗涤。

2 结果与讨论

2.1 流变性能测试

在85℃常压下，采用SY/T 5546—92所规定的油井水泥应用性能试验方法，研究不同掺量下的水泥浆流变性能，结果见表1。

表1 分散剂对水泥浆流变性的影响Table 1 The effect of different dispersant on rheology of slurry

由表1可知，随3种分散剂掺量的增加，粘度越来越小，减小幅度有所不同。在所测范围内，2种改性后的分散剂性能均略好于原分散剂。脂肪族高分子的主链没变，改性后增加了一个酰胺基，是亲水基，吸附水泥粒子，既产生有静电排斥力的基团，又产生立体排斥力的基团。不同程度的阻碍或者破坏了水泥颗粒的絮凝结构，释放游离水，同时与水分子形成氢键缔合，阻止了水泥粒子之间的聚结。宏观上则表现为水泥浆流动程度增加，需水量减小。单就流变性能而言，3种分散剂的最优掺量大约是0.6%。

2.2 稠化时间

在温度为85℃，初始压力为10.3 MPa，最终压力为70.3 MPa，升温时间为44 min的实验条件下，按照GB/T 19139规定的方法，测试3种不同分散剂的水泥稠化时间，结果见图1。

图1 掺有3种水泥分散剂的稠化曲线(B.酰胺Ⅰ改性，C.酰胺Ⅱ改性)Fig.1 The thickening curve of three dispersants cement slurry

由图1可知，加入0.6%的2种改性后的分散剂与加入原分散剂的稠度没有显著区别，都大大降低了水泥的稠度。在稠化时间上，2种改性后的产品都有不同程度的缓凝，稠化时间延长。是由于胺基化合物［9-10］本身作为一种缓凝剂起到延长了水泥水化期和结构形成的作用。

2.3 抗压强度

在养护温度为110℃的条件下，按照 GB/T 19139规定的方法，分别进行纯水泥净浆水泥石和加有分散剂的水泥石抗压强度测试，养护时间为24 h，再计算两者的与水泥净浆的抗压强度之比，结果见表2。

由表2可知，掺加3种水泥分散剂后的水泥石抗压强度没有显著差别。随着分散剂掺量的增加，降低了水泥的胶凝强度，增大了水泥比表面积，从而水泥石的毛细通道增多，大力分散了水泥浆，最终导致水泥石强度的降低。水泥石的抗压强度逐渐降低。

在110℃下，加入了新合成的水泥分散剂后，水泥石的抗压强度与空白试验对比均大于1.0，高于标准的抗压强度要求。

表2 分散剂对水泥石抗压强度的影响Table 2 The effect of dispersants on compression strength of cement

2.4 2种新分散剂的光谱表征

将2种改进后的产物烘干、磨细，再经乙醇沉淀过滤，用KBr压片红外光谱仪进行表征，见图2。

图2 2种新分散剂的红外谱图Fig.2 IR of two new dispersants

3 结论

(1)由2种酰胺类物质合成了易降解水泥分散剂。脂肪族分散剂与酰胺类均含有双键，反应合成容易、迅速，不改变高分子脂肪链，对于环境保护有重要促进意义。

(2)按曼尼希反应的要求，在分散剂合成后期加入其它物质共聚合成目标基团。对其分散性能、稠化时间和抗压强度分别进行研究。结果表明，掺量在0.6%时，合成2种新型易降解的水泥分散剂与原先分散剂在流变性上没有显著差别，稠化时间上有所延长，抗压强度达到较高标准要求。

［1］黄泓，蒋林华，王毅，等.脂肪族羟基磺酸盐缩合物SAF减水剂的合成与应用［J］.中国科技成果，2010，23(11):38-40.

［2］杨炳勇，吴永忠，张路.木钙复配引气型脂肪族高效减水剂合成研究［J］.山东化工，2011，40(11):27-30.

［3］魏铭，方嵩.木钠改性高效减水剂的合成与效果评价［J］.广州化工，2011，39(13):82-84.

［4］陈国新，杜志芹.木质素磺酸钠接枝改性脂肪族高效减水剂的研究［J］.新型建筑材料，2011，38(8):44-47.

［5］Bjornstrom J，Chandra S.Effect of superplasticizers on the rheological properties of cements［J］.Cement and Concrete Research，2003，9:685-692.

［6］Fwu-Long Mi.pH-Sensitive behavior of two-component hydrogels composed of N，O-carboxymethyl chitosan and alginate［J］.Biomacromolecules，2005，6:980

［7］徐光红，杨春贵，龙宝良.磺化丙酮甲醛缩聚物的合成原理及最优工艺探讨［J］.西南科技大学学报，2007，22(2):9-12.

［8］庞金兴，张超灿，熊焰，等.SAF的合成机理及分散性能研究［J］.武汉理工大学学报，2002，24(6):29-31.

［9］何英，徐依吉，王槐平，等.新型油井水泥分散剂SDJZ-1的研制与应用［J］.天然气工业，2006，26(7):79-81.

［10］赵宝辉，邹健龙，刘爱萍，等.适用于长封固段固井的新型缓凝剂［J］.钻井液与完井液，2011，28(增刊):10-12.