基本介紹
- 中文名：水泥擴散劑
- 外文名：Cement dispersant
- 發展：無毒、無味、不燃、不爆
- 所屬學科：土木工程
- 套用：油氣井固井作業
- 又稱：減阻劑、減水劑或紊流劑
簡介,國內研究與套用概況,質素磺酸鹽及其衍生物,多環芳基磺酸鹽甲醛縮合物,水溶性密胺樹脂,乙烯基單體聚合物及其衍生物,多羥基羧酸(鹽),其它,國外油井水泥擴散劑簡介,未來發展,
簡介
在油氣井固井作業過程中，常使用水泥擴散劑(又稱減阻劑、減水劑或紊流劑等)來改善水泥漿的流變性能，進而促進固井質量的提高。對這一領域的研究越來越受到國內固井工程界的重視。一次注水泥必須有好的頂替效果，才能達到封隔地層之目的。人們經過長期探索與實踐，認識到在大多數情況下採用紊流注水泥的方法有利於獲得較高的頂替效率。油井水泥擴散劑能降低水灰比，改善水泥漿的流變和施工性能，並可在較低的排量、泵壓下實現紊流。因此，油井水泥擴散劑的研究與套用得到了不斷發展，成為目前國內外使用最普遍、消耗量最大的油井水泥外加劑之一。同時，由於更多的新產品的問世，也給固井注水泥作業及油氣田勘探開發帶來了直接的經濟效益和明顯的社會效益。
國內研究與套用概況
質素磺酸鹽及其衍生物
早在本世紀30年代初，人們發現將亞硫酸鹽紙漿廢液加入混凝土中，在改善混凝土的工作性及提高強度和耐候性等方面有優良效果。1937年，Scripture獲得了美國專利。在我國建築行業，木質素類擴散劑的套用比較廣泛。70年代，石油及地質勘探部門引用了這類擴散劑。主要有木質素磺酸鈉、木質素磺酸鈣和木質素磺酸鐵鉻鹽等，均由造紙廢液處理、加工而成。其主要優點是價格低、來源廣，且具有一定的降濾失作用。不足之處是減阻分散效果較差，易起泡，有一定的緩凝作用。一般認為，木質素磺酸鹽通常由側鏈上帶有磺酸基的苯丙烷結構單元構成。據有關文獻報導，如果對木質素磺酸鹽進行改性，先脫去其部分側鏈上的磺酸基，再在苯丙烷結構單元的苯環上羥基的鄰位引入磺甲基，可賦予其抗高溫的特性。中原油田鑽井工程公司與河南省科學院化學研究所合作開發的高改性木質素磺酸鹽抗高溫型擴散劑HD-1，便是基於上述原理。HD-1產品的分散、抗溫能力強，且具有緩凝作用，特別適用於深井和超深井的固井作業。現場10餘口井的試驗與套用證實，HD-1分散、抗溫效果尤為顯著(室內評價中抗溫達180℃)。利用木質素磺酸鹽價格低的優點對其進行復配改性，也是一條有效的途徑。TA-1A使是其中之一。它具有分散效果較好、稠化時間易調、固井材料費較低等特點。該劑也屬於緩凝型擴散劑。
多環芳基磺酸鹽甲醛縮合物
這類擴散劑中最具代表性的是β-萘磺酸/甲醛縮聚物，即國內廣泛套用的FDN。它是一種重要的表面活性劑，一般為棕黃色粉末，水溶液pH 7-9。
其特點是:①分散效果好，對水泥漿的增密作用強;②引氣量少，早期強度發展較快;③適用於多種油井水泥，與其它外加劑有良好的相容性;④耐溫性超過普通的木質素磺酸鹽。除FDN外，國內主要同類產品有:UNF、CFR-H等。
磺化酮醛縮聚物磺化酮醛縮聚物類擴散劑是90年代初期研製成功的新型擴散劑產品。中原油田開發的SAF[7，8]和西南石油學院研製的SXY，已在許多油田套用。這類擴散劑的特點是:
①原材料來源比較廣泛，價格適當，不具有萘系擴散劑的毒性;
②抗溫能力較萘系產品有所提高;③同樣適用於多種油井水泥，與多數外加劑有好的相容性。與SAF、SXY相類似的產品還有USZ，在現場套用也見到了較好的效果。
水溶性密胺樹脂
水溶性密胺樹脂是由三聚氰胺、甲醛和焦亞硫酸鈉等原料，經加成、磺化、縮合反應製成的一種高分子化合物。國內建築行業用其作高效減水劑。用於油井水泥的水溶性密胺樹脂SMUF[10]已由中油氣公司工程技術研究院開發出來。由於採用了四步合成法新工藝，即加成、磺化、縮合及高溫熟化，產品的穩定性和減阻效果有了提高。它的主要特點是分散減阻效果更明顯，且無緩凝作用。它和萘系擴散劑一樣，具有穩定的六元共軛環結構，親水基團為磺甲基，比一般擴散劑的磺酸基有更強的水化作用。其不足之處是價格較高，限制了它的推廣套用。
乙烯基單體聚合物及其衍生物
乙烯基單體聚合物及其衍生物作為油井水泥擴散劑，其特點是穩定性好、耐高溫、不引氣、減阻效果好，還特別耐鹽。缺點是成本價格相對較高。如中原油田和北京石油勘探開發科學研究院油田化學所共同研製的DC-08，分散能力強，耐鹽可達到飽和。吳安明等合成的聚苯乙烯磺酸鈉(SPS)，其減阻效果良好，磺化度達到一定值(約為0.60)的SPS均具有強的抗鹽析能力，在飽和NaCl溶液中不沉澱析出。侯吉瑞等研製的磺化苯乙烯-馬來酸酐共聚物(SSMA)是一種性能優良的擴散劑。SSMA套用於MTC水泥漿(泛指由鑽井液轉變成的水泥漿)效果很好。
多羥基羧酸(鹽)
這類擴散劑主要有檸檬酸、酒石酸、水楊酸等及其鹽。主要特點是分散性強併兼有緩凝效果，特別適用於飽和鹽水水泥漿體系。如中原油田和河南大學共同研製的鹽系分散緩凝劑SS-01，滿足了飽和鹽水水泥漿固井需要，解決了中原油田岩鹽層固井問題。西南石油學院研製的擴散劑SN-1，與以AM/AA二元共聚物為主的降濾失劑相容性好，成功地進行了多口井的固井施工。同類產品還有CA-15[16]等。
其它
除了上述介紹的幾大類擴散劑外，還有許多緩凝劑同樣具有較強的分散減阻效果。如糖類、有機膦類。
國外油井水泥擴散劑簡介
國外使用的油井水泥擴散劑分為通用型、飽和鹽水型和抗沉降型。按其化學組分可歸納為以下幾大類:
①木質素磺酸鹽及其衍生物;
②聚萘磺酸鹽類;
③磺化酮醛縮聚物;
④水溶性密胺樹脂;
⑤磺化乙烯基單體聚合物及其衍生物;
⑥檸檬酸類;
⑦AMPS(2-丙烯醯胺基-2-甲基丙磺酸)聚合物類;
⑧其它，如糖類等。
美國《World Oil》雜誌1998年3月出版的第3期87— 99頁“固井水泥產品與外加劑(CementingProducts and Additives)”一文中，報導了世界五大公司油井水泥擴散劑產品的情況，參見表。
