郭錦棠,喻文娟,肖 淼,曹 磊,郭 春
(1. 天津大學 化工學院,天津 300072;2. 天津中海油服化學有限公司,天津 300301)
海水水泥漿體系降失水劑LTF-100L的合成及性能
郭錦棠1,喻文娟1,肖 淼2,曹 磊1,郭 春1
(1. 天津大學 化工學院,天津 300072;2. 天津中海油服化學有限公司,天津 300301)
以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、不飽和雙羧基單體和不飽和陽離子單體二甲基二烯丙基氯化銨為原料合成了一種新型降失水劑(LTF-100L)。利用FTIR、GPC、流變測試和稠化實驗等分析了LTF-100L的結構,考察了它在海水水泥漿中的性能。表征結果顯示,LTF-100L為目標產(chǎn)物,Mw=4.3×105,Mn=3.5×105,Mw/Mn=1.25。在海水水泥漿體系中,當LTF-100L用量為3%(w)(基于水泥漿質量)時,水泥漿流性指數(shù)為0.909,稠度系數(shù)僅為0.153。LTF-100L能改善海水配漿過程中易觸變和易增稠的問題,避免水泥漿體系在低溫稠化實驗中出現(xiàn)“鼓包”和“包芯”的現(xiàn)象,具有良好的“停開機”稠度穩(wěn)定性。含LTF-100L的水泥漿早期強度發(fā)展較快,能滿足固井施工要求。
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸;N,N-二甲基丙烯酰胺;不飽和雙羧基單體;二甲基二烯丙基氯化銨;降失水劑;海水水泥漿;分散性;抗壓強度
隨著全球對能源需求的不斷增長,在石油儲量不斷減少的情況下,油田勘探開發(fā)已向海洋方面發(fā)展[1]。在海洋固井中,為節(jié)約成本,常常使用海水直接配制水泥漿[2]。但當前對于2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)類降失水劑的研究與應用主要集中在淡水水泥漿體系和鹽水水泥漿體系[3]。AMPS類降失水劑存在黏度大、分散性和抗鹽性差及低溫下強度發(fā)展慢等問題[4-6],如將其應用于海水水泥漿中,一方面,由于黏度大和分散性差,在海水配漿過程中易使水泥漿增稠[3],表現(xiàn)出較強的觸變性,不利于現(xiàn)場施工;另一方面,由于抗鹽性能差,在含一定濃度鹽的環(huán)境中其性質和溶解狀態(tài)會發(fā)生較大變化,嚴重時甚至會使其失去降失水的作用或影響水泥漿的其他性能[7];再者由于AMPS類降失水劑對水泥石的低溫強度有一定的影響,易導致水泥石強度發(fā)展緩慢,甚至出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象,進而影響固井質量[8]。
本工作以AMPS、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、不飽和雙羧基單體(XX)和不飽和陽離子單體二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)為原料,合成了一種新型降失水劑(LTF-100L)。利用FTIR和GPC分析了LTF-100L的結構,并通過流變測試和稠化實驗等分別考察了它在海水水泥漿中的控濾失性、流變性及稠化穩(wěn)定性等。
1.1 合成思路
主單體AMPS上的磺酸基可提高降失水劑的性能,如耐鹽性、水溶性及熱穩(wěn)定性[8]。耐水解單體DMAA的酰胺基除具有吸附作用外,還有較強的水化作用,通過吸附在水泥顆粒表面使其水化膜增厚,降低濾餅滲透率,減少失水量[9]。XX一方面可提高降失水劑對水泥顆粒的吸附性[6],從而提高降失水劑的控濾失能力;另一方面可增強降失水劑的分散性能[4],改善由海水配漿引起的增稠問題。DMDAAC的高分子鏈上同時含有陰陽離子基團,一方面可分別與帶負電或正電的水泥顆粒表面間產(chǎn)生較強的靜電排斥作用,使得降失水劑具有優(yōu)良的分散能力;另一方面,DMDAAC具有溫度伸縮特性,低溫下可調(diào)整緩凝基團的分散狀態(tài),使分子鏈處于蜷縮狀態(tài),將部分緩凝基團“包埋”于其形成的締合結構中,使其不發(fā)生緩凝作用,改善低溫下強度發(fā)展慢的問題[10]。
1.2 儀器與主要試劑
AMPS,DMAA,DMDAAC:工業(yè)級,北京瑞博龍石油科技發(fā)展有限公司;XX、過硫酸銨(APS)、 NaOH:分析純,天津市江天化工技術有限公司;山東勝濰G 級水泥:山東勝濰特種水泥有限公司;PC-G81L、緩凝劑PC-H21L:工業(yè)品,中海油服化學有限公司。
Bio-Rad FTS3000型紅外光譜儀:美國Bio-Red公司;TG-71型高溫高壓失水儀:日本島津公司;8040D型高溫高壓稠化儀:沈陽泰格石油儀器設備公司;YAW-300D型抗壓抗折一體機:美國Chandler工業(yè)儀器公司;ZNN-D6B型電動旋轉黏度計:青島同春石油儀器有限公司;多凝膠滲透色譜儀:Viscotek公司。
1.3 合成方法
在裝有溫度計、攪拌器、回流冷凝管的四口燒瓶中加入去離子水,然后依次加入一定比例的AMPS,XX,DMAA,DMDAAC(單體固含量20%(w)),并在250 r/min攪拌轉速下加入NaOH溶液調(diào)節(jié)反應體系pH=6;升溫至60 ℃,待反應物完全溶解后,向反應體系中滴加APS引發(fā)劑溶液,恒溫反應2 h;自然冷卻至室溫得到無色并具有一定黏度的降失水劑LTF-100L。
1.4 LTF-100L的純化
將LTF-100L置于透析袋(截留相對分子質量3 500)中,于蒸餾水中透析3 d,然后將透析袋中剩余液體置于冰箱中凍結,再將該固體置于凍干機中凍干,得到白色海綿狀固體,碾磨成白色粉末備用。采用GPC測試LTF-100L的相對分子質量及其分布,Mw=4.3×105,Mn=3.5×105,Mw/Mn=1.25。
1.5 水泥漿流變性能測試
按GB/T 19139—2003[11]規(guī)定的水泥漿流變性能的測試方法,采用ZNN-D6B型六速旋轉黏度計測定水泥漿的流變參數(shù),然后分別計算水泥漿的流變參數(shù)、流性指數(shù)(n)和稠度系數(shù)(K)。K主要反映水泥漿的黏度,K愈大,黏度愈大;n反映流體偏離牛頓流體的程度,n越小,表明越偏離牛頓流體。計算公式如下:
n= 2.096lg(τ511/τ170)K= 0.511τ511/511n
式中,τ511,τ170分別表示在剪切速率511,170 s-1下的剪切力,mPa。
1.6 水泥漿流動度測試
按GB/T 19139—2003[11]規(guī)定的方法測試水泥漿流動度:將拌好的水泥漿迅速倒入放在玻璃平板上的截錐圓模內(nèi),并用刮刀刮平上層面,將截錐圓模按垂直方向提起的同時,開始計時,任水泥漿在玻璃平板上流動,30 s后,測量水泥攤開后相互垂直方向的兩個最大直徑,取平均值為水泥漿的流動度。
2.1 FTIR表征結果
LTF-100L的FTIR譜圖見圖1。從圖1可看出,3 448 cm-1處為—NH2的伸縮振動峰;2 983, 2 940 cm-1處分別為—CH3和—CH2—的特征吸收峰;1 664 cm-1處為酰胺基團的特征吸收峰;由于羧酸變成了羧酸鹽,1 800 cm-1和1 760 cm-1處未出現(xiàn)特征吸收峰[12];1 557,1 398 cm-1處的吸收峰分別歸屬于—COO-的對稱和反對稱伸縮振動;1 455 cm-1處為DMDAAC形成的五元環(huán)內(nèi)與N+相連的亞甲基的特征吸收峰[13];1 220 cm-1處為C—N鍵的特征吸收峰;1 186,1 049,629 cm-1處為AMPS中—SO3H的特征吸收峰;同時在1 645~1 620 cm-1間未出現(xiàn)歸屬于C=C鍵的特征吸收峰[12],表明所有單體均參與聚合反應,因此LTF-100L是AMPS,DMAA,DMDAAC, XX的四元共聚物。
圖1 LTF-100L的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectrum of fuid loss additive LTF-100L.
2.2 LTF-100L的性能
2.2.1 LTF-100L的控濾失能力
將LTF-100L分別加入到海水水泥漿、半飽和鹽水水泥漿以及飽和鹽水水泥漿中,考察了50℃下LTF-100L用量與水泥漿API失水量的關系,結果見圖2。從圖2可看出,在LTF-100L用量相同時,水泥漿含鹽量越高,API失水量越大;隨LTF-100L用量的增大,API失水量呈逐步減小的趨勢。
圖2 LTF-100L用量對水泥漿API失水量的影響Fig.2 Efects of LTF-100L dosage on American Petroleum Institute(API) fuid loss of cement slurry.Cement slurry:800 g cement+saline water (m(saline water):m(cement)=0.44).Test condition:50 ℃.▲ Seawater;Saline water:■ 18%(w) NaCl;● 36%(w) NaCl
在海水和半飽和鹽水水泥漿中,當LTF-100L用量為3%(w)(基于水泥漿質量)時,API失水量分別為54 mL和96 mL,小于100 mL;在飽和鹽水水泥漿中,當 LTF-100L用量為5%(w)時可將API失水量控制在100 mL以內(nèi);繼續(xù)增大LTF-100L的用量,API失水量進一步減少,但降幅較小。由此可見, LTF-100L在海水、半飽和鹽水及飽和鹽水水泥漿中均具有良好的降濾失能力,這主要由于LTF-100L中含有功能性單體AMPS,AMPS磺酸基團的負離子很穩(wěn)定,對外界金屬離子進攻不敏感,很大程度提高了LTF-100L的抗鹽性能。
2.2.2 LTF-100L的流變性能
2.2.2.1 LTF-100L對海水水泥漿流動性的影響
普通降失水劑的相對分子質量較大,具有增稠作用,會導致水泥漿流動性變差,在海水水泥漿體系中增稠效應更為明顯,故通常需加入分散劑以改善海水水泥漿的流變性能。但分散劑在低溫下具有一定的緩凝副作用,為了保證海水水泥漿良好的綜合性能,分散劑允許的用量范圍很窄[4];同時,引入分散劑往往會引起一些負面效應,如減弱降失水劑的控濾失能力,甚至導致降失水劑失效[14]。因此,降失水劑的分散能力對于易增稠和觸變性強的海水水泥漿體系尤為重要。
LTF-100L用量對海水水泥漿流變性能的影響見表1。由表1可看出,當LTF-100L用量為3%(w)時,流性指數(shù)達到0.909,接近牛頓流體,稠度系數(shù)僅為0.153,水泥漿黏度低,觸變小,具有較好的流態(tài);當LTF-100L用量為4%(w)時,雖然流性指數(shù)減小到0.823,稠度系數(shù)增加到0.425,但較用量為3%(w)時變化幅度并不大,水泥漿仍具有較好的流 動性,這表明LTF-100L具有優(yōu)良的分散能力。
表1 LTF-100L對海水水泥漿流變性能的影響Table 1 Efect of LTF-100L on the rheological behavior of the seawater cement slurry
2.2.2.2 降失水劑的流動度
在海水水泥漿中分別加入降失水劑LTF-100L和PC-G81L,考察了不同降失水劑對海水水泥漿流動度的影響,結果見圖3。從圖3可看出,在水泥水化過程中,加入LTF-100L的海水水泥漿流動度在50 min內(nèi)從275 mm減少到230 mm,僅減少16.4%;但在相同時間段內(nèi),加入PC-G81L的水泥漿流動度從239 mm減少到139 mm,減少了41.8%,說明LTF-100L的分散能力優(yōu)于PC-G81L。
含LTF-100的水泥漿顆粒分散示意見圖4。從圖4可看出,一方面,在水泥水化過程中,由于LTF-100L中含有羧酸基團和酰胺基,這些強吸附性基團通過和鈣離子螯合而吸附在水泥顆粒表面,未吸附的分子鏈伸展在液相中,在水泥顆粒表面形成“水泥顆粒-線型水溶性高分子-水分子吸附層”的立體結構[15],這種空間位阻作用阻礙了水泥顆粒的團聚;另一方面,LTF-100L中陰離子基團和高電荷密度的陽離子基團分別與帶負電荷或正電荷的水泥顆粒表面之間產(chǎn)生較強的靜電排斥作用,促使聚結的水泥顆粒分散開[16]。由于這兩種作用的相互影響,降失水劑LTF-100L明顯提升了水泥漿的流變性能。
圖3 不同降失水劑對海水水泥漿流動度的影響Fig.3 Efects of diferent fuid loss additives on the fuidity of the seawater cement slurry.Cement slurry referred to Table 1.Test conditions:50 ℃,3% (w) fuid loss additive.
圖4 含LTF-100L的水泥漿顆粒分散示意Fig.4 Schematic illustration of dispersed particles in cement slurry containing LTF-100L.
2.3 稠化性能評價
適宜的初始稠度以及良好的稠化線性是保證施工安全的前提[17]。海水水泥漿體系在稠化過程中極易出現(xiàn)“鼓包”和“包芯”現(xiàn)象。這是因為,海水中的氯化鈣使水泥漿觸變性增強[18];海水中的高價金屬陽離子和聚合物分子間“架橋”或形成某些網(wǎng)狀結構[18]使水泥漿體系流動時阻滯力增大,嚴重增稠。在評價LTF-100L稠化性能時,將其與緩凝劑配伍進行稠化實驗。
2.3.1 LTF-100L的稠化曲線
含LTF-100L的海水水泥漿在50 ℃下的稠化曲線見圖5。從圖5可看出,稠度曲線平穩(wěn),水泥漿體系未出現(xiàn) “包芯”現(xiàn)象,并且水泥漿初始稠度適中(約為19 Bc),過渡時間較短(12 min),符合固井作業(yè)的要求。實驗結果表明,LTF-100L能改善海水配漿過程中易觸變和易增稠的問題,使水泥漿體系在低溫稠化實驗中避免“鼓包”和“包芯”的現(xiàn)象,具有優(yōu)良的分散能力。
圖5 含LTF-100L的海水水泥漿的稠化曲線Fig.5 Thickening curves of the seawater cement slurry containing LTF-100L.Cement slurry referred to Table 1.Test conditions:50 ℃,25 MPa,3% (w) LTF-100L.
2.3.2 停開機實驗
為防止水泥漿在靜置作業(yè)過程中出現(xiàn)過膠凝現(xiàn)象,對含LTF-100L的海水水泥漿(添加一定的PC-H21L緩凝劑)進行了停開機實驗,稠化曲線見圖6。從圖6可看出,LTF-100L 制備的海水水泥漿停機10 min再開機后觸變較小,稠度增幅不大,遠小于40 Bc的可泵稠度[3],說明具有良好的“停開機”稠度穩(wěn)定性。
2.4 抗壓強度分析
LTF-100L對水泥漿抗壓強度的影響見圖7。從圖7可知,含3%(w)LTF-100L的水泥漿在8 h后抗壓強度為3.7 MPa,雖然相對純水泥強度下降了73.94%,但已能達到支撐套管所需的軸向載荷,滿足繼續(xù)鉆井的要求[7];24 h后,含3%(w)LTF-100L的水泥漿的強度為25.0 MPa,相對純水泥下降了16.67%;隨時間的延長,含3%(w)LTF-100L的水泥漿的抗壓強度繼續(xù)增長,但增長趨勢減緩。實驗結果表明,含LTF-100L的水泥漿的早期強度發(fā)展較快,但后期強度變化幅度較小,說明LTF-100L無明顯緩凝作用,能較好地滿足固井施工的要求。
圖6 LTF-100L停開機實驗的稠化曲線Fig.6 Thickening curves of the starting up test after stopping ten minutes.Cement slurry referred to Table 1.Test conditions referred to Fig.5.
圖7 LTF-100L對水泥漿抗壓強度的影響Fig.7 Efects of LTF-100L on the compressive strength of the cement slurry.Cement slurry referred to Table 1.Test conditions:50 ℃■ 3% (w) LTF-100L; ■ Without LTF-100L
1)以AMPS,DMAA,DMDAAC,XX為原料,通過自由基水溶液聚合,合成了降失水劑LTF-100L。LET-100L的Mw=4.3×105,Mn=3.5×105,Mw/Mn=1.25。
2)LTF-100L具有優(yōu)良的分散能力,在海水水泥漿體系中,當LTF-100L用量為3%(w)時,水泥漿流性指數(shù)達到0.909,接近牛頓流體,稠度系數(shù)僅為0.153。流動度實驗結果表明,在海水水泥漿體系中,LTF-100L的分散能力優(yōu)于PC-G81L。
3)LTF-100L能改善海水配漿過程中易觸變和易增稠的問題,使海水水泥漿體系在低溫稠化實驗中避免“鼓包”和“包芯”的現(xiàn)象。LTF-100L 制備的海水水泥漿停機10 min,開機后觸變較小,稠度增長不大,遠遠小于40 Bc的可泵稠度,具有良好的“停開機”稠度穩(wěn)定性。
4)含LTF-100L的水泥漿早期強度發(fā)展較快,能夠滿足固井施工要求。
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(編輯 鄧曉音)
Northatar聚合物公司推出新的非黏性表面聚氨酯凝膠鑄模樹脂配方
Rubb World,April 12,2016
NorthStar聚合物公司推出非黏性表面聚氨酯凝膠鑄造樹脂配方(NTG-9)。大部分傳統(tǒng)的聚氨酯凝膠產(chǎn)品,如用于電腦鍵盤的手腕和自行車座套,是在柔韌性薄膜或織物罩內(nèi)封裝聚氨酯凝膠材料而制得。這是由于聚氨酯凝膠的表面很黏,這對許多緩沖產(chǎn)品是不利的。這種覆膜產(chǎn)品設計還致力于許多應用。但需要一個更費時的過程。
新配方NTG-9可以制成不需薄膜/織物覆蓋的減震部件。這使產(chǎn)品設計師能更廣泛的自由設計并以更高的生產(chǎn)速率生產(chǎn)產(chǎn)品。NTG-9為具有良好的減震效果、比常用聚氨酯凝膠配方更好的強度和低黏性表面的軟彈性材料的服務應用而設計的一種聚氨酯凝膠配方。而典型的聚氨酯凝膠配方是使用另一種薄膜或織物材料覆蓋在產(chǎn)品表面,NTG-9不需要這樣的表面覆蓋結構。這允許用戶在模具中制備獨立運行的聚氨酯凝膠部件,不需預制柔軟性薄膜/層壓材料。這種元件材料的低黏度值允許在高分辨率下輕易處理和復制模具表面。類似于其他聚氨酯凝膠材料,NTG-9像軟質泡沫一樣不易見底。
NTG-9配方生產(chǎn)的材料可用于:1)緩沖/填充產(chǎn)品作為壓力點支持部分補充軟泡沫墊;2)用來生產(chǎn)手柄和填充部件用于體育用品、健身器材和工具等產(chǎn)品;3)可用于熱塑性彈性體 (TPE)類聚合物所使用的類似應用。而TPE聚合物需要高溫和高壓注塑工藝, 用NTG-9配方生產(chǎn)的材料可在室溫環(huán)境壓力模具中加工。
Synthesis and properties of LTF-100L fluid loss additive available in seawater-based cement slurry system
Guo Jintang1,Yu Wenjuan1,Xiao Miao2,Cao Lei1,Guo Chun1
(1. School of Chemical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2. COSL Chemicals Ltd.,Tianjin 300301,China)
A new fluid loss additive(LTF-100L) was synthesized from 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid,N,N-dimethyl acrylamide,unsaturated dicarboxylic acid and unsaturated cationic monomer dimethyl diallyl ammonium chloride. Its structure and performances in seawaterbased cement slurry were investigated by means of FTIR,GPC,rheology test and thickening experiments. The results showed that LTF-100L was the target product withMwof 4.3×105,Mnof 3.5×105andMw/Mnof 1.25. When the LTF-100L content was at 3%(w)(based on the mass of the cement slurry),the rheological behavior index of the cement slurry reached 0.909 and the consistency coefficient was 0.153 only. The phenomena like thixotropy and thickening in the preparation of the sea-water cement slurry can be improved by adding LTF-100L to avoid undesirable “false set” or“abnormal gel” in the thickening experiments,and the sea-water cement slurry exhibited a good stopping-starting up stability. The early strength of the cement slurry containing LTF-100L developed rapidly, which could meet the requirement of cementing operation.
2-acrylamido-2-methyl-propane sulfonic acid;N,N-dimethyl acrylamide;unsaturated dicarboxylic acid;dimethyl diallyl ammonium chloride;fuid loss additive;seawater-based cement slurry;dispersibility;compressive strength
1000 - 8144(2016)08 - 0988 - 06
TE 256
A
10.3969/j.issn.1000-8144.2016.08.017
2016 - 02 - 04;[修改稿日期]2016 - 05 - 23。
郭錦棠(1968—),女,遼寧省葫蘆島市人,博士,教授,電話 13821341810,電郵 jtguo@tiu.edu.cn。
國家科技重大專項(2011ZX05021-004)。