脂肪族水泥分散劑的改良與制備

王婧，李麗華，張金生，梁路，王雪

(遼寧石油化工大學石油化工學院，遼寧撫順 113000)

油井水泥分散劑用于油氣井的注水泥作業中改善水泥漿的流動性，降低流動阻力，減小施工壓力防止“井漏”。在較小的泵送速度下達到紊流，提高對井壁和套管的沖刷效果，提高固井質量。脂肪族分散劑由于其原料來源廣、價格低廉、污染小、耐高溫［1］等優點受到廣泛使用。同時分散劑隨油井的建立、長距離遷移及難以生物降解，對生態系統造成破壞。近年來，國家倡導環境友好型產品，所以研制易降解的分散劑具有重要現實意義。利用脂肪族分散劑分子中存在的雙鍵具有共聚合成的可能，國內外已有許多改性脂肪族分散劑的報道［2-5］。根據結構-生物降解相關性原理，試驗2種酰胺類物質分別接枝脂肪族分散劑的高分子主鏈，將其支鏈末端連接的非主導性基團羰基轉變為氨基化合物［CONR2］［6］，通過曼尼希反應合成的易生物降解的水泥分散劑性能優良。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

甲醛、丙酮、亞硫酸氫鈉、亞硫酸鈉、2種改性酰胺均為分析純;水泥分散劑SAF、SAF-1、SAF-2及緩凝劑、早強劑等為實驗室自制;G級油井水泥。

D2004W電動攪拌器;766-3遠紅外輻射干燥箱;WQF-520傅里葉變換紅外光譜儀;OWC常壓、增壓稠化儀;OWC2990F增壓養護釜;DRFSX數顯恒溫電熱套。

1.2 分散劑的制備

根據醛酮反應機理［7-8］和曼尼希反應，合成路線如下:

先制備一般分散劑SAF。于裝有冷凝器、機械攪拌器、溫度計和加料漏斗的四頸燒瓶中加入定量的亞硫酸鈉和水，常溫下緩慢滴加丙酮、甲醛、亞硫酸氫鈉的混合液，維持溫度不超過70℃，保溫1 h。升溫至95℃保溫2 h。用旋轉蒸發儀蒸至固含量顯著，放入烘箱中保持溫度低于70℃烘干為止。在縮聚反應前分別加入定量的甲酰胺或者尿素，即合成新型分散劑。新合成分散劑烘干后用乙醇超聲振蕩洗滌。

2 結果與討論

2.1 流變性能測試

在85℃常壓下，采用SY/T 5546—92所規定的油井水泥應用性能試驗方法，研究不同摻量下的水泥漿流變性能，結果見表1。

表1 分散劑對水泥漿流變性的影響Table 1 The effect of different dispersant on rheology of slurry

由表1可知，隨3種分散劑摻量的增加，粘度越來越小，減小幅度有所不同。在所測范圍內，2種改性后的分散劑性能均略好于原分散劑。脂肪族高分子的主鏈沒變，改性后增加了一個酰胺基，是親水基，吸附水泥粒子，既產生有靜電排斥力的基團，又產生立體排斥力的基團。不同程度的阻礙或者破壞了水泥顆粒的絮凝結構，釋放游離水，同時與水分子形成氫鍵締合，阻止了水泥粒子之間的聚結。宏觀上則表現為水泥漿流動程度增加，需水量減小。單就流變性能而言，3種分散劑的最優摻量大約是0.6%。

2.2 稠化時間

在溫度為85℃，初始壓力為10.3 MPa，最終壓力為70.3 MPa，升溫時間為44 min的實驗條件下，按照GB/T 19139規定的方法，測試3種不同分散劑的水泥稠化時間，結果見圖1。

圖1 摻有3種水泥分散劑的稠化曲線(B.酰胺Ⅰ改性，C.酰胺Ⅱ改性)Fig.1 The thickening curve of three dispersants cement slurry

由圖1可知，加入0.6%的2種改性后的分散劑與加入原分散劑的稠度沒有顯著區別，都大大降低了水泥的稠度。在稠化時間上，2種改性后的產品都有不同程度的緩凝，稠化時間延長。是由于胺基化合物［9-10］本身作為一種緩凝劑起到延長了水泥水化期和結構形成的作用。

2.3 抗壓強度

在養護溫度為110℃的條件下，按照 GB/T 19139規定的方法，分別進行純水泥凈漿水泥石和加有分散劑的水泥石抗壓強度測試，養護時間為24 h，再計算兩者的與水泥凈漿的抗壓強度之比，結果見表2。

由表2可知，摻加3種水泥分散劑后的水泥石抗壓強度沒有顯著差別。隨著分散劑摻量的增加，降低了水泥的膠凝強度，增大了水泥比表面積，從而水泥石的毛細通道增多，大力分散了水泥漿，最終導致水泥石強度的降低。水泥石的抗壓強度逐漸降低。

在110℃下，加入了新合成的水泥分散劑后，水泥石的抗壓強度與空白試驗對比均大于1.0，高于標準的抗壓強度要求。

表2 分散劑對水泥石抗壓強度的影響Table 2 The effect of dispersants on compression strength of cement

2.4 2種新分散劑的光譜表征

將2種改進后的產物烘干、磨細，再經乙醇沉淀過濾，用KBr壓片紅外光譜儀進行表征，見圖2。

圖2 2種新分散劑的紅外譜圖Fig.2 IR of two new dispersants

3 結論

(1)由2種酰胺類物質合成了易降解水泥分散劑。脂肪族分散劑與酰胺類均含有雙鍵，反應合成容易、迅速，不改變高分子脂肪鏈，對于環境保護有重要促進意義。

(2)按曼尼希反應的要求，在分散劑合成后期加入其它物質共聚合成目標基團。對其分散性能、稠化時間和抗壓強度分別進行研究。結果表明，摻量在0.6%時，合成2種新型易降解的水泥分散劑與原先分散劑在流變性上沒有顯著差別，稠化時間上有所延長，抗壓強度達到較高標準要求。

［1］黃泓，蔣林華，王毅，等.脂肪族羥基磺酸鹽縮合物SAF減水劑的合成與應用［J］.中國科技成果，2010，23(11):38-40.

［2］楊炳勇，吳永忠，張路.木鈣復配引氣型脂肪族高效減水劑合成研究［J］.山東化工，2011，40(11):27-30.

［3］魏銘，方嵩.木鈉改性高效減水劑的合成與效果評價［J］.廣州化工，2011，39(13):82-84.

［4］陳國新，杜志芹.木質素磺酸鈉接枝改性脂肪族高效減水劑的研究［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］徐光紅，楊春貴，龍寶良.磺化丙酮甲醛縮聚物的合成原理及最優工藝探討［J］.西南科技大學學報，2007，22(2):9-12.

［8］龐金興，張超燦，熊焰，等.SAF的合成機理及分散性能研究［J］.武漢理工大學學報，2002，24(6):29-31.

［9］何英，徐依吉，王槐平，等.新型油井水泥分散劑SDJZ-1的研制與應用［J］.天然氣工業，2006，26(7):79-81.

［10］趙寶輝，鄒健龍，劉愛萍，等.適用于長封固段固井的新型緩凝劑［J］.鉆井液與完井液，2011，28(增刊):10-12.