摘要

针对调整井在动态压力作用下，水侵导致的环空窜流问题，以AMPS、AM、MA、和St为原料，以自由基胶束聚合法，合成了一种固井水泥浆用水溶性疏水缔合聚合物HAWSP-L，其结构经IR和SEM表征。HAWSP-L的水泥浆性能评价结果表明：HAWSP-L具备良好的抗水侵能力，含HAWSP-L的水泥浆抗窜通压力达到5.3MPa。

由于长期注水开发，注水井地层压力紊乱，加之注采不平衡及注水泥过程环空带压，地层形成动态压力。动态压力下，地层水会持续波动地侵扰候凝过程中的环空水泥浆，使浆体处于波动候凝状态，影响二界面胶结质量，从而破坏水泥环层间封隔的完整性，诱发地层流体窜流，影响油井正常生产，甚至导致油井报废。研发具有良好抗水侵性能的材料、设计抗水侵防窜水泥浆体系是保证调整井固井质量的重要措施。

疏水缔合聚合物是一种亲水链含少量疏水基团（占总单体的摩尔分数小于2%）的高分子聚合物。在低浓度疏水缔合聚合物溶液中，受聚合物分子中疏水基团的影响，会形成以分子内缔合为主的聚集体，使聚合物的大分子发生卷曲，导致其流体力学体积会减少，特性粘数降低。当溶液中的疏水缔合聚合物的浓度值高于临界值时，疏水缔合聚合物大分子链将形成以分子间缔合为主的超分子网状结构，这种超分子网状交联结构在高剪切作用下会被破坏。但当剪切作用消除后，聚合物大分子之间的“交联网状”将重新生成，使溶液粘度再度恢复。因此，疏水缔合聚合物有利于保持水泥浆体的稳定性，提高水泥浆的防窜能力。

鉴于此，本文以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），丙烯酰胺（AM），马来酸酐（MA）和丙烯酸十八酯（St）为单体，十二烷基硫酸钠（SDS）为表面活性剂，过硫酸钾为引发剂，采用自由基胶束合成法合成了一种新型四元疏水缔合聚合物HAWSP-L，其结构经IR和SEM表征，并研究了含HAWSP-L的水泥浆的抗水侵和抗压性能。

1. 实验部分

1.1 仪器与试剂

l WQF520型红外光谱仪（KBr压片）；

l FEI Quanta450型扫描电镜；

l NYL-300型压力测试机；

l DKZ-500型电动抗折机。

u AMPS，AM，MA，St，SDS，分析纯，成都科龙试剂厂；

u G级油井水泥，工业品，四川嘉华水泥厂；

u SXY分散剂、SWJ-1降失水剂、工业品，成都川锋化学工程有限公司；

u X60L消泡剂，卫辉化工有限公司；

u 其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

按质量比AM/AMPS/MA/St为100/15/10/2加入单体和去离子水20mL，表面活性剂SDS的用量为反应单体总量的0.35%，加入去离子水50mL，调至pH中性，引发剂加量为0.44%，氮气保护下于60℃反应至终点。用乙醇洗涤，产品冷冻干燥备用。

1.3 性能测试

基础水泥浆体系：嘉华G级水泥+0.3%SXY分散剂+1%SWJ-1降失水剂+0.2%X60L消泡剂+44%水。

(1) .抗水侵性能

用自制环空动态压力窜流测试仪，模拟地层水在动态压力作用下侵入水泥浆的过程。以模拟地层水为水源，通过平流泵，往釜体底盖的水流入口处，注入水流，水流压力进行动态调整：先是对测试仪中的水泥浆缓慢施加水压至试验压力5.0MPa，稳压1h，缓慢泄压至常压，常压保持30min。循环至水泥浆终凝，于60℃养护1d，测试水泥浆的窜通压力及二界面胶结强度。

(2) .力学性能

按文献方法测定不同加量HAWSP-L对水泥石的抗压、抗折强度的影响。

(3) .其它性能

按照《SY/T 5504.4-2008油井水泥外加剂评价方法》和《SY/T 6544-2017油井水泥浆性能要求》测试了水泥浆的稠化性能。

2. 结果与讨论

2.1 表征

(1) . IR

  图1为聚合物的IR谱图。由图1可知，3443cm^-1处特征峰为羟基和AM中N-H的伸缩振动吸收峰，2930和2864cm^-1处特征峰为St的亚甲基的振动吸收峰，1673cm^-1处特征峰为C=O的伸缩振动吸收峰，1420cm^-1处特征峰为甲基的弯曲振动吸收特征峰。1195cm^-1处特征峰为St中C-O-C的特征吸收峰，1120和1198cm^-1处特征峰为AMPS中磺酸基的伸缩振动特征吸收峰，900~1000cm^-1无特征峰，说明聚合物不含有C=C，1445和1560cm^-1处特征峰为MA中羧基的振动吸收峰。

(2) .SEM

  图2为HAWSP-L溶液的SEM照片。从图2可以看出，HAWSP-L溶液呈交联网状，HAWSP-L疏水基团的疏水作用使聚合物分子在水中形成超分子网络。即在疏水缔合聚合物的缔合作用下，分子间缔合使聚合物形成了超分子聚集体。溶液中形成这种网络结构有利于增强疏水缔合聚合物对水泥浆组分的内聚力，进而增强水泥浆候凝期间抗外界侵扰的能力，最终提高水泥环的防窜能力。

2.2 性能

(1) 抗水侵性能

     图3为水侵压力对窜通压力的影响。由图3可知，水泥浆未水侵时，环空水泥石的窜通压力和二界面胶结强度分别为4.6和4.8MPa，受5MPa动态压力水侵后，窜通压力和二界面胶结强度分别为0.3和0.1MPa。

以0~5MPa的动态压力为水侵压力，评价了未加防窜剂的水泥浆及加0.5%HAWSP-L水泥浆的防窜能力，结果见图4。从图4可以看出，在动态压力水侵下，未加防窜剂的水泥浆凝结后的水泥环本体以及二界面均出现大裂缝。利用环空动态压力窜流测试仪测窜时，水泥环的本体及二界面均出现了窜流现象，窜通压力仅为0.1MPa。而加有0.5%HAWSP-L的水泥浆在凝结后水泥环本体及二界面均无明显的裂缝和孔隙。利用环空动态压力窜流测试仪测窜时，在水泥环本体出现了窜流，但窜通压力为5.3MPa，显著高于对比体系的0.1MPa。这表明合成的HAWSP-L提高了水泥浆动态压力候凝期间的抗水侵能力，使固化后的水泥环具有良好的防窜能力。