油井水泥分散剂FS 的研制
谭文礼 （中国石油集团工程技术研究院，天津，塘沽）
摘要 通过对萘系分散剂的改性研究，开发出一种可适合油井水泥的新型分散剂FS 。该分散剂与我国油田所使用的成膜类降失水剂具有良好的相容性，消除了萘系分散剂不能与该降失水剂相容的传统观念。FS 分散剂与酮醛类分散剂相比具有在水中溶解不漂浮、不起尘、毒性小和使成膜降失水剂与多种缓凝剂相容等特点。 关键词：分散剂 水泥浆 减阻作用 失水控制 耐温性
油井水泥分散剂是降失水剂、分散剂、缓凝剂三大油井水泥外加剂之一。水泥浆的设计过程中，常离不开分散剂，分散剂具有使制浆容易进行、增密、吸附在水泥颗粒表面从而解除水泥颗粒团聚等特点。尤其当水泥浆中掺有高分子量的聚合物时，常常必须辅有分散剂才能改善制浆效果，降低水泥浆的稠度。目前固井水泥浆中使用最广泛的分散剂为酮醛类缩合物，该分散剂由于与成膜降失水剂相容性好，从而得到大量地推广应用。但是酮醛类分散剂在现场应用时存在某些缺陷：粉体粉尘大引起毒性大、水溶时易漂浮、在成膜降失水剂中掺入酮醛类分散剂时仍未解决在中温段（60-100℃）时与缓凝剂的相容问题。针对上述问题，我们通过对萘系分散剂的改性，研制出新型油井水泥分散剂FS 。它具有如下特点：在宽温度范围内与成膜降失水剂相容（30-120℃）；具有较好的减阻作用；能够减弱成膜降失水剂因交联作用引起的触变结构，且可有效地改善失水控制；能扩展与成膜降失水剂相容的缓凝剂种类；此外与高和中抗硫水泥相容。
FS 分散剂的制备和实验方法 1. 制备方法
将萘系分散剂、改性剂在适当的条件下进行加工，然后经过表面处理、干燥、粉磨就制成油井水泥分散剂FS 。
2. 实验方法
采用美国Chandler 公司生产的系列油井水泥性能测试仪，按照API Spec 10的测试方法测定水泥浆的各项参数。
FS 分散剂对水泥浆性能的影响和与其它外加剂的相容性 1. 掺FS 分散剂的水泥浆制浆情况
1.1单掺FS 分散剂的制浆和水泥浆体稳定性
在水泥中掺入分散剂，能够有效地改善水泥浆的制浆性能，大幅度地增加水泥浆的流动性能，消除水泥颗粒的团聚现象，从而改善水泥浆的动态流动特性。不过分散剂的掺入同时也容易引起水泥浆体的过度分散，导致水泥颗粒与液体之间的分离现象。典型情况是掺入分散剂后引起水泥颗粒的沉降，产生游离液，从而把水泥浆体变成一个不稳定的体系。通过研究掺入FS 分散剂，其水泥浆的制浆和加温后水泥浆体的稳定性如表1所示。
表1 单掺FS 分散剂后制浆和浆体稳定性
FS 分散
序号 剂（%） 1 2
1.6 2.0
流动度(cm) 26 29
静放2分钟 浆稀，无沉降
制浆后
静放10分钟 有轻微触变，无沉降
60℃下加温20分钟后 浆稀，筒底无沉降 浆稀，筒底无沉降
浆稀，无沉降 触变结构极弱，无沉降
在水泥中单掺FS 分散剂的研究表明，所研制的FS 分散剂具有良好地制浆性能，具有减阻和提高水泥浆流动度的作用。此外所制备的水泥浆还具有一定地弱触变特性，这种性能能够消除由于减阻过度所引起的水泥浆中颗粒的沉降作用，使得水泥浆体呈匀质状态，而且掺入FS 分散剂的水泥浆在加温后仍然能使水泥浆在高流动状态时同样处于均相体系。
1.2降失水剂和分散剂同掺时制浆和浆体稳定情况
在掺有成膜降失水剂的水泥浆体中，掺入FS 分散剂观察水泥浆的制浆情况，包括水泥颗粒下灰时的润湿情况、流动度、沉降情况和水泥浆静放后浆体的变化。实验测试结果见表2。
表2 FS分散剂与降失水剂同掺时的制浆情况
序
降失水
FS 分散
润湿
流动度 (cm) 24 26 26 24 24
静放2分钟后触变结构 小 无 无 轻微 稍强
静放5分钟后浆体变化 无沉降，有轻微结构，稍一搅动就稀 无沉降，有轻微结构，稍一搅动就稀 无沉降，有轻微结构，稍一搅动就稀 无沉降，有轻微结构，一搅动就稀 无沉降，结构强，经搅动仍显稠
号 剂（%） 剂（%） 情况 1 2 3 4 5*
0.6 0.6 0.6 0.8 0.6
1.0 1.4 2.0 1.4 0.5
快 快 快 快 快
注：序号5中分散剂为酮醛类。
FS 分散剂与降失水剂同掺的制浆研究表明，该FS 分散剂具有良好地减阻分散作用，可减
弱掺入降失水剂后所引起的增粘和触变结构，尤其是具有使水泥浆在静放较长时间后仍然保持良好流动的能力。这种特性的优点在于：现场注水泥当泵工作停止一段时间后，水泥浆的结构力仍较小，这样可减小泵工作启动压力，从而保证施工安全。
2. 掺入FS 分散剂后水泥浆的流变性能
水泥浆的流变参数是衡量分散剂的减阻性能好坏的重要指标。通过分散剂的加入可改变水泥浆的和易性和泵送性。一般检验分散剂的流变性能常常是在标准水灰比下，测试水泥浆的屈服值、塑性粘度、流型指数和稠度系数等流变参数。不同条件下单掺FS 油井水泥分散剂的水泥浆流变性能见3所示。
表3 FS分散剂对水泥浆流变参数的影响
序号
FS 掺量 （%） 1 2
表3对掺FS 分散剂的水泥浆的流变参数测定说明，在油井水泥中掺入FS 分散剂能够有效地改善水泥浆的流变特性。当温度增加时，FS 分散剂能够消除水化速度快所引起的水泥颗粒的团聚现象，表现在水泥浆的结构应力显著降低，触变结构减弱，塑性粘度较小，同时水泥浆体趋近幂律流体，n 值明显趋于1。
1.6 2.0
0.72 0.81
0.63 0.88
0.18 0.072
0.22 0.039
0.0255 0.0165 2.81
2.81
30℃
n 60℃
k (pa ·s ) 30℃
60℃
n
μ(p) 30℃
60℃
τs (pa ) 30℃
60℃
0.0195 0.0177 1.28 0.664
3. FS分散剂对降失水剂的改进作用
分散剂掺入水泥中消除了团聚的水泥颗粒，使水泥浆体具有更好的匀质性，从而能改进水泥浆的失水控制，这种作用必须建立在分散剂与降失水剂相容的基础上。对于目前广泛被应用的成膜类降失水剂来说，由于聚合物溶解缓慢或者只能部分溶胀，所以常干混在水泥中。它控制失水的机理为通过无机盐与聚合物分子链上的水溶性官能团的络合作用，形成大分子交联体，从而阻止水泥浆中的滤液渗透。这种降失水剂体系缺点为在温度较低时，失水控制重现性差。常因为原材料或水泥变换引起失水不能控制，从而增加了许多调试和重复工作。这种情况下，即便引入酮醛类分散剂也只能起到分散水泥颗粒和改善制浆性能上，对水泥浆的失水控制改善较小。目前所研制的FS 分散剂，除了可有效地改善水泥浆的制浆性能外，更
重要的是能够使成膜降失水剂在很宽松的条件下（包括原材料变化和水泥品种与批次改变）具有良好的失水控制能力。在成膜降失水剂体系中掺入FS 分散剂的水泥浆体系的失水控制能力实验结果见表4。
表4 30℃下FS 分散剂对成膜降失水剂的影响
序号 1 2
0.5
3 4
表4明显表明，按照API 失水实验方法，当实验温度和单掺成膜降失水剂掺量较低时，水泥浆的失水控制能力较差，基本没有失水控制作用。随着FS 分散剂的掺入起到了明显的失水改进作用，FS 分散剂掺量越大， 降失水效果越显著。实验表明高掺量FS 分散剂水泥浆具有稳定性，说明失水控制并不是因沉降而引起的。这就说明，FS 分散剂能与成膜降失水剂相容，在改善水泥浆流动性能的同时，也改善了降失水剂的作用，增强了失水控制功能，所以无需在增加昂贵的降失水剂掺量下来控制失水（一般来说，增加降失水剂掺量，将引起水泥浆稠度增加，所以还必须同时掺入分散剂。），从而减少了工程上水泥浆的造价。
2.0 2.5
200 80
降失水剂（%）
FS 分散剂（%）
- 1.6
API 失水量(mL/6.9MPa,30min)
560 295
4. FS 分散剂掺入对成膜降失水剂和缓凝剂耐温的影响
多年以来，在深井、目的层封固的水泥浆中，降失水剂是必须采用的常规外加剂之一。近十年来，我国许多油田应用的降失水剂为成膜类，该体系具有失水控制能力强、对水泥石强度发展影响小等特点。自从与其相容的酮醛类分散剂被成功地应用以来，该降失水剂的应用范围得到很大的扩展。但是该体系困扰人们多年的难点在于缓凝体系的复杂，缓凝剂的选择空间小，尤其在水泥中具有较好缓凝能力的羟基羧酸盐类与其相容性很差。当羧酸盐类掺入到该体系中极易引起“鼓包”现象，导致水泥浆稠化。为了改进成膜降失水剂水泥浆的这种稠化特性，所研制的FS 分散剂就具有消除“鼓包”的功能，使得羟基羧酸盐类在低掺量时可与该降失水剂相容，这样就减少了缓凝剂的复杂性。实验结果见表5。
表5考察了在成膜降失水剂体系中掺入FS 分散剂后，在不同的温度下羟基羧酸盐的缓凝特性。结果说明由于FS 分散剂的掺入，明显地改善了成膜降失水剂体系缓凝效果。在较低温度时，缓凝剂掺量较小就具有较好地延长稠化时间的作用。随着温度的增加，适当地增加
缓凝剂的掺量，水泥浆的稠化时间能够调节，而且在一般被认为是温度盲区（100-120℃）的范围，水泥浆的稠化时间变化与缓凝剂的掺量之间具有较好的一致性。
表5 FS分散剂对成膜降失水剂的缓凝和耐温影响
序
降失水剂
FS 分散剂（%）
缓凝剂（%） 0.05 0.1
0.7 3 4
2
0.15 0.21
216 280
TT(min)
TT(min)
TT(min) 110℃55MPa 221 333
TT(min) 120℃60MPa
号 （%） 1 2
80℃40MPa 100℃52MPa 137 214
188 278
注：1、 80℃下为纯水泥；2、 100℃、110℃、120℃下皆为水泥和35%的硅粉组成；3、缓凝剂为羟基羧酸盐类。
结 论
通过对FS 油井水泥分散剂的研究表明：
1.FS 分散剂具有良好的减阻效果，可有效地改善水泥浆的流动性能；
2. FS分散剂与成膜降失水剂相容性好，能够较好地改善其低温失水控制能力，从而可拓宽降失水剂对原材料选择的依赖性，降低了昂贵的聚合物材料的加量，节约了成本，减少了水泥浆设计中的重复劳动。
3. FS分散剂的掺入最明显地是使成膜降失水剂水泥浆体系设计更为方便，对缓凝剂的依赖程度降低，扩大了缓凝剂的选择范围，同时使成膜降失水剂的缓凝体系变得简单。 4. FS分散剂还具有不起尘、溶解迅速，从而减少了对人体的影响。
油井水泥分散剂FS 的研制
谭文礼 （中国石油集团工程技术研究院，天津，塘沽）
摘要 通过对萘系分散剂的改性研究，开发出一种可适合油井水泥的新型分散剂FS 。该分散剂与我国油田所使用的成膜类降失水剂具有良好的相容性，消除了萘系分散剂不能与该降失水剂相容的传统观念。FS 分散剂与酮醛类分散剂相比具有在水中溶解不漂浮、不起尘、毒性小和使成膜降失水剂与多种缓凝剂相容等特点。 关键词：分散剂 水泥浆 减阻作用 失水控制 耐温性
油井水泥分散剂是降失水剂、分散剂、缓凝剂三大油井水泥外加剂之一。水泥浆的设计过程中，常离不开分散剂，分散剂具有使制浆容易进行、增密、吸附在水泥颗粒表面从而解除水泥颗粒团聚等特点。尤其当水泥浆中掺有高分子量的聚合物时，常常必须辅有分散剂才能改善制浆效果，降低水泥浆的稠度。目前固井水泥浆中使用最广泛的分散剂为酮醛类缩合物，该分散剂由于与成膜降失水剂相容性好，从而得到大量地推广应用。但是酮醛类分散剂在现场应用时存在某些缺陷：粉体粉尘大引起毒性大、水溶时易漂浮、在成膜降失水剂中掺入酮醛类分散剂时仍未解决在中温段（60-100℃）时与缓凝剂的相容问题。针对上述问题，我们通过对萘系分散剂的改性，研制出新型油井水泥分散剂FS 。它具有如下特点：在宽温度范围内与成膜降失水剂相容（30-120℃）；具有较好的减阻作用；能够减弱成膜降失水剂因交联作用引起的触变结构，且可有效地改善失水控制；能扩展与成膜降失水剂相容的缓凝剂种类；此外与高和中抗硫水泥相容。
FS 分散剂的制备和实验方法 1. 制备方法
将萘系分散剂、改性剂在适当的条件下进行加工，然后经过表面处理、干燥、粉磨就制成油井水泥分散剂FS 。
2. 实验方法
采用美国Chandler 公司生产的系列油井水泥性能测试仪，按照API Spec 10的测试方法测定水泥浆的各项参数。
FS 分散剂对水泥浆性能的影响和与其它外加剂的相容性 1. 掺FS 分散剂的水泥浆制浆情况
1.1单掺FS 分散剂的制浆和水泥浆体稳定性
在水泥中掺入分散剂，能够有效地改善水泥浆的制浆性能，大幅度地增加水泥浆的流动性能，消除水泥颗粒的团聚现象，从而改善水泥浆的动态流动特性。不过分散剂的掺入同时也容易引起水泥浆体的过度分散，导致水泥颗粒与液体之间的分离现象。典型情况是掺入分散剂后引起水泥颗粒的沉降，产生游离液，从而把水泥浆体变成一个不稳定的体系。通过研究掺入FS 分散剂，其水泥浆的制浆和加温后水泥浆体的稳定性如表1所示。
表1 单掺FS 分散剂后制浆和浆体稳定性
FS 分散
序号 剂（%） 1 2
1.6 2.0
流动度(cm) 26 29
静放2分钟 浆稀，无沉降
制浆后
静放10分钟 有轻微触变，无沉降
60℃下加温20分钟后 浆稀，筒底无沉降 浆稀，筒底无沉降
浆稀，无沉降 触变结构极弱，无沉降
在水泥中单掺FS 分散剂的研究表明，所研制的FS 分散剂具有良好地制浆性能，具有减阻和提高水泥浆流动度的作用。此外所制备的水泥浆还具有一定地弱触变特性，这种性能能够消除由于减阻过度所引起的水泥浆中颗粒的沉降作用，使得水泥浆体呈匀质状态，而且掺入FS 分散剂的水泥浆在加温后仍然能使水泥浆在高流动状态时同样处于均相体系。
1.2降失水剂和分散剂同掺时制浆和浆体稳定情况
在掺有成膜降失水剂的水泥浆体中，掺入FS 分散剂观察水泥浆的制浆情况，包括水泥颗粒下灰时的润湿情况、流动度、沉降情况和水泥浆静放后浆体的变化。实验测试结果见表2。
表2 FS分散剂与降失水剂同掺时的制浆情况
序
降失水
FS 分散
润湿
流动度 (cm) 24 26 26 24 24
静放2分钟后触变结构 小 无 无 轻微 稍强
静放5分钟后浆体变化 无沉降，有轻微结构，稍一搅动就稀 无沉降，有轻微结构，稍一搅动就稀 无沉降，有轻微结构，稍一搅动就稀 无沉降，有轻微结构，一搅动就稀 无沉降，结构强，经搅动仍显稠
号 剂（%） 剂（%） 情况 1 2 3 4 5*
0.6 0.6 0.6 0.8 0.6
1.0 1.4 2.0 1.4 0.5
快 快 快 快 快
注：序号5中分散剂为酮醛类。
FS 分散剂与降失水剂同掺的制浆研究表明，该FS 分散剂具有良好地减阻分散作用，可减
弱掺入降失水剂后所引起的增粘和触变结构，尤其是具有使水泥浆在静放较长时间后仍然保持良好流动的能力。这种特性的优点在于：现场注水泥当泵工作停止一段时间后，水泥浆的结构力仍较小，这样可减小泵工作启动压力，从而保证施工安全。
2. 掺入FS 分散剂后水泥浆的流变性能
水泥浆的流变参数是衡量分散剂的减阻性能好坏的重要指标。通过分散剂的加入可改变水泥浆的和易性和泵送性。一般检验分散剂的流变性能常常是在标准水灰比下，测试水泥浆的屈服值、塑性粘度、流型指数和稠度系数等流变参数。不同条件下单掺FS 油井水泥分散剂的水泥浆流变性能见3所示。
表3 FS分散剂对水泥浆流变参数的影响
序号
FS 掺量 （%） 1 2
表3对掺FS 分散剂的水泥浆的流变参数测定说明，在油井水泥中掺入FS 分散剂能够有效地改善水泥浆的流变特性。当温度增加时，FS 分散剂能够消除水化速度快所引起的水泥颗粒的团聚现象，表现在水泥浆的结构应力显著降低，触变结构减弱，塑性粘度较小，同时水泥浆体趋近幂律流体，n 值明显趋于1。
1.6 2.0
0.72 0.81
0.63 0.88
0.18 0.072
0.22 0.039
0.0255 0.0165 2.81
2.81
30℃
n 60℃
k (pa ·s ) 30℃
60℃
n
μ(p) 30℃
60℃
τs (pa ) 30℃
60℃
0.0195 0.0177 1.28 0.664
3. FS分散剂对降失水剂的改进作用
分散剂掺入水泥中消除了团聚的水泥颗粒，使水泥浆体具有更好的匀质性，从而能改进水泥浆的失水控制，这种作用必须建立在分散剂与降失水剂相容的基础上。对于目前广泛被应用的成膜类降失水剂来说，由于聚合物溶解缓慢或者只能部分溶胀，所以常干混在水泥中。它控制失水的机理为通过无机盐与聚合物分子链上的水溶性官能团的络合作用，形成大分子交联体，从而阻止水泥浆中的滤液渗透。这种降失水剂体系缺点为在温度较低时，失水控制重现性差。常因为原材料或水泥变换引起失水不能控制，从而增加了许多调试和重复工作。这种情况下，即便引入酮醛类分散剂也只能起到分散水泥颗粒和改善制浆性能上，对水泥浆的失水控制改善较小。目前所研制的FS 分散剂，除了可有效地改善水泥浆的制浆性能外，更
重要的是能够使成膜降失水剂在很宽松的条件下（包括原材料变化和水泥品种与批次改变）具有良好的失水控制能力。在成膜降失水剂体系中掺入FS 分散剂的水泥浆体系的失水控制能力实验结果见表4。
表4 30℃下FS 分散剂对成膜降失水剂的影响
序号 1 2
0.5
3 4
表4明显表明，按照API 失水实验方法，当实验温度和单掺成膜降失水剂掺量较低时，水泥浆的失水控制能力较差，基本没有失水控制作用。随着FS 分散剂的掺入起到了明显的失水改进作用，FS 分散剂掺量越大， 降失水效果越显著。实验表明高掺量FS 分散剂水泥浆具有稳定性，说明失水控制并不是因沉降而引起的。这就说明，FS 分散剂能与成膜降失水剂相容，在改善水泥浆流动性能的同时，也改善了降失水剂的作用，增强了失水控制功能，所以无需在增加昂贵的降失水剂掺量下来控制失水（一般来说，增加降失水剂掺量，将引起水泥浆稠度增加，所以还必须同时掺入分散剂。），从而减少了工程上水泥浆的造价。
2.0 2.5
200 80
降失水剂（%）
FS 分散剂（%）
- 1.6
API 失水量(mL/6.9MPa,30min)
560 295
4. FS 分散剂掺入对成膜降失水剂和缓凝剂耐温的影响
多年以来，在深井、目的层封固的水泥浆中，降失水剂是必须采用的常规外加剂之一。近十年来，我国许多油田应用的降失水剂为成膜类，该体系具有失水控制能力强、对水泥石强度发展影响小等特点。自从与其相容的酮醛类分散剂被成功地应用以来，该降失水剂的应用范围得到很大的扩展。但是该体系困扰人们多年的难点在于缓凝体系的复杂，缓凝剂的选择空间小，尤其在水泥中具有较好缓凝能力的羟基羧酸盐类与其相容性很差。当羧酸盐类掺入到该体系中极易引起“鼓包”现象，导致水泥浆稠化。为了改进成膜降失水剂水泥浆的这种稠化特性，所研制的FS 分散剂就具有消除“鼓包”的功能，使得羟基羧酸盐类在低掺量时可与该降失水剂相容，这样就减少了缓凝剂的复杂性。实验结果见表5。
表5考察了在成膜降失水剂体系中掺入FS 分散剂后，在不同的温度下羟基羧酸盐的缓凝特性。结果说明由于FS 分散剂的掺入，明显地改善了成膜降失水剂体系缓凝效果。在较低温度时，缓凝剂掺量较小就具有较好地延长稠化时间的作用。随着温度的增加，适当地增加
缓凝剂的掺量，水泥浆的稠化时间能够调节，而且在一般被认为是温度盲区（100-120℃）的范围，水泥浆的稠化时间变化与缓凝剂的掺量之间具有较好的一致性。
表5 FS分散剂对成膜降失水剂的缓凝和耐温影响
序
降失水剂
FS 分散剂（%）
缓凝剂（%） 0.05 0.1
0.7 3 4
2
0.15 0.21
216 280
TT(min)
TT(min)
TT(min) 110℃55MPa 221 333
TT(min) 120℃60MPa
号 （%） 1 2
80℃40MPa 100℃52MPa 137 214
188 278
注：1、 80℃下为纯水泥；2、 100℃、110℃、120℃下皆为水泥和35%的硅粉组成；3、缓凝剂为羟基羧酸盐类。
结 论
通过对FS 油井水泥分散剂的研究表明：
1.FS 分散剂具有良好的减阻效果，可有效地改善水泥浆的流动性能；
2. FS分散剂与成膜降失水剂相容性好，能够较好地改善其低温失水控制能力，从而可拓宽降失水剂对原材料选择的依赖性，降低了昂贵的聚合物材料的加量，节约了成本，减少了水泥浆设计中的重复劳动。
3. FS分散剂的掺入最明显地是使成膜降失水剂水泥浆体系设计更为方便，对缓凝剂的依赖程度降低，扩大了缓凝剂的选择范围，同时使成膜降失水剂的缓凝体系变得简单。 4. FS分散剂还具有不起尘、溶解迅速，从而减少了对人体的影响。