水泥扩散剂

水泥扩散剂质素磺酸盐及其衍生物

早在本世纪30年代初，人们发现将亚硫酸盐纸浆废液加入混凝土中，在改善混凝土的工作性及提高强度和耐候性等方面有优良效果。1937年，Scripture获得了美国专利。在我国建筑行业，木质素类扩散剂的应用比较广泛。70年代，石油及地质勘探部门引用了这类扩散剂。主要有木质素磺酸钠、木质素磺酸钙和木质素磺酸铁铬盐等，均由造纸废液处理、加工而成。其主要优点是价格低、来源广，且具有一定的降滤失作用。不足之处是减阻分散效果较差，易起泡，有一定的缓凝作用。一般认为，木质素磺酸盐通常由侧链上带有磺酸基的苯丙烷结构单元构成。据有关文献报道，如果对木质素磺酸盐进行改性，先脱去其部分侧链上的磺酸基，再在苯丙烷结构单元的苯环上羟基的邻位引入磺甲基，可赋予其抗高温的特性。中原油田钻井工程公司与河南省科学院化学研究所合作开发的高改性木质素磺酸盐抗高温型扩散剂HD-1，便是基于上述原理。HD-1产品的分散、抗温能力强，且具有缓凝作用，特别适用于深井和超深井的固井作业。现场10余口井的试验与应用证实，HD-1分散、抗温效果尤为显著(室内评价中抗温达180℃)。利用木质素磺酸盐价格低的优点对其进行复配改性，也是一条有效的途径。TA-1A使是其中之一。它具有分散效果较好、稠化时间易调、固井材料费较低等特点。该剂也属于缓凝型扩散剂。

水泥扩散剂多环芳基磺酸盐甲醛缩合物

这类扩散剂中最具代表性的是β-萘磺酸/甲醛缩聚物，即国内广泛应用的FDN。它是一种重要的表面活性剂，一般为棕黄色粉末，水溶液pH 7-9。

其特点是:①分散效果好，对水泥浆的增密作用强;②引气量少，早期强度发展较快;③适用于多种油井水泥，与其它外加剂有良好的相容性;④耐温性超过普通的木质素磺酸盐。除FDN外，国内主要同类产品有:UNF、CFR-H等。

磺化酮醛缩聚物磺化酮醛缩聚物类扩散剂是90年代初期研制成功的新型扩散剂产品。中原油田开发的SAF[7，8]和西南石油学院研制的SXY，已在许多油田应用。这类扩散剂的特点是:

①原材料来源比较广泛，价格适当，不具有萘系扩散剂的毒性;

②抗温能力较萘系产品有所提高;③同样适用于多种油井水泥，与多数外加剂有好的相容性。与SAF、SXY相类似的产品还有USZ，在现场应用也见到了较好的效果。

水泥扩散剂水溶性密胺树脂

水溶性密胺树脂是由三聚氰胺、甲醛和焦亚硫酸钠等原料，经加成、磺化、缩合反应制成的一种高分子化合物。国内建筑行业用其作高效减水剂。用于油井水泥的水溶性密胺树脂SMUF[10]已由中油气公司工程技术研究院开发出来。由于采用了四步合成法新工艺，即加成、磺化、缩合及高温熟化，产品的稳定性和减阻效果有了提高。它的主要特点是分散减阻效果更明显，且无缓凝作用。它和萘系扩散剂一样，具有稳定的六元共轭环结构，亲水基团为磺甲基，比一般扩散剂的磺酸基有更强的水化作用。其不足之处是价格较高，限制了它的推广应用。

水泥扩散剂乙烯基单体聚合物及其衍生物

乙烯基单体聚合物及其衍生物作为油井水泥扩散剂，其特点是稳定性好、耐高温、不引气、减阻效果好，还特别耐盐。缺点是成本价格相对较高。如中原油田和北京石油勘探开发科学研究院油田化学所共同研制的DC-08，分散能力强，耐盐可达到饱和。吴安明等合成的聚苯乙烯磺酸钠(SPS)，其减阻效果良好，磺化度达到一定值(约为0.60)的SPS均具有强的抗盐析能力，在饱和NaCl溶液中不沉淀析出。侯吉瑞等研制的磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物(SSMA)是一种性能优良的扩散剂。SSMA应用于MTC水泥浆(泛指由钻井液转变成的水泥浆)效果很好。

水泥扩散剂多羟基羧酸(盐)

这类扩散剂主要有柠檬酸、酒石酸、水杨酸等及其盐。主要特点是分散性强并兼有缓凝效果，特别适用于饱和盐水水泥浆体系。如中原油田和河南大学共同研制的盐系分散缓凝剂SS-01，满足了饱和盐水水泥浆固井需要，解决了中原油田岩盐层固井问题。西南石油学院研制的扩散剂SN-1，与以AM/AA二元共聚物为主的降滤失剂相容性好，成功地进行了多口井的固井施工。同类产品还有CA-15[16]等。

水泥扩散剂其它

除了上述介绍的几大类扩散剂外，还有许多缓凝剂同样具有较强的分散减阻效果。如糖类、有机膦类。

随着时代的进步和科学技术水平的发展，我国在水泥添加剂，特别是分散剂的合成、制备、复配以及机理研究方面已经取得了巨大进展，已有多种具有自主知识产权的高科技、高技术含量产品投入到了建筑水泥和油井水泥的应用领域，对我国的工业、国防和现代化建设发挥着重要作用。相对而言，分散剂的研发和应用已初具规模，对其作用机理的研究也比较清晰。故扩散剂的制备应在保证良好分散性的同时，实现与油井水泥较好的适应性、与不同类型的其它外加剂有很好的配伍性、抗污染、无毒、无味、不燃、不爆、不污染环境，将其对人和环境的伤害降至最低。

在油气井固井作业过程中，常使用水泥扩散剂(又称减阻剂、减水剂或紊流剂等)来改善水泥浆的流变性能，进而促进固井质量的提高。对这一领域的研究越来越受到国内固井工程界的重视。一次注水泥必须有好的顶替效果，才能达到封隔地层之目的。人们经过长期探索与实践，认识到在大多数情况下采用紊流注水泥的方法有利于获得较高的顶替效率。油井水泥扩散剂能降低水灰比，改善水泥浆的流变和施工性能，并可在较低的排量、泵压下实现紊流。因此，油井水泥扩散剂的研究与应用得到了不断发展，成为目前国内外使用最普遍、消耗量最大的油井水泥外加剂之一。同时，由于更多的新产品的问世，也给固井注水泥作业及油气田勘探开发带来了直接的经济效益和明显的社会效益。

国外使用的油井水泥扩散剂分为通用型、饱和盐水型和抗沉降型。按其化学组分可归纳为以下几大类:

①木质素磺酸盐及其衍生物;

②聚萘磺酸盐类;

③磺化酮醛缩聚物;

④水溶性密胺树脂;

⑤磺化乙烯基单体聚合物及其衍生物;

⑥柠檬酸类;

⑦AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)聚合物类;

⑧其它，如糖类等。

美国《World Oil》杂志1998年3月出版的第3期87— 99页“固井水泥产品与外加剂(CementingProducts and Additives)”一文中，报道了世界五大公司油井水泥扩散剂产品的情况，参见表。