论文部分内容阅读
共聚物类外加剂是一类重要的油井水泥外加剂，用于改善水泥浆的综合性能，以适应各种油气井的井下工况条件。本论文采用实验和分子动力学模拟相结合的方式，对阴离子型降失水剂和水泥颗粒之间的相互作用及化学机理展开研究。
以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N,N-二甲基丙烯酰胺（NNDMA）、衣康酸（IA）为原料，采用自由基聚合方法制备了阴离子型降失水剂FLA。FLA水泥浆体系的水化动力学研究和XRD分析表明，FLA能够显著延长水泥水化的诱导期。在水泥与水的比例为1/10的条件下，研究了FLA在水泥颗粒表面的吸附动力学及等温吸附。使用Materials Studio模拟软件，建立FLA钠盐在不同Ca2+浓度下的全原子模型，进行分子动力学计算。阐明了FLA在水泥颗粒表面的吸附作用机制，即在溶液中与FLA结合的Na+与水泥表面上的Ca2+之间发生离子交换，FLA通过阴离子官能团和Ca2+的相互作用吸附在水泥颗粒表面。
降失水剂中羧基（-COOH）的含量会影响水泥浆的降滤失性能和水泥石的强度发展。以丙烯酸（AA）和IA为功能单体，分别与AMPS、NNDMA反应，合成了两种含有不同羧基数量的降失水剂FLA-I和FLA-II。对两种降失水剂的降滤失性能进行测试，对滤饼和滤液进行表征，分析滤饼中的矿物成分和孔隙结构，以及滤液中的有机物和离子含量。借助对全原子模型的动力学模拟，阐明了控制水泥浆失水量的关键因素是降失水剂、水泥颗粒与水三者之间的螯合、氢键及静电相互作用的协同。通过水泥水化动力学测试、水泥石矿物成分和结构的表征，结果显示FLA-II因为双羧基结构而具有强缓凝作用，造成了低温下水泥石早期强度偏低，加入FLA-I的水泥石高温强度偏低是由于该降失水剂影响了水泥水化产物结构。
针对水泥浆的异常胶凝现象，通过对胶凝和非胶凝部分水泥浆的成分进行表征，分析了聚羧酸外加剂引起该现象的原因，即羧基与Ca2+的强螯合作用引起了聚合物和水泥矿物之间发生交联、缠结，造成了水泥浆的不均匀凝结。在阴离子型降失水剂FLA1中引入阳离子单体或长侧链基团，得到FLA2和FLA3。对三种降失水剂的应用性能进行对比，结果表明，具有长侧链结构的FLA3可以改善水泥浆的异常胶凝现象。模型中分子构象变化及水泥孔隙溶液性质分析表明，长侧链的空间位阻效应能够削弱羧基对Ca2+的螯合，改善水泥浆的稳定性。
以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N,N-二甲基丙烯酰胺（NNDMA）、衣康酸（IA）为原料，采用自由基聚合方法制备了阴离子型降失水剂FLA。FLA水泥浆体系的水化动力学研究和XRD分析表明，FLA能够显著延长水泥水化的诱导期。在水泥与水的比例为1/10的条件下，研究了FLA在水泥颗粒表面的吸附动力学及等温吸附。使用Materials Studio模拟软件，建立FLA钠盐在不同Ca2+浓度下的全原子模型，进行分子动力学计算。阐明了FLA在水泥颗粒表面的吸附作用机制，即在溶液中与FLA结合的Na+与水泥表面上的Ca2+之间发生离子交换，FLA通过阴离子官能团和Ca2+的相互作用吸附在水泥颗粒表面。
降失水剂中羧基（-COOH）的含量会影响水泥浆的降滤失性能和水泥石的强度发展。以丙烯酸（AA）和IA为功能单体，分别与AMPS、NNDMA反应，合成了两种含有不同羧基数量的降失水剂FLA-I和FLA-II。对两种降失水剂的降滤失性能进行测试，对滤饼和滤液进行表征，分析滤饼中的矿物成分和孔隙结构，以及滤液中的有机物和离子含量。借助对全原子模型的动力学模拟，阐明了控制水泥浆失水量的关键因素是降失水剂、水泥颗粒与水三者之间的螯合、氢键及静电相互作用的协同。通过水泥水化动力学测试、水泥石矿物成分和结构的表征，结果显示FLA-II因为双羧基结构而具有强缓凝作用，造成了低温下水泥石早期强度偏低，加入FLA-I的水泥石高温强度偏低是由于该降失水剂影响了水泥水化产物结构。
针对水泥浆的异常胶凝现象，通过对胶凝和非胶凝部分水泥浆的成分进行表征，分析了聚羧酸外加剂引起该现象的原因，即羧基与Ca2+的强螯合作用引起了聚合物和水泥矿物之间发生交联、缠结，造成了水泥浆的不均匀凝结。在阴离子型降失水剂FLA1中引入阳离子单体或长侧链基团，得到FLA2和FLA3。对三种降失水剂的应用性能进行对比，结果表明，具有长侧链结构的FLA3可以改善水泥浆的异常胶凝现象。模型中分子构象变化及水泥孔隙溶液性质分析表明，长侧链的空间位阻效应能够削弱羧基对Ca2+的螯合，改善水泥浆的稳定性。