(4) 热重(TG-DTG)分析

        CPC和DPC的TG-DTG曲线如图4所示。由图4可知,CPC和DPC的热稳定性十分相近, 从208℃升温到459℃范围内 ,两者均出现2个基本相同的失重区间。第一个失重区域在 208~320℃之间,在该区域内出现了首次质量快速下降,失去了约三分之一的质量,该现象是由聚合物聚乙二醇长侧链的部分断裂导致;第二个失重区域在320~459℃之间,在该区间内聚合物失去了绝大部分质量,这是由于整个聚合物分子裂解导致。热重分析结果表明,在温度不超过208℃的情况下,CPC和DPC均具有良好热稳定性。

2.2 水泥浆性能评价

(1) 流动度

        水泥浆的流动度大小反映了浆体的屈服应力强弱,水泥颗粒间的网架结构越强,屈服应力越大,流动度越小。图5展示了含不同掺量的CPC或DPC的水泥浆流动度,在达到饱和掺量之前,分散剂掺量与流动度之间呈线性增长关系,加量越多,流动度越大,达到饱和掺量之后 ,浆体流动度不再变化 。掺量小于0.40% bwoc(% bwoc为占水泥质量的百分比,下同) 时 ,含CPC水泥浆的流动度均略大于含相同掺量DPC水泥浆的流动度;CPC的掺量大于0.25% bwoc时 ,基本达到饱和掺量,DPC则需要稍多的掺量, 当DPC的掺量大于0.30% bwoc时才能达到饱和掺量,表明DPC比CPC分散效率略低,DPC需要多一点掺量才能达到与CPC相同的分散减阻效果。

(2) 流变性能

        不同温度的水泥浆流变曲线如图6所示,使用赫-巴(Herschel-Bulkley) 三参数流变模型对流变曲线进行拟合可以得到拟合方程和流变参数τ₀、n和K,如表2所示。τ₀为静切应力,表示为流体开始流动所需的最小剪切应力;n为流性指数,反映了流体的非牛顿性,0<n<1为假塑性流体,n=1为牛顿流体;K为稠度系数,反映了流体的黏稠程度,流体流动时相邻液层间的内摩擦越大,稠度系数K值越高。在20℃时,水泥净浆为假塑性流体,静切应力τ₀和稠度系数K较大,加入0.25% bwoc的CPC或DPC后, 黏度明显降低,n值接近1,τ₀几乎为0,浆体近似牛顿流体。对比不同温度下的水泥浆可以看到,随温度升高, 水化速率加快,水泥净浆整体黏度明显提高,τ₀快速增大,流变性能劣化严重。而含CPC或DPC水泥浆虽然τ₀略有提高, 但仍保持良好的流变性能,也表现出较好的抗温能力。

(3) 稠化曲线

         油井水泥浆的稠化曲线是油井水泥浆稠化时间、初始稠度、过渡时间(40~100Bc)和稠化线形 等参数的综合体现,对确保固井安全和提高固井质量具有重要意义。含不同分散剂的水泥浆稠化曲线(85℃, 46.2MPa , 50min) 如图7所示。无分散剂的水泥净浆初始稠度为9.2Bc ,稠度不稳定, 随着温度升高而增大, 稠化时间约为71min。而加入DPC的水泥浆初始稠度为3.5Bc,在达到稠化时间之前整体稠度稳定,更有利于固井施工。与水泥净浆相比, 掺0.25%  bwoc DPC水泥浆的稠化时间约为79min , 略微长于水泥净浆的稠化时间, 两者稠化时间之比为 1.11 : 1.00。而掺0.25% bwoc CPC水泥浆的稠化时间约为168min, 与净浆的稠化时间之比为2.37 : 1.00,显示出强烈的缓凝作用。结果表明, 常规阴离子型聚羧酸会导致强烈的缓凝作用,不适用于油井水泥,而使用季铵阳离子部分替换羧酸合成的两性离子型聚羧酸为这个问题提供了解决方案。

(4) 抗压强度

        含不同分散剂的水泥石于85℃养护24h、72h以及168h的抗压强度如图8所示 。无论加入分散剂与否,水泥石的抗压强度都随着养护时间延长逐渐增大。含DPC水泥石抗压强度均高于相同养护时间的水泥净浆,分别提高7.0%、9.7%和10.7%;而含CPC水泥石的24h抗压强度发生了大幅下降,随养护时间延长,抗压强度又逐渐高于无分散剂的水泥石。结果表明,DPC有利于水泥石不同时期强度发展,CPC则由于较强的缓凝作用导致早期强度下降,但这种对强度的负面作用会随养护时间延长逐渐消失。