2.结果与讨论  

2.1表征  

（1）红外光谱分析  

        对SBRM进行红外分析，红外谱图如图2所示。SBRM在3500cm^-1处的吸收峰为功能单体MA中羧基的 -OH 的伸缩振动吸收峰；1714cm^-1为MA中羧基的 -C=O- 的伸缩振动吸收峰；1207cm^-1为MA中 -C-COOH 的特征峰。1440cm^-1为聚丁二烯分子链上 -CH₂- 弯曲振动吸收峰；3068cm^-1、3023cm^-1处的吸收峰为苯环 -CH=CH₂ 的伸缩振动峰；756cm^-1、698cm^-1为单取代苯环 =CH- 面外弯曲振动吸收峰；1600cm^-1、1490cm^-1为苯环 -CH=CH- 弯曲振动吸收峰；2930cm-1及2840cm-1处的吸收峰分别对应碳链中 -C-H- 键的不对称及对称伸缩振动。由此可知，SBRM的红外光谱中包含3种单体St 、PB和MA的特征吸收峰，说明3种单体可以聚合合成SBRM。

（2）核磁共振氢谱分析  

        为了进一步确定SBRM的分子结构，进行了核磁共振氢谱测试，结果如图3所示。化学位移δ 5.02处是PB中亚甲基（-CH₂-）的特征质子吸收峰，δ 1.88是PB中次甲基（-CH-）的特征质子吸收峰；δ 1.32处是St 中亚甲基（-CH₂-）的特征质子吸收峰，δ 1.43为St中次甲基（-CH-）的特征质子峰，δ 6.85～7.23和6.21～6.83处为苯环上5个质子的峰；δ 6.66是MA中次甲基（-CH-）的质子峰。综上，通过红外光谱与核磁共振氢谱分析，证明合成产物为目标产物SBRM。

（3）热重分析  

        为了评价SBRM的耐温能力，称取5mg的SBRM进行热稳定性分析，结果如图4所示。从开始升温到SBRM分解的温度范围内，SBRM热解主要分为3个阶段：第一个阶段在45～220℃，主要为样品中的自由水和结合水升温后加热挥发产生的质量损失；第2阶段的热重曲线表明，在220～375℃的范围内，SBRM胶乳缓慢分解，质量损失率约为14%，主要是SBRM胶乳中低聚物的分解；第3个阶段在375～480℃，质量损失率约为64%，说明该温度为SBRM胶乳的热分解温度，此时SBRM胶乳的分子主链发生断裂分解。热重分析表明，合成的SBRM热稳定性较好，当温度高于375℃时，SBRM的主链才会发生分解。

（4）润湿性分析  

        SBRM的接触角测试结果如图5所示。从图5可以看出，SBRM的静态接触角为47.1º，表明SBRM具有一定的水润湿性。这是由于SBRM表面存在羧基，羧基的存在使胶乳粉的亲水性提高，同时由于在SBRM合成过程中加入表面活性剂，表面活性剂部分残留在SBRM中，从而使其水润湿性能提高。

（5）显微镜分析  

        为了明确SBRM在水中的分散情况，使用荧光数码显微镜观察了SBRM的分散情况，结果如图6所示。SBRM在水中能够均匀分散，未出现明显团聚现象，这是因为SBRM表面的羧基能促进胶乳粉在水中分散。

2.2 性能分析

（1）SBRM对固井水泥浆流动性的影响  

        在固井施工作业的过程中，具有良好流动性的水泥浆能够提高泵送的效率。因此，通过水泥浆流动性测试来分析SBRM对固井水泥浆流动性能的影响。图7为实验室自制SBRM和市售丁苯胶乳XSBR水泥浆的流动性在90℃下的变化。可以看出，相比市售丁苯胶乳XSBR，实验室自制SBRM具有更好的流动性。随着SBRM用量的增加，水泥浆的流动性也相应增加，但当SBRM加量增至7%（质量分数，下同）时，水泥浆流动性出现了明显的下降，主要原因可能是胶乳粉为有机材料，加量过多会影响有机材料SBRM与无机材料水泥的相容性。从图7中可以看出，胶乳粉加量为5%时水泥浆流动性较好。

（2）SBRM对固井水泥石抗压强度的影响

        通过研究不同加量的SBRM和XSBR对水泥石抗压强度的影响，分别测试了在90℃水浴养护48h条件下的水泥石抗压强度，结果如图8所示。由图8可知，SBRM会降低水泥石的抗压强度。在90℃下，SBRM加量为3%、5%和7%的水泥石抗压强度比空白水泥石分别降低10.9%、21.8%和31.9%。对比相同加量的XSBR，SBRM加量的水泥石抗压强度虽然有所降低，但仍满足固井施工要求。从加入SBRM后水泥石的抗压强度可以看出，SBRM加量为5%时，抗压强度损失较小，且水泥浆的流动性较好，满足固井施工要求。

(3) SBRM对固井水泥石应力-应变的影响

        图9为空白水泥石、加量5%SBRM水泥石和加量5%XSBR水泥石的应力-应变曲线。由图9可知，对比空白水泥石和XSBR水泥石，SBRM水泥石在相同应变下对应的差应力小于空白水泥石和XSBR水泥石，SBRM水泥石具有更强的形变能力。通过三轴力学试验测试结果计算得到的空白水泥石的弹性模量为7.035GPa，加量5%的XSBR的水泥石弹性模量为5.901GPa，加量5%的SBRM的水泥石弹性模量为4.230GPa。相比于空白水泥石和XSBR水泥石，SBRM水泥石的弹性模量分别降低了39.8%、28.3%，表明加SBRM的水泥石具有良好的弹性性能，防止和缓冲了水泥环在井下应力作用下的开裂，有利于保持固井水泥环的长期密封完整性。

（4）SBRM对水泥浆稠化性能的影响

        水泥浆的稠化性能是固井施工安全的一个重要评价指标。图10是加量6%SBRM的水泥浆在90℃的增压稠化曲线。从图10可以看出，SBRM水泥浆的初始稠度低，稠化曲线走势平稳，基本呈直角稠化，未出现“包心”、“鼓包”现象，SBRM水泥浆具有良好的稠化性能，能够满足固井施工作业要求。

(5)  SBRM水泥石微观形貌

        使用扫描电子显微镜观察空白水泥石和SBRM水泥石中的微观形貌，结果如图11所示。与未加SBRM的空白水泥石截面微观结构相比，加入SBRM后，聚合物填充在水泥石中，与水化产物紧密连接，在水泥石之间形成能够约束微裂缝产生和发展、吸收应力的结构变形中心，从而提高水泥石弹性性能。

3. 结论

        本文通过合成一种固井用SBRM来改善固井作业中水泥石脆性大的问题。SBRM的红外光谱和核磁共振氢谱分析表明：单体St、PB和MA可以聚合合成目标产物SBRM；通过热重分析、润湿性分析和显微镜观察可知，SBRM具有良好的耐温能力、亲水性和水分散性。SBRM的加量不高于5%时，SBRM可以提高水泥浆的流动性；而SBRM的加量为5%时，SBRM可以在抗压强度损失满足要求的条件下提高水泥石的弹性，同时SBRM水泥浆具有良好的稠化性能。本研究合成的丁苯胶乳粉SBRM在油气井固井工程中具有良好的应用前景。