CN101412600B

CN101412600B - 一种油井水泥降失水剂

Info

Publication number: CN101412600B
Application number: CN 200810226689
Authority: CN
Inventors: 邹建龙; 朱海金; 屈建省; 吕光明; 高永会; 吴达华
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Research Institute of Engineering Technology; CNPC Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101412600A

Abstract

本发明提供了一种油井水泥降失水剂，这种降失水剂用于石油、天然气钻井固井过程中降低水泥浆的失水量。该降失水剂是一种五元共聚物，共聚单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N，N’—二甲基丙烯酰胺(DMAA)、一元不饱和羧酸、二元不饱和羧酸、N，N’—亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。本发明提供的降失水剂具有良好的降失水性能和流变性能，适用温度范围宽，适用于淡水和盐水水泥浆。

Description

一种油井水泥降失水剂

技术领域

本发明涉及石油固井技术领域。特别涉及一种固井水泥添加剂，是一种水泥降失水剂，这种降失水剂用于石油、天然气钻井固井过程中降低水泥浆的失水量。

背景技术

通常在油、气井注水泥作业中使用的水泥降失水剂。水泥降失水剂在油井固井施工中能增强水泥浆的保水作用，防止水泥浆在渗透性地层中先期脱水，保证水泥浆体的稳定性，提高固化水泥石的强度，防止气窜，提高水泥环的抗渗能力，保护水敏性地层，防止水泥浆滤液污染油气层及水泥浆颗粒对油气层的堵塞。

目前，国内常用的两种降失水剂如聚乙烯醇(PVA)、羟乙基纤维素(HEC)都具有不同的缺陷。聚乙烯醇(PVA)型降失水剂具有价格低、防气窜的优点，在低温下无缓凝作用，且与氯化钙配伍性好，但高温适应性能差，使用温度最高只能达到95℃，而且抗盐(NaCl)性能差，抗盐能力通常不超过5％。羟乙基纤维素(HEC)等纤维素类降失水剂价格适中，降失水性能也较强，但增稠作用明显，同时会延缓水泥浆凝固时间，而且使用温度一般不超过110℃，这是因为分子环状链单元中醚键在高温下会发生氧化分解。

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚物是国内外近年来开发的新型降失水剂，降失水性能较好。国内开发的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚物主要是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)/丙烯酰胺(AM)/丙烯酸(AA)三元共聚物。但是AMPS/AM/AA共聚物、AMPS/AM共聚物(严格地说也是AMPS/AM/AA共聚物，因为共聚物中有部分AM的酰胺基已水解为羧基)有一个最大的缺陷，就是配制的水泥浆会影响水泥浆的稠化时间，在70℃以上时会出现稠化时间“倒挂”现象，即同一配方情况下温度越高稠化时间反而越长。这种现象会严重影响固井效果，因为通常情况下要求井底的水泥先凝固，上部的水泥后凝固，这样有利于防止气窜及水泥环收缩。产生这种现象的原因是尽管2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)在聚合物中有抑制丙烯酰胺(AM)中酰胺基团(—CONH₂)水解的作用，但当温度升高到70℃以上时这种抑制作用大为减弱，丙烯酰胺(AM)的酰胺基水解成羧基的速度随着温度升高而加快，并超过水泥随温度升高水化加快的效应，造成温度升高水泥浆稠化时间反而延长的情况。这种实例可以参考文献“新型丙烯酰胺共聚物油井水泥降失水剂研究”(《石油钻采工艺》2006年第28卷第5期第23页)。此外，由于AMPS/AM/AA共聚物中引入了较大比例的阴离子单体AMPS，所以该聚合物电负性大，分散性较强，配制的水泥浆游离液较多，切力低，容易引起固相颗粒沉降问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种油井水泥降失水剂，将油井水泥降失水剂添加到固井水泥浆中，扩大现有油井水泥降失水剂的应用温度范围；提高水泥浆体的切力，提高水泥浆的稳定性。它克服现有AMPS共聚物适应温度范围狭窄、配制的水泥浆体的切力较低、水泥浆的稳定性低的不足。

本发明提供的油井水泥降失水剂是一种五元共聚物，该五元共聚物的共聚单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N，N’—二甲基丙烯酰胺(DMAA)、一元不饱和羧酸、二元不饱和羧酸、N，N’—亚甲基双丙烯酰胺(MBA)。其中五种单体的重量份比为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为20～80份，N，N’—二甲基丙烯酰胺(DMAA)为20～80份，一元不饱和羧酸为1～15份，二元不饱和羧酸为1～15份，N，N’—亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为0.01～2份；五元共聚物平均相对分子质量为50,000～3,000,000。

较好的五元共聚物油井水泥降失水剂中单体重量百分比分别为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为40～80份，N，N’—二甲基丙烯酰胺(DMAA)为20～60份，一元不饱和羧酸为2～10份，二元不饱和羧酸为2～10份，N，N’—亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为0.01～1份。

较好的五元共聚物油井水泥降失水剂平均相对分子质量为100,000～1,000,000。

所述的一元不饱和羧酸单体选自丙烯酸或甲基丙烯酸。

所述的二元不饱和羧酸单体选自衣康酸、马来酸、富马酸、柠康酸或中康酸。

所述的五元共聚物降失水剂可用各种熟知的聚合方法制备，通常可采用水溶液聚合方法。一个典型的聚合方法为：将所有单体溶解在去离子水中，用氢氧化钠溶液将单体溶液的pH值调为6，将溶液加入到反应器内，将反应器放入60℃恒温水浴中，向反应器内通入氮气排除氧气，待反应器内水溶液的温度达到60℃后，加入少量的过硫酸钾溶液以引发反应，使反应持续2～6h，制成五元共聚物溶液或凝胶，经干燥、粉碎制成粉剂，获得油井水泥降失水剂。

本发明的水泥降失水剂的使用方法：本水泥降失水剂的加量为0.5～2％(固含量)，使用温度30～180℃，适用于淡水和盐水水泥浆。

本发明从三个方面解决了现有AMPS/AM/AA降失水剂存在的问题。(1)通过用抗水解能力强N，N’—二甲基丙烯酰胺代替丙烯酰胺，有效抑制了酰胺基在高温下的水解，扩大了产品温度应用范围，使用温度范围由原有30～70℃扩展到30～180℃。(2)采用N，N’—亚甲基双丙烯酰胺使共聚物由线性结构变为微交联结构，微交联结构共聚物容易在水泥浆中形成三维网状结构，提高水泥浆体的切力，圈闭住自由水，防止游离液析出，防止水泥颗粒发生沉降，使水泥浆的稳定性得到大幅提高。(3)共聚物中同时引入一元羧基和二元羧基，使得共聚物对水泥颗粒的螯合能力比单独的一元或二元羧基都更为增强，从而共聚物控制滤失的能力更为出色。

具体实施方式

实施例1

称取100g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、40g N，N’—二甲基丙烯酰胺(DMAA)、6g丙烯酸(AA)、6g衣康酸(IA)、0.5g N，N’—亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，溶于717g去离子水中，加入61g浓度为40%的氢氧化钠溶液，将pH值调为6。将溶液加入到反应器内，将反应器放入60℃恒温水浴中，向反应器内通入氮气排除氧气，待反应器内水溶液的温度达到60℃后，加入3g浓度为10％的过硫酸钾溶液引发反应，反应持续5h，制成五元共聚物溶液，经干燥、粉碎得到油井水泥降失水剂粉剂产品。获得的五元共聚物油井水泥降失水剂的平均相对分子质量是420,000。代号为样品1。

实施例2

称取100g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、60g N，N’—二甲基丙烯酰胺(DMAA)、8g丙烯酸(AA)、8g衣康酸(IA)、0.3g N，N’—亚甲基双丙烯酰胺(MBA)，溶于689g去离子水中。加入65g浓度为40％的氢氧化钠溶液，将pH值调为6。将溶液加入到反应器内，将反应器放入60℃恒温水浴中，向反应器内通入氮气排除氧气，待反应器内水溶液的温度达到60℃后，加入3g浓度为10％的过硫酸钾溶液引发反应，反应持续5h，制成五元共聚物溶液，经干燥、粉碎得到油井水泥降失水剂粉剂产品。获得的五元共聚物油井水泥降失水剂的平均相对分子质量是650,000。代号为样品2。

实施例3

实施例3与实施例1的各组分重量份比和操作方法基本相同，不同点是：用7.2g甲基丙烯酸代替实施例1中的6g丙烯酸(AA)。同样能制备油井水泥降失水剂(五元共聚物)，其性能与样品1类似。

实施例4

实施例4与实施例2的各组分重量份比和操作方法基本相同，不同点是：用6g马来酸酐(马来酸酐溶于水即为马来酸)代替8g衣康酸(IA)。同样能制备油井水泥降失水剂(五元共聚物)，其性能与样品2类似。

实施例1和实施例2的综合性能评定：

按GB/T19139-2003标准制备水泥浆，评定稠化时间、失水量、稳定性、抗压强度。表1评定了样品1和样品2在不同温度下对稠化时间的影响。表2评定了样品1和样品2的综合性能。

水泥浆配方1：100份嘉华G级水泥+1份本发明的降失水剂+水44份，密度为1.90g/cm³。

水泥浆配方2：100份嘉华G级水泥+1.3份本发明的降失水剂+饱和盐水60份，密度为1.95g/cm³。

水泥浆配方3：100份嘉华G级水泥+35份硅粉+1.3份本发明的降失水剂+1.5份BXR-200L缓凝剂+水为57.9份，密度为1.86g/cm³。

水泥浆配方4：100份嘉华G级水泥+35份硅粉+1.3份本发明的降失水剂+4％份BXR-300L缓凝剂+水为55.4份，密度为1.86g/cm³。

水泥浆配方5：100份嘉华G级水泥+35份硅粉+1.3份本发明的降失水剂+6份BXR-300L缓凝剂+水为53.4份，密度为1.86g/cm³。

其中BXR-200L、BXR-300L缓凝剂为天津中油渤星工程科技公司产品，为液体，密度分别是1.06g/cm³和1.09g/cm³。配方样品中水泥加量为重量100份，水为现场水。

表1

样品	配方	温度℃	稠化时间min	样品	配方	温度℃	稠化时间min
								1	1	50	140	2	1	50	155
1	1	70	110	2	1	70	115
								1	1	90	107	2	1	90	110
1	1	110	90	2	1	110	95

表2

样品	配方	温度℃	失水量mL	游离液mL	上下密度差g/cm³	稠化时间min	24h抗压强度MPa
								1	1	70	48	0.1	0.02	110	27.2
2	1	70	36	0.1	0.02	115	27.0
								1	1	90	54	0.1	0.02	107	31.1
2	1	90	40	0.1	0.02	110	30.5
								2	2	90	60	0.2	0.03	85	28.2
1	3	120	56	0.2	0.03	255	21.3

2	3	120	48	0.2	0.03	250	20.7
								2	4	150	56	0.3	0.04	271	18.0
2	5	180	66	0.3	0.04	240	18.5

由表1可知：本发明的降失水剂不存在常规AMPS/AM/AA降失水剂存在的随温度升高稠化时间反而变长的“倒挂”现象。

由表2可知：本发明的降失水剂降滤失性能优异，适用温度范围广(最高达180℃)，抗盐能力强，配制的水泥浆游离液少，浆体稳定，抗压强度高，有利于提高层间封隔能力，保证固井质量。

Claims

1.一种油井水泥降失水剂，其特征在于：该降失水剂是一种五元共聚物，共聚单体是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N，N’-二甲基丙烯酰胺、一元不饱和羧酸、二元不饱和羧酸、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)；五种单体的重量份为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为20～80份，N，N’-二甲基丙烯酰胺为20～80份，一元不饱和羧酸为1～15份，二元不饱和羧酸为1～15份，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为0.01～2份；五元共聚物平均相对分子质量为50,000～3,000,000；

所述的一元不饱和羧酸单体选自丙烯酸或甲基丙烯酸；二元不饱和羧酸单体选自衣康酸、马来酸、富马酸、柠康酸或中康酸。

2.根据权利要求1所述的油井水泥降失水剂，其特征在于：所述五种单体的重量份比分别为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为40～80份，N，N’-二甲基丙烯酰胺为20～60份，一元不饱和羧酸为2～10份，二元不饱和羧酸为2～10份，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为0.01～1份。

3.根据权利要求1所述的油井水泥降失水剂，其特征在于：所述的五元共聚物平均相对分子质量为100,000～1,000,000。