CN101967371A

CN101967371A - 抗高温油井水泥缓凝剂及其制备方法

Info

Publication number: CN101967371A
Application number: CN2010102558599A
Authority: CN
Inventors: 李勇; 曹智; 罗杨; 罗庆
Original assignee: CHENGDU OMAX OILFIELD TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chengdu Polytron Technologies Inc
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2030-08-18
Also published as: CN101967371B

Abstract

本发明公开了一种抗高温油井水泥缓凝剂，属于油井固井技术，主要解决了现有技术中油井固井效果差的问题。该缓凝剂包括AMPS、IA、AM和DMAPAA，质量比为82～91∶10～26∶8～30∶31～38。同时，本发明还提供了一种该缓凝剂的制备方法，其步骤包括：(1)按照质量比82～91∶10～26∶8～30∶31～38分别称取AMPS、IA、AM和DMAPAA，并置于水中溶解；(2)调节步骤(1)中溶液的pH值至4～7；(3)将溶液置于烧瓶中，进行恒温水浴；(4)向溶液中逐步滴加引发剂，持续反应2～4小时后，得到最终产物。本发明能在实现延缓水泥浆的水化反应的同时，降低对水泥浆其他性能的影响。

Description

抗高温油井水泥缓凝剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种油井水泥缓凝剂，具体地说，是涉及一种应用于油井固井施工中的抗高温油井水泥缓凝剂及其制备方法。

背景技术

固井是油井建设过程中的主要环节，固井质量的好坏直接关系到油井的继续钻井，以及后续完井、采油、修井等各项作业质量。固井作业有两个环节，即下套管和注水泥，通过注水泥施工，用油井水泥填充套管和井眼之间的环形空间，水泥浆的主要作用是隔绝流体在层间流动、支撑套管、防止管壁腐蚀、封隔漏失层或低压层等。注水泥过程是指配制水泥浆，将水泥浆沿套管向下泵输送，然后再上返至套管外部的环形空间，最后在环形空间进行凝结的过程。经过24-72h凝结之后的水泥称为水泥石，它具有较低的渗透率和一定的抗压强度。

注水泥作业过程要求水泥浆具有一定的可泵性，即在一定泵压下水泥浆具有流动性。注水泥作业过程中，由于水泥浆不断向井底运动，水泥浆温度不断升高，水泥浆水化反应速度加快，水泥浆稠度将会增大，当增大到一定值时，水泥浆就会失去流动性无法泵送。所以，对于高温深井的固井作业，都要在水泥浆中加入延缓水泥浆水化反应的缓凝剂，提高注水泥作业的安全性。随着井深的增加，水泥浆使用温度越来越高，如何在高温下调节水泥浆稠化时间变的越来越重要。

目前固井水泥浆中常用的缓凝剂有如下几类：木质素磺酸盐及其衍生物，这类缓凝剂可以运用于井底温度150℃内的注水泥作业中。目前该类缓凝剂几乎都通过对木质素进行改性以提高其耐温性后使用；磺化丹宁、磺化栲胶、丹宁酸钠，这一类缓凝剂由植物的根、茎经磺甲基化后与碱液作用而制成，该类缓凝剂用于高温条件下时对水泥石强度有明显影响；纤维素衍生物，这类缓凝剂是由大量葡萄糖基构成的链状大分子，经改性制得。比如羧甲基羟乙基纤维素，适用于135℃下，但是该类缓凝剂具有增粘、抗盐性差的特点；羟基羧酸及其盐类，其中包括酒石酸及其盐、糖类缓凝剂、有机磷酸。酒石酸及其盐属于高温缓凝剂，运用于150-200℃井温，有强烈缓凝能力，有具有一定分散性可以改变水泥浆流动性，但该缓凝剂极其敏感，加量相差万分之几就会延长一倍凝结时间，给施工带来困难。葡萄糖类缓凝剂由于具有多个羟基活性基团，具有强烈缓凝作用，使用温度可达160℃，但加量敏感仍是最大缺点；其它缓凝剂还包括无机化合物，如硼酸、磷酸、氢氟酸以及它们盐类，锌和铅的氧化物等。

综上所述，现有的油井缓凝剂都存在或大或小的缺陷和不足，特别是在实现延缓水泥浆水化反应的同时，对水泥浆的其他性能一般都会产生明显的不利影响，如影响水泥石的强度发展，这就使得现有的油井固井质量并不能得到有力保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗高温油井水泥缓凝剂，不仅在高温下实现延缓水泥浆的水化反应，同时，有效地降低对水泥浆其他性能的影响，特别是降低对水泥石强度发展的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

抗高温油井水泥缓凝剂，包括2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸，衣康酸，丙烯酰胺，N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺，相应的质量比为82～91∶10～26∶8～30∶31～38。

进一步地，所述2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、衣康酸、丙烯酰胺、N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的质量比为86∶18∶20∶34。

本发明还提出了上述抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其步骤如下：

(1)按照质量比82～91∶10～26∶8～30∶31～38分别称取2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、衣康酸、丙烯酰胺、N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺，并置于水中溶解成混合溶液；

(2)调节步骤(1)中混合溶液的PH值至4～7；

(3)将溶液置于烧瓶中，进行恒温水浴；

(4)向溶液中逐步滴加引发剂，持续反应2～4小时后，得到最终产物。

所述步骤(1)中水的质量为2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、衣康酸、丙烯酰胺、N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的质量总和的230％。

所述步骤(2)中PH值的调节是通过滴加浓度为20％的NaOH溶液来实现的。

所述烧瓶为三口烧瓶，三个口中分别配置温度计、搅拌器、恒压滴液漏斗。

所述水浴温度为50～75℃。

所述引发剂为过硫酸铵-亚硫酸氢钠，其质量为2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、衣康酸、丙烯酰胺和N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的质量总和的0.4％-2.0％。

上述方案中，2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸简写为AMPS，衣康酸简写为IA，丙烯酰胺简写为AM，N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺简写为DMAPAA。

本发明的设计思想在于，利用AMPS、IA、AM和DMAPAA这四种单体在引发剂作用下发生自由基共聚反应，生成高分子聚合物，即为本发明所述的缓凝剂。

上述四种单体均含有不饱和键，其中，衣康酸(IA)分子中含有两个缓凝基团(-COOH)，将-COOH接枝到共聚物主链的同时，在侧链上引入带氨基基团的DMAPAA，增强吸附作用。AMPS具有大量侧基，有良好的抗高温性能和协同增效性，而其中的磺酸根不仅具有耐温、抗盐性能，还具有很强的水化能力，可使聚合物在高温下稳定性存在；而每个衣康酸分子中还带有两个羧酸基团，具有良好的缓凝作用，它主要通过吸附和螯合作用实现缓凝效果；丙烯酰胺作为聚合物分子主链，很容易发生聚合反应；DMAPAA(N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺)为不饱和叔胺，含有氨基基团，能提高高分子聚合物的抗盐性，以及水泥浆的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.抗温性能好，抗温能力达到180℃，且稠化时间可调；

2.抗盐性能好，能在半饱和盐水中实现对水泥浆稠化时间的调节；

3.缓凝剂的化学性能稳定，敏感系数低，稠化曲线线性好；

4.在中低温条件下，水泥石强度发展迅速；

5.配伍性能好，可与多种外加剂配伍，适用于API所规定的各种级别的水泥；

6.适应温度范围广，在30-180℃内都具有优良的性能。

本发明适用于各种环境，如淡水、盐水、胶乳、高矿化水质等，主要应用于各种油井固井施工中。

附图说明

图1为本发明-实施例中30℃条件下缓凝剂与稠化时间关系图。

图2为本发明-实施例中150℃条件下缓凝剂与稠化时间关系图。

图3为本发明-实施例中180℃条件下缓凝剂与稠化时间关系图。

图4为本发明-实施例中缓凝剂加量与水泥石强度的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不受实施例限制。

实施例

本发明所述抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法如下：

称取86g AMPS、18g IA、4g AM、34g DMAPAA，用上述四种单体质量总和的230％的水进行溶解；然后滴加浓度为20％NaOH溶液调节其PH值至5～7，将调节好的混合溶液倒入配有温度计、搅拌器、恒压滴液漏斗的三口烧瓶中。其中，温度计用于随时检查三口烧瓶内溶液的温度；搅拌器用于搅拌溶液，加强溶液中各物质的溶解，促进溶液的化学反应；而恒压滴液漏斗则用于辅助溶液向三口烧瓶滴加，从而控制化学反应的进度。当混合溶液全部至于三口烧瓶后，将三口烧瓶至于水中，进行恒温水浴，水浴温度为50～70℃；当水浴温度达到50℃后，开始通过恒压滴液漏斗逐步向三口烧瓶内滴加过硫酸铵-亚硫酸氢钠引发剂，过硫酸铵-亚硫酸氢钠的用量不超过AMPS、IA、AM、DMAPAA这四种单体质量总和的2％；在引发剂的作用下，三口烧瓶内的混合溶液持续反应三个小时后，得到聚合物，即为抗高温油井水泥缓凝剂。

在制得抗高温油井水泥缓凝剂之后，将该缓凝剂应用到油井固井施工中。以夹江G级水泥为例，按API标准配置水灰比为0.44的水泥浆，然后加入上述缓凝剂样品进行水泥浆性能测定，结果见表一。

表一

在表一中，1～4号配方为夹江G级水泥+缓凝剂+消泡剂；5～13号配方为夹江G级水泥+35％硅粉+缓凝剂+0.2％消泡剂；14～15号配方为夹江G级水泥+35％硅粉+缓凝剂+0.2％消泡剂+盐。

由表一可知，本发明所述的缓凝剂适用的温度范围极广，在30-180℃范围内均能调节水泥浆稠化时间，由附图1～图3可知，缓凝剂加量与水泥浆稠化时间呈现出较好的线性关系，水泥浆稠化时间很容易调节。另外，由图4可知，该缓凝剂对水泥石强度的影响极小，相对于其缓凝效果而言，这种影响几乎可以忽略。同时，本发明所述的缓凝剂还具有很强的低温早强性，适合长封固、大温差固井应用；在半饱和盐水中，该缓凝剂加量变小，能够调节水泥浆稠化时间，并无超缓凝现象发生，表现出较好的抗盐性。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。上述实施例仅为本发明的最佳实施例，但是本发明的实施方式并不仅限于此。

Claims

1.抗高温油井水泥缓凝剂，其特征在于，包括2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸，衣康酸，丙烯酰胺，N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺，相应的质量比为82～91∶10～26∶8～30∶31～38。

2.根据权利要求1所述的抗高温油井水泥缓凝剂，其特征在于，所述2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸，衣康酸，丙烯酰胺，N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的质量比为86∶18∶20∶34。

3.一种抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照质量比82～91∶10～26∶8～30∶31～38分别称取2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸，衣康酸，丙烯酰胺，N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺，并置于水中溶解成混合溶液；

(2)调节步骤(1)中混合溶液的PH值至4～7；

(3)将溶液置于烧瓶中，进行恒温水浴；

4.根据权利要求3所述的一种抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水的质量为2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、衣康酸、丙烯酰胺和N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的质量总和的230％。

5.根据权利要求4所述的一种抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中PH值的调节是通过滴加浓度为20％的NaOH溶液来实现的。

6.根据权利要求5所述的一种抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，所述烧瓶为三口烧瓶，三个口中分别配置温度计、搅拌器、恒压滴液漏斗。

7.根据权利要求6所述的一种抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，所述水浴温度为50～75℃。

8.根据权利要求7所述的一种抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵-亚硫酸氢钠，其质量为2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、衣康酸、丙烯酰胺和N，N-二甲氨基丙基丙烯酰胺的质量总和的0.4％-2.0％。