CN102086387A - 水泥降失水剂及在固井的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钻井工程中的油井水泥外加剂的技术领域，特别涉及油井水泥降失水剂及应用。本发明的具体技术内容是：一种水泥降失水剂，其特征是组分和重量百分比含量如下：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸50-80％，衣康酸2-20％，丙烯酰胺15-40％，二烯丙基二甲基氯化铵1-5％，N-N-二甲基丙烯酰胺1-4％。按上述配方组分称量各种单体，将单体总量100％～200％的去离子水加入容器内，在搅拌下分别加入各种单体，搅拌溶解均匀。直接喷雾干燥或装入托盘，在125℃～150℃干燥炉中进行合成、干燥、粉碎。本发明中的降失水剂组分加到水泥浆中，可根据不同的井深和地层温度，添加不同降失水剂的掺量，可以有效控制水泥浆的失水量，避免发生因水泥浆失水造成水泥浆变稠、稠化时间缩短、泵压增加压漏地层而中断注水泥作业引发的工程事故。
Description
技术领域
本发明属于固井水泥技术领域，特别涉及固井水泥降失水剂及应用。
背景技术
在油气井注水泥作业和其它地下注水泥作业中常通要求通过地面泵送设备将含有水泥、水和外加剂的水泥浆注入地下预定的地层中，以封固地层和套管之间的环空。典型的水泥浆被泵进套管内并且通过套管和地层之间的空隙上返到环空。水泥浆在环空中凝固，形成一个坚硬的水泥环柱，这个水泥环柱能与地层、与套管之间形成胶结。为达到令人满意的注水泥作业，实现一个高强度的胶结以防止流体沿着水泥环柱或在其内部窜通是必要的。窜通的后果轻则污染产层或使资源流失，重则发生环境灾难或危及人身安全。
注水泥作业最主要的目的是阻止地层流体的移动并形成胶结以支撑套管。另外，注水泥的目的还包括保护套管不被腐蚀、在钻深井时套管不受震动负荷、封堵漏失层、继续钻进时防止地层垮塌、卡钻等事故的发生。
注水泥作业最重要的设计参数之一是水泥浆的稠化时间(在模拟地下高温高压条件下，水泥浆保持液态、可以泵送的时间)。因此是实施注水泥作业的有效时间。油井水泥降失水剂是保证水泥浆以合适的泵送速度经过渗透性地层时，能够尽可能保持水泥浆性能，特别是稠化时间的可预测性。如果没有降失水剂，水泥浆经过渗透性地层时，由于泵送施加的压力，可能使水泥浆发生失水，水泥浆中的水份将漏失进入地层。一方面，水泥浆的水灰比将发生变化，水泥浆变稠，稠化时间变短，流动阻力增大，泵送压力升高，可能压漏地层。轻则水泥浆难以返到设计的预定高度；严重时可能会发生注水泥作业失败。另一方面，水泥浆中的水溶液或水泥浆进入油气层会使产层的有效渗透率降低，影响到最终油气井的采收率。因此，在实施注水泥作业时，控制水泥浆失水量的降失水剂就显得十分重要。
在这种技术中，在注水泥组成中加降失水剂已有很长时间并广为人知。在以下这些文章中都对降失水剂进行过探讨：
Cater，Gregg和Slagle，Knox，“使气窜减至最小的完井实践研究”石油工程师协会，SPE 3164，1970年11月
Christian，W.W.，Chatterji，Jiten and Ostroot，Warren，“注水泥中的气体漏失——现场和实验室研究”石油工程师协会，SPE 5517，1975年10月
Cook，C.Cunningham，W.，“控制滤液：注水泥成功的关键”石油技术杂志，1977年8月，第951页
Smith，Dwight，“注水泥：SPE专题论文第4卷，Millet出版，Dallas，Texas，1976
也有很多专利文献试图解决与油气井注水泥作业有关的滤失控制问题。
Uhl，U.S.Pat.第4471097涉及到关于油藏的化学驱油的辅剂以及应用于油井钻井液的辅剂。这些辅剂是水溶性聚合物，含有20～80％(占重量)的不饱和烯烃磺酸，5～15％(占重量)的乙烯基丙烯酰胺，0～40％(占重量)的丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺，5～50％(占重量)的乙烯基咪唑，0～10％(占重量)的
其中，R5是氢或甲基，R6代表羟基，直链羧基，环形羧基，苯基，含有1-4个碳原子的烷基，或β-羟基羧基，0～25％(占重量)交联剂，这个交联剂至少含有两个烯烃双键。
在钻井施工中这个聚合物被用作降滤失剂。WP8302449与U.S.专利第4471097同样讨论了在深井水泥组成中用作流变添加剂的这些聚合物的作用。
Siegle，U.S.专利第3197428探讨了含有水泥和聚合物的组成，聚合物中的丙烯酰胺和丙烯酸改善油井注水泥施工并且减少水泥浆向渗透性地层的滤失。然而，Siegle的文章不是完全令人满意的，因为它们在高温下延缓水泥的凝固，因此不能在很深的油气井施工中出现的高温高压下使用。
Weisend，U.S.专利第3359225探讨了水泥添加剂，这些添加剂包括聚乙烯基吡咯和一个磺化石脑油精的钠盐与甲醛的缩合物，聚乙烯基吡咯减少水从水泥浆的分离。缩合物是一个分散剂。现有的发明中还没有这类共聚物和/或三聚物的学说。
Gibson et al，U.S.专利第3491040含水的水硬性水泥浆的组成，水泥浆包括水硬性水泥，水，表面活性剂和少量的聚烷基聚胺，聚烯属烃或此类的混合物。Gibson也探讨了一种磺酸盐缩合物分散剂用作水泥浆中的添加剂，它可与聚胺复配在200°F以内提供令人满意的滤失控制。磺酸石脑油精分散剂是一种典型的低分子量材料。分子量分布范围在1000到3000之间。
Harrison，U.S.专利第3409080探讨了一个含水的注水泥组成，这个组成适合于高紊流。这个专利的公开发表提出了聚乙烯醇和聚乙烯醋酸盐在油井水泥中可以用作降滤失剂。
Perisinski et al，U.S.专利第4015991，揭示了一个用于注水泥组成的降滤失剂，这个降滤失剂是丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸衍生物。这些共聚物只能在井底循环温度90～120°F范围内使用。另外，这些共聚物的抗盐能力最高只能达到10％。
纤维素基的降失水剂，像甲基纤维素、羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)可以和/不和聚石脑油精磺酸盐一类的分散剂复配使用。然而，CMC和HEC用作降滤失剂有几个缺点，这些材料是固体，结果在海湾油田施工中很难处理，另外，这些材料与其他材料比较来说增加了水泥浆的粘度，因此阻碍紊流条件下水泥浆的运动并且延迟水泥凝固。同样，在提高温度并有钙盐存在的情况下会失效。
因此，石油工业要求降失水剂对水泥性能的影响尽可能小并且具有降滤失性能，这个性能对于渗透性地层环境下的套管注水泥非常必要。而且，任何降失水剂应与多种其它外加剂尽可能有很好的复配性，并且可以在很宽的温度范围和其它环境条件下使用。
目前在市场上可以买到的油井水泥降失水剂主要有三大类：第一类是以改性纤维素类的降失水剂。其特点是配制的水泥浆初始稠度较大，对低温段水泥石强度发展有不利的影响。第二类是部分交联聚乙烯醇类降失水剂。其特点是配制的水泥浆在95℃以下失水量容易控制，水泥石强度发展快。但对不同品牌的水泥的适应性较差，抗温抗盐的能力差。第三类是以AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)为主体的多元共聚物降失水剂，即多功能合成降失水剂。
随着科学技术的进步，多功能高分子材料的设计、合成、结构与性能表征等方面均获得了长足的发展。本发明是以AMPS单体作为主体，通过加入具有特定官能团的其它单体，在一定条件下聚合，获得多功能降失水剂。这种共聚物的分子中同时存在不同的官能团，因此其本身具有良好的降失水、分散减阻、抗盐、抗污染等功能，而且用它配制的水泥浆稳定性良好。这种多功能降失水剂与多种其它外加剂有很好的复配性，并且可以在很宽的温度范围(循环温度从20℃到180℃)下和其它环境条件下使用，以满足不同的固井设计要求。在这些温度范围内可用这种多功能降失水剂配制淡水、盐水甚至饱和盐水水泥浆。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的合成共聚物作为固井水泥的降失水剂。它与水泥、水和其它外加剂一起配制成固井水泥浆。这种新的合成共聚物的作用是控制水泥浆中的水在泵压的驱动下经过渗透性地层时尽可能少地流失到地层中去，而应用于油气井固井作业中。可根据实际注水泥的需要，调节水泥浆中的这种合成共聚物降失水剂的掺量，以保证固井作业的安全。
本发明的具体技术内容是：
一种水泥降失水剂，其特征是组分和重量百分比含量如下：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 50-80％
衣康酸 2-20％，
丙烯酰胺 15-40％，
二烯丙基二甲基氯化铵 1-5％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 1-4％。
本发明水泥降失水剂的制备方法：按配方组分称量各种单体，并将单体质量的100-200％去离子水加入容器内，在搅拌下分别加入各种单体，搅拌溶解均匀；直接喷雾干燥或装入托盘进行合成反应、干燥、粉碎。
装入托盘进行干燥的温度优选为125℃～150℃。
本发明的水泥降失水剂的应用，其特征是组分和质量份数如下：
水泥 100份，
水 44份，
降失水剂 0.3-1.0份。
含有本发明的合成共聚物降失水剂的水泥浆性能评价，参照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5504.2-2005油井水泥外加剂评价方法第二部分：降失水剂》进行试验。
本发明中的降失水剂组分加到水泥浆中，可根据现场不同的井深和地层温度，添加不同的降失水剂掺量，可以有效地控制水泥浆经过渗透性地层时，由于泵送施加的压力使水泥浆中的水份虑失进入地层，引起水泥浆稠化时间不够长而中断注水泥作业引发的工程事故。
本发明具有以下优点：
1.常规固体聚合物一般是先合成后，再干燥，分两步进行，而本发明共聚物的合成、干燥同步进行。
2.本发明合成的共聚物作为油井水泥降失水剂可以在20℃～180℃的温度范围内使用，
3.与各种油井水泥及其它外加剂的兼容性好
4.可以使用淡水、盐水、饱和盐水配制水泥浆。
具体实施方式
实施例1：
按以下比例称取各种单体：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 65％
衣康酸 2.5％，
丙烯酰胺 30％，
二烯丙基二甲基氯化铵 1.5％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 1％。
在反应釜中加入各单体总量的180％的去离子水，打开搅拌器，然后加入称量好的各种单体，搅拌溶解均匀，然后通过直接喷雾干燥。用F1作为该共聚物的降失水剂代号。
表1不同试验温度下含F1降失水剂水泥浆的失水量试验数据
表2在80℃温度下，不同掺量的水泥浆失水量试验数据
| 山东G级水泥 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 自来水 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 |
| F1 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 1.0 |
| 失水量mL | 232 | 98 | 72 | 52 | 46 | 28 |
实施例2：
按以下比例称取各种单体：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 76％
衣康酸 2％，
丙烯酰胺 20％，
二烯丙基二甲基氯化铵 1％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 1％。
在反应釜中加入各单体总量的100％的去离子水，打开搅拌器，然后加入称量好的各种单体，搅拌溶解均匀，装入托盘，放入135℃的干燥炉内干燥。然后粉碎，用F2作为该共聚物的降失水剂代号。
表3不同试验温度下含F1降失水剂水泥浆的失水量试验数据
表4在80℃温度下，不同掺量的水泥浆失水量试验数据
| 山东G级水泥 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 自来水 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 |
| F2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 1.0 |
| 失水量mL | 241 | 92 | 69 | 48 | 45 | 29 |
实施例3：
按以下比例称取各种单体：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 56％
衣康酸 20％，
丙烯酰胺 15％
二烯丙基二甲基氯化铵 5％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 4％。
在反应釜中加入各单体总量的100％的去离子水，打开搅拌器，然后加入称量好的各种单体，搅拌溶解均匀，装入托盘，放入150℃的干燥炉内干燥。然后粉碎，用F3作为该共聚物的降失水剂代号。
表5在80℃温度下，不同掺量的水泥浆失水量试验数据
| 山东G级水泥 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 自来水 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 |
| F3 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 1.0 |
| 失水量mL | ＞1000 | ＞1000 | 840 | 580 | 300 | 120 |
实施例4：
按以下比例称取各种单体：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 80％
衣康酸 2.5％，
丙烯酰胺 15％
二烯丙基二甲基氯化铵 1％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 1.5％。
在反应釜中加入各单体总量的200％的去离子水，打开搅拌器，然后加入称量好的各种单体，搅拌溶解均匀，装入托盘，放入125℃的干燥炉内干燥。然后粉碎，用F4作为该共聚物的降失水剂代号。
表6在80℃温度下，不同掺量的水泥浆失水量试验数据
| 山东G级水泥 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 自来水 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 |
| F4 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 1.0 |
| 失水量mL | 283 | 230 | 80 | 60 | 58 | 40 |
实施例5：
按以下比例称取各种单体：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 50％
衣康酸 10％，
丙烯酰胺 34％
二烯丙基二甲基氯化铵 3％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 3％。
在反应釜中加入各单体总量的180％的去离子水，打开搅拌器，然后加入称量好的各种单体，搅拌溶解均匀，然后通过喷雾干燥。用F5作为该共聚物的降失水剂代号。
表7在80℃温度下，不同掺量的水泥浆失水量试验数
| 山东G级水泥 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 自来水 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 |
| F5 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 1.0 |
| 失水量mL | ＞1000 | 960 | 510 | 380 | 260 | 98 |
Claims (4)
1.一种水泥降失水剂，其特征是组分和重量百分比含量如下：
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 50-80％
衣康酸 2-20％，
丙烯酰胺 15-40％，
二烯丙基二甲基氯化铵 1-5％，
N-N-二甲基丙烯酰胺 1-4％。
2.权利要求1的水泥降失水剂的制备方法，其特征是按配方组分称量各种单体，将单体总质量的100-200％去离子水加入容器内，在搅拌下分别加入各种单体，搅拌溶解均匀；直接喷雾干燥或装入托盘进行合成反应、干燥、粉碎。
3.如权利要求2的方法，其特征是所述的装入托盘进行干燥的温度为125℃～150℃。
4.水泥降失水剂的应用，其特征是组分和质量份数如下：
水泥 100份，
水 44份，
降失水剂 0.3-3.0份。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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Owner name: TIANJIN HEXIN CHEMICAL TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: TIANJIN HENGXIN PETROLEUM TECHN DEVELOPMENT CO., LTD. Effective date: 20140310 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 300451 TANGGU, TIANJIN TO: 300451 BINHAI NEW DISTRICT, TIANJIN |
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Effective date of registration: 20140310 Address after: 300451, Binhai New Area, Tanggu new North Road, 4668, Binhai innovation and Innovation Park, No. 41 factory building, Tianjin Patentee after: Tianjin faith Chemical Technology Co., Ltd. Address before: 300451, Tianjin Tanggu Binhai innovation and Innovation Park, No. 41 factory building Patentee before: Tianjin Hengxin Petroleum Techn Development Co., Ltd. |
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Granted publication date: 20130612 Termination date: 20151202 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |