CN102351986A - 一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，涉及油气井水泥缓蚀剂制备方法技术领域，其步骤包括：（1）按照质量比73~75:25~27分别称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸溶解于总单体质量的200%去离子水中；（2）用50%质量体积浓度的NaOH溶液调节步骤（1）中的溶液pH值至5~6；（3）将步骤（2）所得的溶液置于三口烧瓶中，进行恒温水浴，升温至60~65℃；（4）向步骤（3）所得溶液中滴加占总单体质量1.0%~2.0%的引发剂，持续反应时间4~6小时，得最终产物。本方法工艺简单、成本低廉，所用原料较少，且制备的缓凝剂能很好地解决高温水泥浆在50-180摄氏度的中温下的“过缓凝”技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及油气井水泥缓蚀剂制备方法技术领域，确切地说涉及深井固井中延长水泥浆稠化时间的有机合成缓凝剂的制备方法。
背景技术
固井用缓凝剂的作用就是能够有效延长或维持水泥浆处于液态和可泵性的时间。好的缓凝剂在任何温度区间都具有缓凝作用，而稠化时间的长短与加量成正比，并与各种油井水泥有良好的适应性，与其他外加剂有良好的配伍性和相容性。
目前固井水泥浆常用的缓凝剂有以下几类：木质素磺酸盐及其衍生物，如木质素磺酸钠，木质素磺酸钙等。这类缓凝剂可以用于井底温度150℃内注水泥浆作业，但对水泥成分的变化较敏感，用其调制的水泥浆常常出现中低温“过缓凝”现象，其性能不稳定，水泥浆稠化时间对加量敏感等问题。
羟基羧酸及其盐类，包括酒石酸及其盐，柠檬酸及其盐，糖类化合物。其中酒石酸及其盐具有强烈缓凝作用，在任何温度区间加量和稠化时间都不成线性，使用时缺乏安全性，已经很少使用。葡萄糖类具有的多个羟基活性基团使其具有强烈的缓凝作用，适用温度可达160℃，但稠化时间与加量不呈线性，难调节，温差较大即存在过缓凝的情况，同时，强烈的泌水性使得水泥浆的稳定性变差，自由液增多。
有机磷酸盐类，如EDTMPS，HEDPA，烯基磷酸盐这类缓凝剂的优点的加量小，但较少能抗高温，且不易调控。
其他的缓凝剂还包括无机物，如磷酸，氯化钠，氯化锌等单独使用较少，多用复合物作缓凝剂。
上述缓凝剂或多或少存在不足之处，解决这些问题的有效方法是使用合成聚合物缓凝剂。近二十年来，合成缓凝剂已经在工业中得到了大量的应用，克服了上述缓凝剂的一些缺点，并较大程度地拓展了水泥浆的温度使用范围，如BJ公司的SR-30（1）型缓凝剂，适用温度达214 ℃，哈利伯顿公司研发的缓凝剂HR-25使用温度达218℃等等。国内李长安等合成的有机磷酸缓凝剂以及齐志刚等研制的高温耐盐缓凝剂能抗温170℃。步玉环等用N，N-二甲基丙酰胺为母液，以过氧化苯甲酰为引发剂合成的AMPS-IA高温缓凝剂，能耐温180℃，李勇等用AMPS-IA-AM-DMDPAA四元共聚合成的高温缓凝剂能够耐温180℃，但其工艺或所用原材料相对较复杂。
公开号为CN 101870753A，公开日为 2010年10月27日得中国专利文献公开了一种用于高温水泥缓凝剂的聚合物的制备方法，包括：将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸和衣康酸溶解在去离子水中，得到混合溶液，所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸和衣康酸的摩尔比为6～8∶0.1～1.5∶1.5～3；向所述混合溶液中加入引发剂和链转移剂，得到反应液；将所述反应液升温至40℃～60℃进行聚合反应，得到聚合物。本发明还提供了一种用于高温水泥缓凝剂的聚合物。实验结果表明，当本发明提供的聚合物用量为水泥用量的7%时，在230℃×130MPa条件下，波特兰G级水泥浆的稠化时间为249min。
上述专利文献为代表的现有技术，主要解决了在180度以上时的循环温度使用时具有较好的缓凝效果，但在50-180度的温度内时，该水泥缓凝剂的缓凝效果就受到很大影响，并且所用原材料相对复杂，不能很好地解决高温水泥浆在50-180度的中温下的“过缓凝”技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种在50-180度的温度内时，具有较好的缓凝效果的油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，本方法工艺简单、成本低廉，所用原料较少，且制备的缓凝剂能很好地解决高温水泥浆在50-180度的中温下的“过缓凝”技术问题。
本发明是通过采用下述技术方案实现的：
一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于步骤包括：
（1）按照质量比73~75:25~27分别称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸溶解于总单体质量的200%去离子水中；
（2）用50%质量体积浓度的NaOH溶液调节步骤（1）中的溶液pH值至5~6；
（3）将步骤（2）所得的溶液置于三口烧瓶中，进行恒温水浴，升温至60~65℃；
（4）向步骤（3）所得溶液中滴加占总单体质量1.0%~2.0%的引发剂，持续反应时间4~6小时，得最终产物。
更优的，所述步骤（1）中，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸的质量比为75:25。
更优的，所述步骤（2）中，所调节pH值为6。
更优的，所述步骤（3）中，升温的温度为60℃。
更优的，所述步骤（4）中，引发剂的滴加量为2.0%，持续反应时间为4小时。
更优的，在步骤（3）后的30分钟内，即在步骤（3）所得的溶液中滴加引发剂。
所述三口烧瓶上安装有温度计和搅拌器。
所述引发剂具体选用过硫酸钾。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果如下：
1、采用本发明步骤（1）-（4）所形成的技术方案，与公开号为CN 101870753A专利文献为代表的现有技术相比，本方法采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸溶解于总单体质量的200%去离子水，原料更简单，采用采用NaOH溶液调节pH，再进行恒温水浴，最后再滴加引发剂形成最终产品，这样一个特定的顺序步骤所制备的产品，经试验（具体试验步骤参见实施例），得知能够在50~180℃温度范围内有效延长水泥浆的稠化时间，起到良好的缓凝作用，有较宽的温度使用范围，与降失水剂有良好的配伍性。
将本方法制备的该缓凝剂应用于固井施工中，以夹江G级水泥为例，按GB/T19139-2003标准配置水灰比0.44的水泥浆，在水泥浆中加有上述缓凝剂样品，测定稠化时间为348分钟，实验条件150℃、60MPa，稠化曲线如图1所示。将上述同样配方水泥浆经稠化仪搅拌，升温升压至150℃、60MPa，恒定30分钟，然后降至75℃，在超声波强度仪中养护，养护条件75℃，21MPa，水泥石13小时凝固，24小时具有抗压强度14MPa（见图2），表明该缓凝剂能很好解决高温水泥浆在中温下的“过缓凝”问题。
2、与现有技术相比，本发明至少具有如下技术优势：
1）、本方法为水溶液聚合，生产工艺更简单、合理、易操作；
2）、所得产品能适用于50~180℃水泥浆中，有效调节水泥浆的稠化时间；
3）、缓凝剂能与多种降失水剂配伍，不影响降失水性能；
4）、所配制的高温水泥浆在中低温条件下能快速凝固。
3、各步骤中，采用更优的参数取值，可获得更优的技术效果，具体参见实施例的具体实例验证。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1为本发明-实施例中水泥浆在150℃×60MPa下的稠化曲线图
图2为本发明-实施例中水泥浆在75℃×21MPa下的超声波强度发育曲线图。
具体实施方式
实施例1
本发明公开了一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其步骤包括：
（1）按照质量比73~75:25~27分别称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸溶解于总单体质量的200%去离子水中；
（2）用50%质量体积浓度的NaOH溶液调节步骤（1）中的溶液pH值至5~6；
（3）将步骤（2）所得的溶液置于三口烧瓶中，进行恒温水浴，升温至60~65℃；
（4）向步骤（3）所得溶液中滴加占总单体质量1.0%~2.0%的引发剂，持续反应时间4~6小时，得最终产物。
采用上述步骤制备的缓凝剂，与现有类似技术相比，本发明具有以下技术优势：
本方法为水溶液聚合，生产工艺更简单、合理、易操作；
所得产品能适用于50~180℃水泥浆中，有效调节水泥浆的稠化时间；
缓凝剂能与多种降失水剂配伍，不影响降失水性能；
所配制的高温水泥浆在中低温条件下能快速凝固。
实施例2
本发明所述二元聚合物缓凝剂的制备方法如下：
按照质量比75:25分别称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、衣康酸溶解于总单体质量的200%去离子水中；用50%质量体积浓度的NaOH溶液调节pH值至6；将溶液置于带温度计和搅拌器的三口烧瓶中，恒温水浴升温至60℃，30min内向溶液中滴加占总单体质量2.0%的引发剂过硫酸钾，持续反应时间4小时，得最终产物，二元共聚物缓凝剂。
本发明的效果是：
该缓凝剂能在50~180℃温度范围内有效延长水泥浆稠化时间。以夹江G级水泥为例，按GB/T19139-2003标准配置水灰比0.44的水泥浆，在水泥浆中加入不同含量的上述缓凝剂样品，测定不同温度和压力条件下的稠化时间和24小时抗压强度，结果见表1：
表1 不同温度下稠化时间和抗压强度数据。
表1中，1、2号配方为夹江G级水泥+聚乙烯醇类降失水剂+缓凝剂+消泡剂；
3~6号配方为夹江G级水泥+合成共聚物类降失水剂+缓凝剂+消泡剂
由表1可知，本发明所制得的缓凝剂能够在50~180℃温度范围内有效延长水泥浆的稠化时间，起到良好的缓凝作用，有较宽的温度使用范围，与降失水剂有良好的配伍性。
将该缓凝剂用于固井施工中，以夹江G级水泥为例，按GB/T19139-2003标准配置水灰比0.44的水泥浆，在水泥浆中加有上述缓凝剂样品，测定稠化时间为348分钟，实验条件150℃、60MPa，稠化曲线如图1所示。将上述同样配方水泥浆经稠化仪搅拌，升温升压至150℃、60MPa，恒定30分钟，然后降至75℃，在超声波强度仪中养护，养护条件75℃，21MPa，水泥石13小时凝固，24小时具有抗压强度14MPa（见图2），表明该缓凝剂能很好解决高温水泥浆在中温下的“过缓凝”问题。
实施例中水泥浆配方为：夹江G级水泥600g+200g硅粉+缓凝剂2.5%+0.2%消泡剂。
按照上述实施例可以很好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的最佳实施例，本发明的实施方式并不仅限于此。
Claims (8)
1.一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于步骤包括：
（1）按照质量比73~75:25~27分别称取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸溶解于总单体质量的200%去离子水中；
（2）用50%质量体积浓度的NaOH溶液调节步骤（1）中的溶液pH值至5~6；
（3）将步骤（2）所得的溶液置于三口烧瓶中，进行恒温水浴，升温至60~65℃；
（4）向步骤（3）所得溶液中滴加占总单体质量1.0%~2.0%的引发剂，持续反应时间4~6小时，得最终产物。
2.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和衣康酸的质量比为75:25。
3.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所调节pH值为6。
4.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，升温的温度为60℃。
5.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，引发剂的滴加量为2.0%，持续反应时间为4小时。
6.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：在步骤（3）后的30分钟内，即在步骤（3）所得的溶液中滴加引发剂。
7.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：所述三口烧瓶上安装有温度计和搅拌器。
8.根据权利要求1所述的一种油气井固井用二元共聚物缓凝剂的制备方法，其特征在于：所述引发剂具体选用过硫酸钾。
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