CN103013481A - 一种防倒挂宽温带油井水泥缓凝剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油固井作业的水泥浆缓凝剂，其含有两种组分，一种是含有羧酸基团的二元共聚物，重量份数为50-70，另一种是酒石酸，重量份数为30-50，含有羧酸基团的二元共聚物平均相对分子质量为2,000-2,0000。该缓凝剂适用温度宽，适应大温差能力强，加有该缓凝剂的水泥浆无倒挂问题，可广泛应用于各种浅井、中深井、深井及超深井中。

Description

一种防倒挂宽温带油井水泥缓凝剂

技术领域

本发明涉及一种油田固井用防倒挂宽温带油井水泥缓凝剂，属于油田化学及油气井固井领域。采用该方法制备的缓凝剂用于石油、天然气井的固井过程中改善水泥浆稠化性能。

背景技术

油气井钻井完成后，需要下入套管并泵入水泥浆来封固套管与地层之间的环形空间。通常情况下，水泥浆是通过套管泵达井底，然后从环形空间上返到井口或预定位置，待其凝固后起到封隔油气水层和保护套管的作用。水泥浆在被泵送的过程中需要保持良好的可泵性，但是随着水泥浆中活性成分水化反应的进行，水泥浆的稠度会逐渐增大，待水泥浆稠度达到一定值时，水泥浆会失去流动性而无法被泵送。为了延长水泥浆保持良好流动性的时间，进而满足固井施工要求，往往需要在水泥浆中加入缓凝剂。

目前使用较为普遍的油井水泥缓凝剂主要有：木质素磺酸盐、羟基羧酸盐、糖类及其衍生物、硼酸及其盐类、有机膦酸盐、丙烯酰胺类聚合物等。但是这些缓凝剂中的低分子缓凝剂均存在适应大温差能力差的问题，且加有以上大部分缓凝剂的水泥浆会存在“倒挂”的问题，即同一配方情况下温度越高凝结时间反而越长，倒挂现象一般出现在50℃～85℃，75℃与85℃的倒挂现象最为明显。聚合物类缓凝剂适应大温差能力较好，但是仍存在倒挂的问题。凝结时间“倒挂”现象使得水泥浆候凝期间上部水泥先凝固而下部水泥后凝固，有时会有相当长的时间差，这就造成其候凝过程中的水泥浆失重，容易发生“气窜”，不利于封固油气层。对于长封固井段来说，水泥浆柱的底部与顶部温差较大，且随着封固段长度的增加，两者的差别增大。为了满足固井施工安全的需要，在固井工程设计时是以井底循环温度作为水泥浆稠化时间的测试温度，如果缓凝剂适应大温差的能力较差，加有缓凝剂的水泥浆就容易在其顶部温度下候凝时间较长，甚至发生超缓凝现象，大大延长现场候凝时间增加钻井成本，更增加了固井的不安全因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种油井水泥缓凝剂，其含有两种组分，一种是含有羧酸基团的二元共聚物，另一种是酒石酸。该缓凝剂适用温度宽，适应大温差能力强，加有该缓凝剂的水泥浆无倒挂问题，可广泛应用于各种浅井、中深井、深井及超深井中。

本发明的水泥缓凝剂，它包含以下组分：

a）一种含有羧酸基团的二元共聚物，重量份数为50-70；

b）酒石酸，重量份数为30-50。

其中所述的含有羧酸基团的二元共聚物平均相对分子质量为2,000-2,0000，优选4,000-8,000，该共聚物为二元共聚物，共聚单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与衣康酸。

该二元共聚物可选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70～80重量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、20～30重量份的衣康酸、占单体总质量400%的去离子水加入到反应容器中，将反应器放入60℃恒温水浴中，向反应器内通入30min的氮气以排除氧气，待反应器内水溶液温度达到60℃后，加入占单体质量总和0.2%～3%的过硫酸钾以引发反应，使反应持续4h-5h，制得二元共聚物溶液。二元共聚物溶液可以进一步干燥制得粉剂，也可以直接使用共聚物溶液，其有效含量按单体总质量占共聚物溶液总质量百分比计。

其中所述缓凝剂组分的重量份数均指纯组分的重量份数，若缓凝剂组分为水溶液，则指其有效含量。

与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：

（1）与普通的低分子量缓凝剂相比，利用本发明缓凝剂所配制的高温水泥浆在中低温条件下能快速凝固；

（2）与现有的大温差缓凝剂相比，利用本发明缓凝剂所配制的水泥浆不存在倒挂问题。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

首先制备二元共聚物。将24.81g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、5.19g衣康酸加入到120g去离子水中，溶解好后加入到三口烧瓶，将三口烧瓶放入60℃的恒温水浴中，开始搅拌，并向三口烧瓶中通入30min的氮气以排除氧气，待三口烧瓶内水溶液的温度达到60℃以后，加入30g浓度为2wt%的过硫酸钾引发剂溶液，使反应持续4h，制得二元共聚物溶液。该溶液有效含量为16.67%。

然后，取21.5g酒石酸加入180g二元共聚物溶液混合均匀得到201.5g缓凝剂样品1。样品1中二元共聚物的重量份数为58.33，而酒石酸的重量份数为41.67。

按GB/T19139-2003标准制备水泥浆，评定稠化时间、24h抗压强度，75℃与85℃凝结时间。水泥浆配方为：嘉华G级水泥+1%降失水剂（粉体）+缓凝剂（液体）+水，水灰比0.44，配方中样品加量均以水泥为基准。其中降失水剂为丙烯酰胺衍生物类聚合物，起到控制滤失与稳定浆体的作用，缓凝剂为样品1与本发明中的二元共聚物。

表1水泥浆性能表

从表1可以看出，加有3wt%二元共聚物的水泥浆140℃的稠化时间为306min，75℃凝结时间为38h，85℃凝结时间为51h，有明显的倒挂现象，而加有2.3wt%样品1的水泥浆140℃的稠化时间为312min，75℃凝结时间为24h，85℃凝结时间为23h，与加有3%二元共聚物的水泥浆稠化时间相差不大，但无倒挂现象，并且凝结时间比加有3%二元共聚物的水泥浆短，即适应大温差的能力更强。此外，表1中的强度数据显示加有两种缓凝剂的水泥浆均具有优异的强度性能。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种防倒挂宽温带油井水泥缓凝剂，其特征在于：它包含以下组分和含量：

a）含有羧酸基团的二元共聚物，重量份数为50-70；b）酒石酸，重量份数为30-50；含有羧酸基团的二元共聚物平均相对分子质量为2,000-2,0000。

2.根据权利要求1所述的防倒挂宽温带油井水泥缓凝剂，其特征在于：其中所述的二元共聚物，共聚单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与衣康酸。

3.根据权利要求2所述的防倒挂宽温带油井水泥缓凝剂，其特征在于：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的重量份为70～80、衣康酸的重量份为20～30。