CN105441040A - 一种抗高温耐盐的降失水剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗高温耐盐的降失水剂及其制备方法,该降失水剂是由苯乙烯磺酸钠、反丁烯二酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯形成的四元共聚物,其制备方法包括:(1)、将反应单体分别溶解于水;(2)、将苯乙烯磺酸钠溶液和反丁烯二酸溶液混匀后调节pH至7.5~8.5,加入丙烯酰胺溶液和甲基丙烯酸羟乙酯溶液混匀后升温,加入引发剂过硫酸钾,通入氮气保护,在60℃~80℃条件下反应2~4h,得到粘稠的液状产物;(3)、用无水乙醇洗涤,烘干、研磨,得到抗高温耐盐的降失水剂。本发明原理可靠,操作简便,在降失水剂中引入刚性基团和相关功能性基团,通过对分子量进行调整获得最佳的产物。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探开发领域固井过程中使用的降失水剂及其制备方法,特别是涉及一种抗高温耐盐的降失水剂以及该降失水剂的制备方法。
背景技术
我国国土辽阔,地质情况十分复杂,不同的地区之间差异很大。在深层勘探过程中,常常钻遇高温高压复杂地层。随着油气井钻探深度的加深,地层温度也不断升高。固井时高温环境会使水泥浆稠化时间变短,失水量增大,水泥石强度衰退,导致常规水泥浆外加剂失效,难以满足施工要求。
国内外固井外加剂品种很多,概括起来主要包括以下几类:分散剂、降失水剂、缓凝剂、促凝剂、消泡剂、减轻剂、加重剂、堵漏剂、游离水控制和固体悬浮调节剂、其他特种功能外加剂等。其中高温高压固井中,分散剂、降失水剂和缓凝剂是三大主要的固井外加剂。降失水剂主要用于固井中控制水泥浆中液相向渗透性地层滤失,保持水泥浆有适当的水含量,从而保证了固井的施工安全,同时也避免了大量失水对地层的破坏。降失水剂的主要作用机理有堵塞、胶凝、吸附水化、增加浆液黏度及改善水泥浆粒度分布等。
降失水剂作为油井水泥外加剂,能够确保固井施工安全,提高固井质量。常规的水溶性高分子类油井水泥降失水剂会使水泥浆增稠、流变性差,影响水泥浆泵送,且在高温环境中易发生热降解,使降失水剂失效。
常规钻井用降失水剂包括:
①改性天然产物类降失水剂:可用作降失水剂的改性纤维素有羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素等。
②聚合物类降失水剂:
聚合物类降失水剂主要包括非离子型聚合物和阴离子型聚合物。例如常见的非离子型聚合物有聚乙烯醇等产品,阴离子型聚合物包含的类别较多,常用的包含丙烯酰胺丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、N,N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯、乙烯咪唑、乙烯甲酰胺、反丁烯二酸、乙烯吡啶、N-甲基-N-乙烯基乙酰胺等。
例如,中国专利CN1407051A公开了一种油井水泥降失水剂组合物,包括:1)水;2)交联度为0.005~0.5%的聚乙烯醇;3)聚乙烯醇重量的0.5~3倍的磺化丙酮-甲醛缩合物。微交联聚乙烯醇胶乳是按照以下方法制备的:将水解度≥80%,分子量为10,000~500,000的聚乙烯醇溶于水,配成2~15%的水溶液,在30~60℃下加入聚乙烯醇单元摩尔用量的0.005~0.5%的交联剂充分混合,加酸调节pH值小于5,反应2~6小时即可。
虽然该产品成本较低,工艺过程条件温和,易于控制,步骤简单,但是该降失水剂在高盐和高温环境下使用效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高温耐盐的降失水剂,该降失水剂是由苯乙烯磺酸钠SSS、反丁烯二酸FA、丙烯酰胺AM和甲基丙烯酸羟乙酯HEMA形成的四元共聚物,具有耐高温耐盐的特性,市场前景广阔。
本发明的另一目的还在于提供上述抗高温耐盐的降失水剂的制备方法,该方法原理可靠,操作简便,通过对油井水泥降失水剂的作用机理和水泥水化过程进行分析,在降失水剂中引入刚性基团,并引入相关功能性基团,并通过对分子量进行调整获得最佳的产物。
为达到以上技术目的,本发明提供以下技术方案。
一种抗高温耐盐的降失水剂,是由苯乙烯磺酸钠SSS、反丁烯二酸FA、丙烯酰胺AM和甲基丙烯酸羟乙酯HEMA形成的四元共聚物,其结构如下:
其中x、y、z、w为单体聚合度,x:y:z:w=15~35:2.5~10.5:10~28:5~21,聚合物分子量为5~7万。
所述抗高温耐盐的降失水剂的制备方法,依次包括以下步骤:
(1)、将苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺、反丁烯二酸、甲基丙烯酸羟乙酯分别溶解于水;
(2)、将苯乙烯磺酸钠溶液和反丁烯二酸溶液混匀后用氢氧化钠溶液调节pH至7.5~8.5,然后加入丙烯酰胺溶液和甲基丙烯酸羟乙酯溶液混匀后升温,苯乙烯磺酸钠、反丁烯二酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为30~50:5~15:20~40:10~30,总的单体质量百分比为12~15%,加入引发剂过硫酸钾,引发剂加量为单体总质量的0.5~1.5%,通入氮气保护,在60℃~80℃条件下反应2~4h,得到粘稠的液状产物;
(3)、将液状产物用无水乙醇洗涤2~4次,然后在40~60℃下烘干、研磨,得到所述抗高温耐盐的降失水剂。
所述步骤(2)中苯乙烯磺酸钠、反丁烯二酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比优选为4:1:3:2。
本发明通过对油井水泥降失水剂的作用机理和水泥水化过程进行分析,在降失水剂中引入刚性基团苯环,苯环为刚性基团,因此增强了降失水剂的耐温性。
同时引入吸附性和亲水性的基团,改善水泥浆流动性,稳定性。具体来说,该降失水剂中的酰胺基、酯、磺酸基、羧酸具有较强的吸附性和亲水性。
聚合物类降失水剂的分子链需要稳定的吸附在水泥颗粒上才能起到有效控制失水的作用。常见基团对水泥颗粒的吸附性能比较:-S03>-COO->-CONH2>-OH>-O-;常见基团对水泥颗粒的稳定性能比较:-S03>-COO->-OH>-O->-CONH2。因此,本发明通过引入酰胺基、酯、磺酸基、羧酸可以起到良好的吸附作用,也具有良好的稳定性;并通过苯环和大侧基钢性链等来提高共聚物的耐温性。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明通过对降失水剂选择最优的配比,并通过引入长侧链和刚性基团,在60~180℃的温度范围内,水泥浆的API失水量能够控制在100mL以内,能够有效提升降失水剂的耐温性;
(2)该降失水剂在含盐环境中,能够有效封堵水泥浆的缝隙,并形成致密的滤饼层,减少自由水的流失降失水剂可控制失水在100mL以内,加量越大失水量越低,并能够为水泥浆提供粘性,改善流变性、稳定性。
附图说明
图1为实施例1中不同单体配比降失水剂对水泥浆失水量的影响。
图2为最佳配比降失水剂在淡水、半饱和盐水及饱和盐水中对水泥浆的粘度影响。
图3为最佳配比降失水剂在淡水、半饱和盐水及饱和盐水中对水泥浆的失水量的影响。
具体实施方式
下面根据实施例和附图进一步说明本发明。
一、抗高温耐盐的降失水剂的制备
实施例1
(1)、将苯乙烯磺酸钠SSS、丙烯酰胺AM、反丁烯二酸FA、甲基丙烯酸羟乙酯HEMA分别溶解;
(2)、将苯乙烯磺酸钠SSS和反丁烯二酸FA混匀后加入质量分数20%的氢氧化钠溶液调节pH至8,然后加入丙烯酰胺AM和甲基丙烯酸羟乙酯HEMA混匀后升温至70℃,再加入单体总质量1%的引发剂过硫酸钾,通入氮气保护下反应3h,得到粘稠的液状产物;
(3)、将液状产物用无水乙醇洗涤3次,得到白色絮状物,将白色絮状物在烘箱内进行干燥,烘干后研磨,得到降失水剂粉末。
(4)、按照GB/T19139-2012《油井水泥实验方法》制备水泥浆,并测试降失水剂的应用性能。
两组试验例中四种单体的配比如表1。
表1制备降失水剂的单体配比表
将G级水泥600g、水264g、降失水剂30g、分散剂(由甲醛、丙酮等聚合改性而成)3g、缓凝剂(有机磷酸盐类)12g和消泡剂(磷酸酯类)0.5g混合均匀,得到水泥浆,并测定水泥浆在60℃、6.9MPa压力下的失水量,结果如图1所示。
从图1中可以看出,A组曲线在B组上方,说明A组的失水量均高于B组;并且,A组和B组的试验例1~5的失水量依次增加,说明在同组中试验例A1和试验例B1的实施效果最佳,经过反复测试,得到四种单体的最佳摩尔比为4:1:3:2。
二、抗高温耐盐的降失水剂的性能测试
性能测试中,以苯乙烯磺酸钠、反丁烯二酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为4:1:3:2制备的降失水剂为例,测定水泥浆在60℃、6.9MPa压力下的各种性能。
(1)降失水剂的耐盐性能测试
降失水剂对含盐水泥浆的粘度影响,结果如图2所示。
降失水剂对含盐水泥浆的失水量的影响,结果如图3所示。
以上两个结果表明,1:降失水剂在同等加量下,不同含盐量的水泥浆之间粘度变化控制在±2~10mPa·s,属于正常变化范围,说明在不同含盐量的水泥浆中降失水剂对水泥浆粘度影响较小,且降失水剂的加量越大,水泥浆的粘度提升明显,说明降失水剂能有效改善水泥浆的粘性,间接改善水泥浆的流动性和稳定性;2:降失水剂在同等加量下,不同含盐量的水泥浆之间失水量变化控制在±3~15mL,属于正常变化范围,且随降失水剂加量的增加,水泥浆的失水量明显降低。综上所述,降失水剂在不同含盐量的水泥浆中表现出足够的稳定性,且能够控制水泥浆的失水量,说明降失水剂具有良好的耐盐性能。
(2)降失水剂的抗高温性能测试
降失水剂的抗高温性能测试结果如表2所示。
表2降失水剂抗高温性能测试
从表2可以看出,在60~180℃温度范围内,降失水剂能将水泥浆的失水量控制在100mL以内,性能良好。
综上所述,本发明通过实验验证,得到SSS/FA/AM/HEMA最佳配方为4:1:3:2,反应温度70℃,引发剂加量1%,PH值为8,反应时间3小时。
本发明降失水剂在60~180℃的温度范围内,水泥浆的API失水量能够控制在100mL以内,证明本发明制备的降失水剂通过引入长侧链和刚性基团,能够有效提升降失水剂的耐温性。
本发明降失水剂在含盐和不含盐环境中,降失水剂可控制失水在100mL以内,加量越大失水量越低,并能够为水泥浆提供粘性,改善流变性、稳定性。
Claims (3)
1.一种抗高温耐盐的降失水剂,是由苯乙烯磺酸钠SSS、反丁烯二酸FA、丙烯酰胺AM和甲基丙烯酸羟乙酯HEMA形成的四元共聚物,其结构如下:
其中x、y、z、w为单体聚合度,x:y:z:w=15~35:2.5~10.5:10~28:5~21,聚合物分子量为5~7万。
2.如权利要求1所述的抗高温耐盐的降失水剂的制备方法,依次包括以下步骤:
(1)、将苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺、反丁烯二酸、甲基丙烯酸羟乙酯分别溶解于水;
(2)、将苯乙烯磺酸钠溶液和反丁烯二酸溶液混匀后用氢氧化钠溶液调节pH至7.5~8.5,然后加入丙烯酰胺溶液和甲基丙烯酸羟乙酯溶液混匀后升温,苯乙烯磺酸钠、反丁烯二酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为30~50:5~15:20~40:10~30,总的单体质量百分比为12~15%,加入引发剂过硫酸钾,引发剂加量为单体总质量的0.5~1.5%,通入氮气保护,在60℃~80℃条件下反应2~4h,得到粘稠的液状产物;
(3)、将液状产物用无水乙醇洗涤2~4次,然后在40~60℃下烘干、研磨,得到所述抗高温耐盐的降失水剂。
3.如权利要求2所述的抗高温耐盐的降失水剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中苯乙烯磺酸钠、反丁烯二酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为4:1:3:2。
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