CN106085389A - 耐高温油井水泥缓凝剂及其制备方法 - Google Patents

耐高温油井水泥缓凝剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了耐高温油井水泥缓凝剂及其制备方法，该水泥缓凝剂具有苯乙烯磺酸钠、马来酸或衣康酸、N‑乙烯基己内酰胺三种结构单元，其制备方法如下：(1)将苯乙烯磺酸钠、马来酸或衣康酸、N‑乙烯基己内酰胺以质量比为10～17:2～7:1～3的比例混合，溶解在去离子水中，溶液中单体总的质量浓度为10～20％，调节溶液PH值4～9；(2)向反应容器通入氮气除氧，待反应体系温度升至55～70℃时，加入引发剂过硫酸钾；(3)反应进行3～7h后，将黄色微粘稠液体产物冷却至室温，进行提纯、干燥和粉碎。该水泥缓凝剂在具有耐高温特性的同时不影响其高温沉降稳定性，其制备方法原理可靠，操作简便，具有广阔的市场前景。

Description

耐高温油井水泥缓凝剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种油田固井用油井水泥聚合物缓凝剂，采用自由基水溶液聚合方法，选用新型单体共聚而得，能有效延长油井水泥浆的稠化时间。本发明还涉及该聚合物缓凝剂的制备方法。
背景技术
固井是指当钻井作业达到一定井深后，在已钻成井眼中下入套管柱，然后在套管和井壁之间的环空内注入水泥浆达到某预定位置，并使其在预定时间内迅速凝结、硬化，形成优质、完整、具有良好层间封隔能力的水泥环的过程。由于该过程具有不可逆性，只有在稠化阶段中水泥浆的流变性能满足泵送条件，才有可能完成安全泵注，如果在固井施工中水泥浆稠化时间过短，钻具会被水泥固死，产生“插旗杆”事故；以及在注水泥时水泥浆还未来得及完全顶替到环空中就在套管中凝固，这时会产生“灌香肠”现象导致固井失败，因此，水泥浆的稠化时间和初终凝时间是确保固井施工顺利和固井质量的关键环节。
缓凝剂作为水泥浆最重要的三种外加剂之一，对延迟水泥浆凝固时间，维持浆体可泵送状态具有重要作用，尤其是在水泥浆稠化时间急剧缩短，水泥强度衰减明显的高温高压深井中，缓凝剂是必不可少的组分，从而成为深井固井灌注作业顺利进行的保障。
随着油气开采向深部储层转移，深井、超深井和复杂井的数量逐年增加，井底温度和压力明显提高，固井施工的难度越来越大，固井外加剂使用的条件也越来越苛刻。在深井、超深井固井过程中，为满足高循环温度下施工的时限要求，水泥浆中加入了大量的高温缓凝剂，以增加水泥浆的稠化时间，降低粘度，延长可泵送时间，改善流变性能等，但井深增大对油井水泥缓凝剂的抗温能力提出了更髙的要求，如与水泥浆相容性良好，低温下不增稠，高温下不沉降，在高温、超高温范围内能够有效延长油井水泥的稠化时间，稠化时间≥300min且达到线性可调等等。
在深井长封固段固井过程中，大量传统的高温缓凝剂的加入能起到延长稠化时间的目的，但在缓凝剂适应极高温度压力环境的同时，由于聚合物的分解作用，水泥浆沉降稳定性变差，出现过度分散、稠度降低明显的现象，导致缓凝效果降低，同时水泥浆出现严重的沉降现象，该问题不但影响固井质量，还存在一定程度上的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温油井水泥缓凝剂，该耐高温油井水泥缓凝剂在具有耐高温特性的同时不影响其高温沉降稳定性，水泥浆稠度保持在一定值周围，波动不明显，具有解决现有工程施工难题的潜力。
本发明的另一目的还在于提供上述耐高温油井水泥缓凝剂的制备方法，该方法原理可靠，操作简便，通过该方法制备的聚合物缓凝剂加入水泥浆后，稠化曲线稳定，能有效延长水泥浆稠化时间，且高温条件下，浆体稠度变化不大，能够避免因水泥浆稳定变差而导致的沉降问题，具有广阔的市场前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
耐高温油井水泥缓凝剂，采用含磺酸及苯环基团作为主单体，含大量羧基官能团的有机酸和含有七元环结构的内酰胺作为副单体，形成具有耐高温且不易分解的三元共聚物。
该耐高温缓凝剂共聚物的分子结构设计从三方面入手，首先是选择能提高缓凝剂分子链的刚性和空间位阻的单体(如苯乙烯磺酸钠SSS)，提高缓凝剂分子链的耐热抗盐等性能；其次是引入能增加缓凝剂分子链对水泥粒子吸附能力的单体(如衣康酸IA、马来酸MA等)，使高温条件下缓凝剂分子链热运动加剧时仍然能够对水泥粒子进行有效吸附，从而保证缓凝剂在高温条件下的缓凝性能；最后是引入能适应温度变化的单体(如N-乙烯基己内酰胺NVCL等)，确保调凝和强度发展的协调统一。
耐高温油井水泥缓凝剂，具有苯乙烯磺酸钠(SSS)、马来酸(MA)或衣康酸(IA)、N-乙烯基己内酰胺(NVCL)三种结构单元，其结构如下：
x、y、z为结构单元百分数，x＝50～85％，y＝10～35％，z＝1-x-y，其分子量为9000～70000。
所述耐高温油井水泥缓凝剂的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)在反应容器中将苯乙烯磺酸钠、马来酸或衣康酸、N-乙烯基己内酰胺以质量比为10～17:2～7:1～3的比例混合，溶解在去离子水中，该溶液中单体总的质量浓度为10～20％，用氢氧化钠调节反应溶液的PH值在4～9的范围内；
(2)向反应容器中通入10min氮气除氧，待反应体系温度升至55～70℃时，缓慢加入引发剂过硫酸钾，过硫酸钾的质量为单体总质量的0.5～5％；
(3)反应进行3～7h后，将黄色微粘稠液体产物冷却至室温，用丙酮进行提纯、干燥和粉碎，得到粉末状聚合物缓凝剂。
所述耐高温油井水泥缓凝剂的聚合反应机理如下：
在聚合过程中，加入引发剂的速度应该足够慢，以避免聚合反应中反应单体爆聚或是产物分子量过大的情况。
粉末状聚合物，再次溶解至去离子水中，重复提纯、干燥和粉碎所得的产物用于聚合物结构及性能表征的准确性更高。
通过上述方法制得的油井水泥缓凝剂，其优势在于高温高压条件下明显延长水泥浆稠化时间的同时，能够使水泥浆在此条件下保持良好的沉降稳定性，解决现在常用缓凝剂易造成水泥浆高温沉降稳定性差的问题。由于N-乙烯基己内酰胺(NVCL)的引入，其分子间和分子内能形成稳定的缔合结构，使该聚合物具有温敏性能，能更好地适应较宽范围的固井要求。当温度低于临界缔合温度时，分子链中极性基团的水化作用强于链疏水作用，共聚物呈现水溶性，温度上升使其水化作用减弱，导致黏度下降，具有适宜的初始稠度；当温度高于临界缔合温度时，随着温度的升高，分子链的水化程度减弱，分子中疏水基团的缔合作用显著增强，且由于聚合物分子中较高的SSS含量，保证了聚合物分子链的强亲水性，使得疏水缔合相保持在微观相分离态，而不产生沉析现象，导致聚合物分子流体力学体积增大，溶液黏度增大，即表现出增稠性，保证高温下的沉降稳定性优异，具有广阔的应用前景。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果如下：
1、本发明采用自由基水溶液聚合方式并使用无机过氧化物类的过硫酸钾作为引发剂，操作过程简单易行，合成聚合物的成功率高，且能保证一定的转化率。
2、引入了大分子和不易降解的官能团单体，如苯环结构、七元环结构、磺酸基团等，所得聚合物耐温性能得到显著提高，能有效延长水泥浆的稠化时间。
3、采用的新型单体使聚合物在一定温度下发生分子间或分子内缔合，在耐高温的同时有利于增加水泥浆的稠度，高温下水泥浆的稳定性能提升，几乎不产生游离水，能够有效避免浆体沉降的问题。
附图说明
图1为实施例1制备的水泥缓凝剂在150℃验证SSS/IA/NVCL缓凝性能的稠化曲线图。
图2为实施例2制备的水泥缓凝剂在150℃验证SSS/MA/NVCL缓凝性能的稠化曲线图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例进一步说明本发明。
一、耐高温油井水泥缓凝剂的制备
实施例1 以衣康酸作为主要缓凝单体制备耐高温缓凝剂
以质量比为16：3：1的比例称取对苯乙烯磺酸钠(SSS)、衣康酸(IA)、N-乙烯基己内酰胺(NVCL)，用去离子水溶解，并通过浓度为5mol/L的氢氧化钠溶液将PH值调节至5，以12％的固含量为标准控制总的溶液体积。
将水浴锅温度调节至60℃，安装好反应装置，所述反应装置包括三颈烧瓶、聚四氟乙烯搅拌杆、分液漏斗等主要部件。将苯乙烯磺酸钠(SSS)及衣康酸(IA)的混合溶液移入三颈烧瓶中，聚四氟乙烯搅拌杆保持(2000±200转/分)的转速，向容器中通氮气除氧，待温度升至设定温度，利用分液漏斗分别向三颈烧瓶中加入N-乙烯基己内酰胺(NVCL)和占单体总质量1.0％的引发剂过硫酸钾。
滴加完毕后，维持转速不变，在设定温度下反应4h后，将微粘稠溶液冷却至室温后用丙酮提纯2～3次、干燥、研磨成粉末状，即得SSS/IA/NVCL共聚物。
实施例2 以马来酸作为主要缓凝单体制备耐高温缓凝剂
以质量比为13：3：3的比例称取对苯乙烯磺酸钠(SSS)、衣康酸(IA)、N-乙烯基己内酰胺(NVCL)，用去离子水溶解，并通过浓度为5mol/L的氢氧化钠溶液将PH值调节至7，以12％的固含量为标准控制总的溶液体积。
将水浴锅温度调节至65℃，安装好反应装置，所述反应装置包括三颈烧瓶、聚四氟乙烯搅拌杆、分液漏斗等主要部件。将苯乙烯磺酸钠(SSS)及衣康酸(MA)的混合溶液移入三颈烧瓶中，聚四氟乙烯搅拌杆保持(2000±200转/分)的转速，向容器中通氮气除氧，待温度升至设定温度，利用分液漏斗分别向三颈烧瓶中滴加N-乙烯基己内酰胺(NVCL)和占单体总质量1.5％的引发剂过硫酸钾。
滴加完毕后，维持转速不变，在设定温度下反应5h后，将微粘稠溶液产物冷却至室温后用丙酮提纯2～3次、干燥、研磨成粉末状，即得SSS/MA/NVCL共聚物。
二、耐高温油井水泥缓凝剂的缓凝性能测试
将实施例1中合成的缓凝剂加入水泥浆配方中，在温度150℃，压力94MPa的稠化条件进行试验，以验证该聚合物的缓凝性能。
水泥浆配方：G级水泥100份+石英砂35份+降失水剂2份+合成缓凝剂2份+水50份。
如图1所示，稠化时间在高温高压环境下得到了明显的延长，能够满足深井固井现场施工要求，且稠化曲线表明该缓凝剂的加入在高温高压条件下并未出现异常的鼓包和强降解现象，水泥浆稠度维持在一个比较稳定的值周围，有效解决了大多缓凝剂高温下强分散而导致的水泥浆稳定性恶化的问题。
将实施例2中合成的缓凝剂加入水泥浆配方中，在温度150℃，压力94MPa的稠化条件进行试验，借以验证该聚合物的缓凝性能。
水泥浆配方：G级水泥100份+石英砂35份+降失水剂2份+合成缓凝剂2份+水50份。
如图2所示，该聚合物缓凝剂有效延长了水泥浆的稠化时间，且缓凝效果优于实施例1中的聚合物，稠化曲线表明：水泥浆初稠在20～30Bc之间维持恒定，波动幅度不大，在高温高压条件下水泥浆稠度未发生下降明显的现象，克服了高温下水泥浆沉降的难题。
可见，本发明涉及的耐高温油井水泥缓凝剂具有明显延长高温下水泥浆稠化时间的性能，且能避免高温稳定性差，水泥浆沉降严重的现象，具有重要的实际应用价值。

Claims (2)

1.耐高温油井水泥缓凝剂，具有苯乙烯磺酸钠、马来酸或衣康酸、N-乙烯基己内酰胺三种结构单元，其结构如下：
x、y、z为结构单元百分数，x＝50～85％，y＝10～35％，z＝1-x-y，其分子量为9000～70000。
2.如权利要求1所述的耐高温油井水泥缓凝剂的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)在反应容器中将苯乙烯磺酸钠、马来酸或衣康酸、N-乙烯基己内酰胺以质量比为10～17:2～7:1～3的比例混合，溶解在去离子水中，该溶液中单体总的质量浓度为10～20％，用氢氧化钠调节反应溶液的PH值在4～9的范围内；
(2)向反应容器中通入10min氮气除氧，待反应体系温度升至55～70℃时，缓慢加入引发剂过硫酸钾，过硫酸钾的质量为单体总质量的0.5～5％；
(3)反应进行3～7h后，将黄色微粘稠液体产物冷却至室温，进行提纯、干燥和粉碎，得到粉末状聚合物缓凝剂。
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