CN106977651B - 聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂及其制备方法和用途 - Google Patents

聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

一种聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂及其制备方法，所述降失水剂具有聚合物负载在蒙脱石的插层中的复合结构，第一单体、第二单体和第三单体在插层剂、水、pH调节剂、消泡剂、分子量调节剂、抗金属离子干扰剂和引发剂的存在下聚合形成聚合物并负载在蒙脱石的插层中，其中所述第一单体为2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸，所述第二单体为N,N‑二甲基丙烯酰胺，所述第三单体为马来酸酐；所述方法包括：将蒙脱石和插层剂加入水中，混合搅拌；加入除引发剂之外的其他原料，搅拌，升温，加入引发剂，进行聚合反应。本申请的降失水剂具有较强的抗钙镁离子污染能力和降失水性能，特别适合于海洋钻井固井。

Description

聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂及其制备方法和用途
技术领域
本申请涉及但不限于油气井固井领域，具体涉及但不限于一种聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂及其制备方法和用途。
背景技术
在钻井和固井过程中，控制水泥浆的失水性能非常重要。如果失水量过大，不仅会使水泥浆性能变差，影响钻井、固井质量或固井施工，还会对储层造成一定程度的损害，因此必须按要求控制浆体的失水量。控制失水量的通常方法是加入降失水剂。用作油田降失水剂的材料很多，目前常用的是合成降失水剂，一般由2种以上的单体共聚生成，其中，常用的阴离子单体有：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸、衣康酸(IA)等；非离子单体有：丙烯酰胺(AM)、N,N-二甲基丙烯酰胺(NNDMA)、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-甲基-N-乙烯基乙酰胺(VMAA)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)、丁二烯、甲基乙烯基醚、甲基丙烯酸酯、顺丁烯二酸酐、苯乙烯(ST)、乙烯基咪唑(VI)等；阳离子单体有2-甲基丙烯酰胺氧丙基三甲基氯化铵等。聚合物类水泥降失水剂大都是采用溶液聚合方法来制备，制备的大多数的降失水剂不能抗钙镁离子干扰。如果在海洋钻井平台上进行固井施工，用海水配制水泥浆会导致水泥浆增稠，无法进行施工。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请提供了一种可抗钙镁离子干扰并且降失水性能较强的降失水剂及其制备方法和用途。
具体地，本申请提供了一种聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂。
本申请所提供的聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂，具有聚合物负载在蒙脱石的插层中的复合结构，第一单体、第二单体和第三单体在插层剂、水、pH调节剂、消泡剂、分子量调节剂、抗金属离子干扰剂和引发剂的存在下聚合形成聚合物并负载在蒙脱石的插层中，其中
所述第一单体选自2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，乙烯基磺酸和甲基丙烯酸；
所述第二单体选自N,N-二甲基丙烯酰胺，丙烯酰胺和N,N-二乙基丙烯酰胺；
所述第三单体选自马来酸酐，丙烯酸和富马酸酐。
在本申请的实施方式中，所述第一单体可以为9-18重量份，所述第二单体可以为1.5～3.5重量份，所述第三单体可以为0.3～0.6份，所述蒙脱石可以为3～12重量份，所述插层剂可以为0.01～0.5重量份、所述水可以为70～80重量份、所述pH调节剂可以为2.4～14.3重量份、所述消泡剂可以为0.1～0.5重量份、所述分子量调节剂可以为0.01～0.05重量份、所述抗金属离子干扰剂可以为0.01～0.05重量份、所述引发剂可以为0.1～0.4重量份。
在本申请的实施方式中，所述第一单体可以为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述第二单体可以为N,N-二甲基丙烯酰胺，所述第三单体可以为马来酸酐。
在本申请的实施方式中，所述第一单体可以为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述第二单体可以为N,N-二乙基丙烯酰胺，所述第三单体可以为富马酸酐。
在本申请的实施方式中，所述第一单体可以为甲基丙烯酸，所述第二单体可以为N,N-二乙基丙烯酰胺，所述第三单体可以为富马酸酐。
在本申请的实施方式中，所述第一单体可以为乙烯基磺酸，所述第二单体可以为N,N-二甲基丙烯酰胺，所述第三单体可以为丙烯酸。
在本申请的实施方式中，所述插层剂可以选自十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵和双十六烷基二甲基溴化铵。
在本申请的实施方式中，所述水可以为蒸馏水；
在本申请的实施方式中，所述pH调节剂可以选自氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸氢钠；
在本申请的实施方式中，所述消泡剂可以选自磷酸三丁酯、乳化硅油和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚；
在本申请的实施方式中，所述分子量调节剂可以选自苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠和巯基乙酸；
在本申请的实施方式中，所述抗金属离子干扰剂可以选自乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸和乙二胺四乙酸四钠；
在本申请的实施方式中，所述引发剂可以选自过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾。
本申请还提供了一种制备如上所述的聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂的方法，所述方法包括：
将所述重量份的蒙脱石和插层剂加入水中，混合搅拌；
加入所述重量份的pH调节剂调节、消泡剂、分子量调节剂、抗金属离子干扰剂、第一单体、第二单体和第三单体，搅拌，升温，加入所述重量份的引发剂，进行聚合反应。
在本申请的实施方式中，所述聚合反应可以在保护气存在的条件下进行。
在本申请的实施方式中，所述保护气可以为氮气。
在本申请的实施方式中，可以在向反应液中充入保护气30～60分钟并且将反应液加热至45～60℃之后，再加入所述引发剂。
在本申请的实施方式中，加入各原料之后，升温前的搅拌的时间可以为1～3小时。
在本申请的实施方式中，加入所述重量份的引发剂后，可以将反应液持续升温至70～80℃，保温3小时，进行聚合反应。
在本申请的实施方式中，在反应结束后，所述方法还包括加入0.02重量份的阻聚剂，可选地，阻聚剂选自对苯二酚，叔丁基邻苯二酚和对羟基苯甲醚。
本申请还提供了如上所述的聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂在海上油井中固井的用途。
本申请的聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂可以用于海上油气井固井中，添加方式可以为湿混，加量为干水泥重量的3～6％。湿混是指将降失水剂混入配制水泥浆用的混合水中。
本申请的聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂，外观为浅红色或浅黄色粘稠液体，在水中的溶解速度快。
海水中存在钙、镁等金属离子，用海水配制水泥浆时，其中的钙、镁离子容易与降失水剂螯合，增大液相粘度，导致水泥浆增稠。本申请一方面通过减小聚合物的分子量，来抵消掉这种增稠现象，另一方面通过将聚合物与蒙脱石复合，增强降失水剂的控制失水能力，来弥补聚合物分子量减小对失水控制力的弱化。
水中存在的铁离子容易干扰聚合反应，本申请中的抗金属离子干扰剂可以与水中的铁离子螯合，防止其对聚合反应产生干扰。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
1)本申请的制备方法的反应条件温和、易于控制，反应过程节约，后续处理为环保型。
2)本申请的降失水剂具有较强的抗钙镁离子污染能力和降失水性能，特别适合在海洋钻井中，用海水配制水泥浆固井，使用方便，节约了成本。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为使用本申请实施例1的降失水剂与普通市售降失水剂配制的水泥浆放置3分钟后的流变性对比图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
以下实施例中所使用的原料和试剂，除了注明的之外，其余均为普通的市售产品。
实施例1
在250mL四口烧瓶中加入4.5g蒙脱石、0.2g十八烷基三甲基溴化铵和78g蒸馏水，混合搅拌12小时，加入3.2g氢氧化钠、0.3g磷酸三丁酯、0.02g甲基丙烯磺酸钠、0.01g乙二胺四乙酸、16.4g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、1.9g N,N-二甲基丙烯酰胺、0.3g马来酸酐，搅拌2小时，向溶液中充氮气40分钟，开始加热至50℃，然后加入0.12g过硫酸铵，并继续升温至70℃，3小时后加入0.02g对羟基苯甲醚，最后得到淡红色或淡黄色粘稠液体。
实施例2
在250mL四口烧瓶中加入3g蒙脱石、0.2g十六烷基三甲基溴化铵和78g蒸馏水，混合搅拌12小时，加入2.5g氢氧化钾、0.3g磷酸三丁酯、0.02g苯乙烯磺酸钠、0.01g乙二胺四乙酸二钠、12.8g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、3.4g N,N-二乙基丙烯酰胺、0.56g富马酸酐，搅拌2小时，向溶液中充氮气40分钟，开始加热至55℃，然后加入0.21g过硫酸钠，并继续升温至75℃，3小时后加入0.02g对苯二酚，最后得到淡红色或淡黄色粘稠液体。
实施例3
在250mL四口烧瓶中加入4g蒙脱石、0.2g双十六烷基二甲基溴化铵和78g蒸馏水，混合搅拌12小时，加入2.5g氢氧化钾、0.3g乳化硅油、0.02g巯基乙酸、0.01g乙二胺四乙酸、12.8g甲基丙烯酸、3.4g N,N-二乙基丙烯酰胺、0.56g富马酸酐，搅拌2小时，向溶液中充氮气40分钟，开始加热至50℃，然后加入0.21g过硫酸钾，并继续升温至70℃，3小时后，最后得到淡红色或淡黄色粘稠液体。
实施例4
在250mL四口烧瓶中加入3g蒙脱石、0.2g十八烷基三甲基溴化铵和78g蒸馏水，混合搅拌12小时，加入4.5g碳酸氢钠、0.3g磷酸三丁酯、0.02g巯基乙酸、0.01g乙二胺四乙酸四钠、12.8g乙烯基磺酸、3.4g N,N-二甲基丙烯酰胺、0.56g丙烯酸，搅拌2小时，向溶液中充氮气40分钟，开始加热至50℃，然后加入0.21g过硫酸铵，并继续升温至70℃，3小时后加入0.02g叔丁基邻苯二酚，最后得到淡红色或淡黄色粘稠液体。
性能评价
1、降失水性能评价
(1)第一组实验为在相同加量(5％BWOC)、不同温度的情况下，考察实施例1的降失水剂的流变、失水性能。结果请见表1。
表1相同加量、不同温度条件下的流变、失水性能
※水泥浆配方：G级水泥+43.7％海水+5％降失水剂+0.5％H21缓凝剂+0.25％PC-X60L消泡剂密度1.90SG
由表1可以看到，随着温度的升高，在300转时的流变性能读数有明显降低的趋势，在3转时无明显变化趋势，API失水则随着温度的升高而增大，这个规律也符合目前大部分降失水剂的性能随温度变化的趋势。总体来说，在40-90℃温度段，实施例1的降失水剂的流变、失水性能满足施工的要求，当温度大于70℃时，失水量会大于50ml，此时可以通过适当增大降失水剂的加量来降低失水量。
(2)第二组实验为在相同温度(分别在40℃和80℃下进行)、不同加量的情况的下，考察实施例1的降失水剂的流变、失水性能。结果请见表2。
表2相同温度不同加量条件下的流变、失水性能
※水泥浆配方：G级水泥+43.7％海水+X％降失水剂+0.5％H21缓凝剂+0.25％PC-X60L消泡剂密度1.90SG
由表2可以看到，在40℃的条件下，随着降失水剂的加量从4％BWOC增大到6％BWOC，水泥浆的流变读数的变化并不明显，但失水量则是随着降失水剂加量的增大，从44ml减少至30ml；在80℃的条件下，随着降失水剂加量的增大，水泥浆的流变读数在300转时稍有增大，从120变为150，失水量也是按常规的规律逐渐减小，从72ml变至50ml。总体来说，在相同的温度下，随着降失水剂加量的增大，水泥浆的流变读数并未有明显变化，而失水则是随着降失水剂加量的增大而减少。
(3)与普通市售降失水剂的降失水性能对比
1)流变性对比
考察分别使用普通市售降失水剂产品与实施例1的降失水剂，利用海水配制的水泥浆的流变性的差异。结果请见表3和图1。
表3实施例1的降失水剂与普通市售降失水剂配制的水泥浆的流变性对比
※水泥浆配方：G级水泥+43.7％海水+5％降失水剂+0.5％H21缓凝剂+0.25％PC-X60L消泡剂密度1.90SG
从表3可以看出，用普通产品配制的水泥浆，水泥浆较稠，放置3分钟后无法流动；10秒和10分钟胶凝强度达到了28Pa和91Pa。而用本申请实施例1的降失水剂配制的水泥浆的流动性较好，放置3分钟后流变性无较大变化；10秒和10分钟胶凝强度只有5Pa和23Pa。说明本申请实施例1的降失水剂不会被海水中的钙、镁离子影响而增大液相粘度，具有较强的抗钙、镁离子污染能力。
2)控制失水性能对比
考察分别使用普通市售降失水剂产品与实施例1的降失水剂，利用海水配制的水泥浆的失水量。结果请见表4。
表4实施例1的降失水剂与普通市售降失水剂的控制失水性能对比
※水泥浆配方：G级水泥+43.7％海水+X％降失水剂+0.5％H21缓凝剂+0.25％PC-X60L消泡剂密度1.90SG
从表4可以看出，本申请实施例1的降失水剂的控制失水能力明显优于普通市售降失水剂，特别是在40℃和60℃下，使失水量减少了一半。说明经过插层共聚后，本申请的降失水剂有了更强的控制失水能力。
2、普适性评价
为了验证降失水剂的普适性，分别在胶乳水泥浆、高密度水泥浆、低密度水泥浆中对实施例1的降失水剂的流变、失水性能进行了评价。评价结果请见表5-7。
表5在胶乳水泥浆中的流变、失水性能
※水泥浆配方：100％G级水泥+36％海水+0.25％PC-X60L+0.25％PC-X63L+5％降失水剂+5％PC-GR+0.25％PC-X45+1％12S+0.3％PC-H21L；BHCT＝70℃,S.G＝1.9
表6在高密度水泥浆中的流变、失水性能
※水泥浆配方：100％G级水泥+52％海水+0.25％PC-X60L+6％PC-GS12L+5％降失水剂+0.6％PC-H21L+66.6％PC-D10+33.4％PC-D20；BHCT＝70℃S.G＝2.35
表7在低密度水泥浆中的流变、失水性能
※水泥浆配方：100％G级水泥+60％PC-BT4+6.3％PC-P62S+111％海水+0.25％PC-X60L+8.5％降失水剂+0.28％PC-H21L；BHCT＝70℃，S.G＝1.50
从表5-7可以看出，实施例1的降失水剂在以上三种水泥浆体系中均有良好的表现，可以有效的改善水泥浆的流动性，使水泥浆的各项性能都能满足要求。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (21)

1.一种固井水泥浆用聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂，所述降失水剂具有聚合物负载在蒙脱石的插层中的复合结构，第一单体、第二单体和第三单体在插层剂、水、pH调节剂、消泡剂、分子量调节剂、抗金属离子干扰剂和引发剂的存在下聚合形成聚合物并负载在蒙脱石的插层中，其中
所述第一单体选自2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，乙烯基磺酸和甲基丙烯酸；
所述第二单体选自N,N-二甲基丙烯酰胺，丙烯酰胺和N,N-二乙基丙烯酰胺；
所述第三单体选自马来酸酐，丙烯酸和富马酸酐。
2.根据权利要求1所述的降失水剂，其中，所述第一单体为9-18重量份，所述第二单体为1.5～3.5重量份，所述第三单体为0.3～0.6份，所述蒙脱石为3～12重量份，所述插层剂为0.01～0.5重量份、所述水为70～80重量份、所述pH调节剂为2.4～14.3重量份、所述消泡剂为0.1～0.5重量份、所述分子量调节剂为0.01～0.05重量份、所述抗金属离子干扰剂为0.01～0.05重量份、所述引发剂为0.1～0.4重量份。
3.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述第一单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述第二单体为N,N-二甲基丙烯酰胺，所述第三单体为马来酸酐。
4.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述第一单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述第二单体为N,N-二乙基丙烯酰胺，所述第三单体为富马酸酐。
5.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述第一单体为甲基丙烯酸，所述第二单体为N,N-二乙基丙烯酰胺，所述第三单体为富马酸酐。
6.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述第一单体为乙烯基磺酸，所述第二单体为N,N-二甲基丙烯酰胺，所述第三单体为丙烯酸。
7.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述插层剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵和双十六烷基二甲基溴化铵。
8.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述水为蒸馏水。
9.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述pH调节剂选自氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸氢钠。
10.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述消泡剂选自磷酸三丁酯、乳化硅油和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚。
11.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述分子量调节剂选自苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠和巯基乙酸。
12.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述抗金属离子干扰剂选自乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸和乙二胺四乙酸四钠。
13.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其中，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾。
14.一种制备根据权利要求1-13中任一项所述的聚合物/插层蒙脱石复合降失水剂的方法，所述方法包括：
将蒙脱石和插层剂加入水中，混合搅拌；
加入pH调节剂调节、消泡剂、分子量调节剂、抗金属离子干扰剂、第一单体、第二单体和第三单体，搅拌，升温，加入引发剂，进行聚合反应。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述聚合反应在保护气存在的条件下进行。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述保护气为氮气。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，在向反应液中充入保护气30～60分钟并且将反应液加热至45～60℃之后，再加入所述引发剂。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，加入各原料之后，升温前的搅拌的时间为1～3小时。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，加入引发剂后，将反应液持续升温至70～80℃，保温3小时，进行聚合反应。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，在反应结束后，还包括加入0.02重量份的阻聚剂。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，阻聚剂选自对苯二酚，叔丁基邻苯二酚和对羟基苯甲醚。
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