CN107814877B - 一种固井水泥浆高温稳定剂及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固井水泥浆高温稳定剂及其制备方法，解决了现有技术中通常使用外加剂在常温下提高水泥浆黏度的方法改善高温沉降稳定性，导致施工过程中可能无法达到设计密度、注替过程中出现高泵压等情况的问题。本发明的原料包括乙烯基吡咯烷酮5‑8％；丙烯酰胺1‑2％；N,N‑二甲基丙烯酰胺2‑6％；丙烯酰吗啉10‑20％；其余为水。本发明随着温度的增加有效使得水泥浆黏度增加，有效解决常温增稠及高温沉降的矛盾；并且本发明中的端基大侧链能有效防止AMPS聚合物的水解，通过粘度的调节以及防水解的双重作用使得沉降明显改善。

Description

一种固井水泥浆高温稳定剂及其制备工艺
技术领域
本发明涉及水泥添加剂领域，具体涉及一种固井水泥浆高温稳定剂及其制备工艺。
背景技术
随着油气勘探的深入，深井、超深井、地热井固井日益增多，目前国内外厂商应用最多的聚合物类降失水剂、缓凝剂在一般超过130℃的高温条件下分子链出现断裂、水解等情况，导致聚合物高分子不能再与油井水泥形成良好的吸附及包裹，造成水泥及外掺料颗粒由于密度差的作用导致沉降。
目前所有厂商的降失水剂、缓凝剂类产品均是由AMPS及其他功能性单体聚合而成，而AMPS是具有磺酸基团的单体，在超过120℃的高温及水泥浆碱性环境(PH≥11)中极易水解，水解后形成的磺酸(钠盐)具有强烈的分散作用，进一步导致水泥浆沉降。
同时，高密度、超高密度水泥浆，低密度、超低密度水泥浆由于外掺料，如加重剂、减轻剂等与水泥及其他外掺料密度差过大(例：油井G级水泥密度为3.15g/cm3加重剂密度4.80g/cm3-7.20g/cm3减轻剂密度0.80g/cm3-0.24g/cm3)，在升温过程中分子热运动加剧同样导致水泥浆沉降。
现有技术中，水泥浆高温沉降几乎是目前国内外厂商的技术瓶颈，通常使用外加剂在常温下提高水泥浆黏度的方法改善高温沉降稳定性，但该方法并不能有效解决该问题，并且提高常温水泥浆黏度会导致施工过程中无法达到设计密度、注替过程中出现高泵压等情况，严重时导致固井失败。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术中通常使用外加剂在常温下提高水泥浆黏度的方法改善高温沉降稳定性，导致施工过程中可能无法达到设计密度、注替过程中出现高泵压等情况的问题，目的在于提供一种固井水泥浆高温稳定剂及其制备工艺，通过配方的优化，能有效实现在低于50℃条件下表现出化学惰性不影响水泥浆的现场混配及注替，并且在90℃以上的高温条件下使得水泥浆黏度增加，有效避免常温增稠及高温沉降的矛盾。
本发明通过下述技术方案实现：
一种固井水泥浆高温稳定剂，以重量百分数计，原料包括：
本发明的产品在低于50℃的温度条件下对水泥浆本身不具有任何化学作用，通过将本发明在不同温度下溶解于水泥浆中的检测结果可知：本发明随着温度的增加有效使得水泥浆黏度增加，有效解决常温增稠及高温沉降的矛盾。
并且，本发明在高温下溶解出的刚性大分子基团，其不但能有效提高水泥浆黏度，而且其中的端基大侧链能有效防止AMPS聚合物的水解，通过粘度的调节以及防水解的双重作用使得沉降明显改善，效果十分显著。
进一步，本发明还包括单体质量10-20％的填料。所述填料为微硅。本发明中的单体即为除去水以外的所有物质。
一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，包括：
将乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酰吗啉和水混合均匀后配制成溶液，调节溶液pH至6.5～7.5后，加入到反应容器中，并在反应容器中通入N2保护，在40～50℃时加入溶液固含量2.0％-3.0％的引发剂进行反应；反应3～5h后，经过干燥获得成品。
进一步，所述溶液中单体浓度为20％-30％。所述溶液通过NaOH调节pH，pH调节至7。
更进一步，所述引发剂加入时的反应温度为45℃，反应时间为4h。所述引发剂为过硫酸铵。所述干燥的方式为喷雾干燥。在干燥获得成品中添加填料即可。
通过本发明方法的优化，能更好地形成端基大侧链，进而更好地防止AMPS聚合物的水解，有效提高防止水泥沉降的效果。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明在低于50℃的温度条件下对水泥浆本身不具有任何化学作用，但随着温度的增加有效使得水泥浆黏度增加，有效解决常温增稠及高温沉降的矛盾；
2、本发明的端基大侧链能有效防止AMPS聚合物的水解，因而能通过粘度的调节以及防水解的双重作用使得沉降明显改善，效果更加显著。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种固井水泥浆高温稳定剂，原料包括乙烯基吡咯烷酮5-8％；丙烯酰胺1-2份；N,N-二甲基丙烯酰胺2-6份；丙烯酰吗啉10-20份。
上述一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺如下：
将乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酰吗啉和水混合均匀后配制成单体质量浓度为20％-30％的溶液，调节溶液pH至6.5～7.5后，加入到反应容器中，并在反应容器中通入N2保护，在40～50℃时加入溶液固含量2.0％-3.0％的引发剂进行反应，反应3～5h后经过干燥获得单体成品。
上述高温稳定剂中还包括单体质量10-20的微硅，只需将本发明制成的单体成品与微硅混合均匀即制成本发明的高温稳定剂BCS-400S。
本实施例中各物质的具体配比如下：
乙烯基吡咯烷酮6份，丙烯酰胺2份，N,N-二甲基丙烯酰胺5份，丙烯酰吗啉15份；单体质量浓度为28％。微硅占单体质量的15％。
本实施例中该制备工艺中溶液pH为7，反应温度为45℃，反应时间为4h，干燥方式为喷雾干燥。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中稳定剂的配比不同，本实施例中该稳定剂的具体配比如下：
乙烯基吡咯烷酮5份；丙烯酰胺2份；N,N-二甲基丙烯酰胺2份；丙烯酰吗啉14份；微硅11份；单体质量浓度为21％。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中稳定剂的配比不同，本实施例中该稳定剂的具体配比如下：
乙烯基吡咯烷酮7份；丙烯酰胺1份；N,N-二甲基丙烯酰胺5份；丙烯酰吗啉17份；微硅18份；单体质量浓度为30％。
实施例4
本实施例为实施例1的对比实施例，本实施例中稳定剂的配比和制备方法的参数不同，本实施例中该稳定剂的具体配比如下：
乙烯基吡咯烷酮3份；丙烯酰胺3份；N,N-二甲基丙烯酰胺5份；丙烯酰吗啉19份；单体质量浓度为32％。
本实施例中该稳定剂的具体制备方法的参数如下：
本实施例中该制备工艺中溶液pH为6，反应温度为55℃，反应时间为2.5h，干燥方式为喷雾干燥。
实施例5
本实施例为实施例1的对比实施例，本实施例中稳定剂的配比和制备方法的参数不同，本实施例中该稳定剂的具体配比如下：
乙烯基吡咯烷酮3份；丙烯酰胺1份；N,N-二甲基丙烯酰胺7份；丙烯酰吗啉8份；微硅5份；单体质量浓度为19％。
本实施例中该稳定剂的具体制备方法的参数如下：
本实施例中该制备工艺中溶液pH为8，反应温度为35℃，反应时间为5h，干燥方式为喷雾干燥。
实施例6
本实施例为实施例1的对比实施例，与实施例1的区别仅仅在于，本实施例中采用稳定剂种类不同。本实施例中采用的稳定剂为现有成品，该成品为CN201510330025.2中公开的一种固井用水泥浆稳定剂，其具体组成和制备方法如下：
称取14.8Kg石英砂置于粉体混料机中，开动搅拌装置并以30r/min的转速搅拌，然后依次向其中加入1.0Kg温伦胶、1.6Kg黄原胶、1.0KgPVA-1788、1.6Kg接枝高分子聚合物，按照以上转速持续搅拌90min后，即可得本实施例水泥浆稳定剂。
对上述实施例的稳定剂添加到现有水泥浆中，添加量为干灰(水泥+石英砂)质量的0.6％，现有水泥浆的具体配比为(油井G级水泥+35％石英砂)+4％降失水剂+2.0％缓凝剂+1.0％分散剂+0.15％消泡剂，对水泥浆的进行性能的检测，检测结果如表1所示。
表1
通过上述表1的实验结果可知：本发明随着温度的增加有效使得水泥浆黏度增加，有效解决常温增稠及高温沉降的矛盾。本发明高温下溶解出的刚性大分子基团，其不但能有效提高水泥浆黏度，而且其中的端基大侧链能有效防止AMPS聚合物的水解，通过粘度的调节以及防水解的双重作用使得沉降明显改善。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固井水泥浆高温稳定剂，其特征在于，以重量百分数计，原料包括：
其余为水、溶液固含量2.0％-3.0％的引发剂。
2.根据权利要求1所述的一种固井水泥浆高温稳定剂，其特征在于，还包括单体质量10-20％的填料。
3.根据权利要求2所述的一种固井水泥浆高温稳定剂，其特征在于，所述填料为微硅。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，包括：
将乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酰吗啉和水混合均匀后配制成溶液，调节溶液pH至6.5～7.5后，加入到反应容器中，并在反应容器中通入N2保护，在40～50℃时加入溶液固含量2.0％-3.0％的引发剂进行反应；反应3～5h后，经过干燥获得成品。
5.根据权利要求4所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，所述溶液中单体浓度为20％-30％。
6.根据权利要求4所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，所述溶液通过NaOH调节pH，pH调节至7。
7.根据权利要求4所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，所述引发剂加入时的反应温度为45℃，反应时间为4h。
8.根据权利要求4所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵。
9.根据权利要求4所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，所述干燥的方式为喷雾干燥。
10.根据权利要求4所述的一种固井水泥浆高温稳定剂的制备工艺，其特征在于，在干燥获得成品中添加填料即可。
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