CN110204652A - 一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂及制备方法和应用 - Google Patents

一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于油气井固井及油田化学领域，具体涉及一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂及其制备方法和应用。所述调节剂是由丙烯酰胺、2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸和甲基丙烯酸十八酯为共聚单体，通过胶束聚合法得到的共聚物，其中以质量比计，共聚单体丙烯酰胺：2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸：甲基丙烯酸十八酯＝3:1:0.5‑1。在油井水泥浆中加入所述恒流变调节剂，由于调节剂分子链上的疏水基团在高温下因疏水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内和分子间缔合，克服油井水泥浆在高温下变稀，因此能够能良好的稳定油井水泥浆在海底低温‑井下高温‑浅层低温交替过程中的流变性能，从而实现油井水泥浆在宽温带范围内恒流变效果。

Description

一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂及制备方法和应用
技术领域
本发明属于油气井固井及油田化学领域，具体涉及一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着石油工业的不断发展，石油和天然气资源的勘测与开采逐步扩大。石油开采向深井、超深井以及海洋石油等方向发展，开采难度越来越大，给固井施工带来了巨大的挑战。尤其是在深水固井，海底温度较低，部分区域可低至2℃，而储层温度高达90℃，油井水泥浆经历海底低温-井下高温-浅层低温的较大温差交替变化，导致其流变性大幅变化，给固井施工带来了许多问题。其中最主要的问题是高温使水泥浆粘度变低，导致水泥浆沉降稳定性变差。固相颗粒沉积导致凝固后的水泥石密度不均匀，极容易形成地层流体的窜流通道，致使水泥环封固失效，导致海底冒油气，直接威胁海洋油气安全生产及海洋生态环境。
目前，保持油井水泥浆恒流变的研究很少。为了保证水泥浆在较宽的温度范围内保证恒流变，需要在水泥浆中加入一种热增粘聚合物。中国专利CN105111368A中发明了一种热增稠耐高温高盐液流转向剂，它的表观粘度在60℃～90℃范围内随温度变化较小，但是超过90℃后开始降低，不能够在油井水泥4℃～90℃范围内实现油井水泥浆恒流变。中国专利CN106715512A中发明了热增稠树脂水溶液，它的粘度在25℃～40℃范围内随温度升高而增加，但是在40℃～70℃范围内粘度随温度变化不大，不能够在油井水泥4℃～90℃范围内实现油井水泥浆恒流变。中国专利CN102464781A中发明了热增稠聚合物，但是未提及在油井水泥浆中的应用。《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》(第49卷第6期第597-602页)期刊文章“温敏增稠固井水泥外加剂的合成与性能研究”开发了一种温敏增稠固井水泥浆外加剂，但是这种外加剂不能实现水泥浆恒流变特性；《应用化工》(第37卷第9期第1025-1028页)期刊文章“AM/AMPS/SMA三元共聚物的合成及其性能研究”开发了三元疏水缔合共聚物，成都理工大学的硕士学位论文《AM/SMA/SSS疏水缔合聚合物的合成及性能研究》开发了新型疏水缔合聚合物，但是它们的粘度均随温度的升高而降低，不能够实现油井水泥浆恒流变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂及其制备方法和应用。
本发明所述的油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂，以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酸十八酯为共聚单体，以非离子反应型乳化剂为乳化剂，加入引发剂，采用胶束聚合法制得。
本发明中，丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸作为亲水单体，作为聚合物主链；甲基丙烯酸十八酯为长链烷基的疏水单体，在聚合物主链上引入带油长链烷基的疏水基团，使合成的共聚物在高温下发生疏水缔合作用，实现聚合物溶液热增粘的效果。所采用单体不可用其他单体代替。非离子乳化剂ER-20是因为分子上有碳碳双键，能够参与共聚反应，避免在反应结束后去除乳化剂的过程，减少乳化剂对合成产物性能的影响。
由于疏水单体甲基丙烯酸十八酯不能溶于水中，在不加乳化剂的情况下不能在水中分散，因此加入反应型乳化剂可以使疏水单体在水中形成胶束，能够与亲水单体丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸发生共聚反应，在聚合物主链上引入疏水集团，使合成的共聚物在高温下发生疏水缔合作用，实现聚合物溶液热增粘的效果。
本发明的制备方法在油井水泥浆宽温带恒流变调节剂的合成过程中，反应单体丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸能够溶于蒸馏水中形成水相，非离子反应型乳化剂使甲基丙烯酸十八酯在水相中形成胶束，在高速搅拌反应过程中能够实现丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酸十八酯的共聚反应；非离子反应型乳化剂分子上有碳碳双键，能够参与共聚反应，避免在反应结束后去除乳化剂的过程，减少乳化剂对合成产物性能的影响。在油井水泥浆中加入恒流变调节剂，水泥浆在注入油井井下的过程中温度升高，在聚合物水溶液中，聚合物的疏水基团因疏水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内和分子间缔合。恒流变调节剂发生疏水缔合作用，使水泥浆粘度保持恒定。
根据本发明实施例的油井水泥浆宽温带恒流变调节剂的制备方法还可以具有以下附加技术特征：
优选的，采用胶束聚合法制备过程中，将共聚单体丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解于蒸馏水中，加入非离子反应型乳化剂、甲基丙烯酸十八酯并搅拌乳化形成乳状液，加入引发剂，进行聚合反应。
优选的，所述的共聚单体丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酸十八酯质量比为3:1:0.5～1，共聚单体加量为蒸馏水质量的17％～23％，非离子反应型乳化剂加量为蒸馏水质量的3.5％～5％，引发剂加量为共聚单体和非离子反应型乳化剂质量和的0.3％～0.8％。
优选的，所述聚合反应过程中反应温度的范围是45℃～60℃，乳状液在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min得到，加入引发剂后继续高速搅拌15～30min后静止反应6～8h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎。
优选的，所述的非离子反应型乳化剂为ER-20，所述的引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢钠，质量比为1:1。
本发明所述的一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂制备方法，具体步骤为：在装有温度计、回流冷凝管、磁力转子和通氮气管的三口烧瓶中加入80g蒸馏水和一定质量的丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，使用磁力搅拌器搅拌至丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节三口烧瓶内溶液的pH值为7，升温至反应温度，加入一定量的非离子反应型乳化剂和甲基丙烯酸十八酯，在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min，加入一定量的引发剂，继续高速搅拌15～30min后静止反应6～8h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎。本发明还提出上述制备方法制备的油井水泥浆宽温带恒流变调节剂。本发明中，由于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸偏酸性，因此反应过程中调节溶液PH值为中性。
将本发明所述的油井水泥浆宽温带恒流变调节剂用于调节油井水泥浆恒流变性能。
本发明所述的油井水泥浆配制和油井水泥浆流变性能测试按照GB/T 19139-2012的方法进行，所述的油井水泥浆恒流变性能按照差异系数进行评价。
差异系数法：测试油井水泥浆在4℃、25℃、45℃、60℃、75℃、90℃下的流变性能，选择水泥浆的流变模式为宾汉塑性模式，得到相应温度下水泥浆的塑性粘度，求得各个温度下塑性粘度的标准差和平均值，标准差和平均值的比值即为油井水泥浆塑性粘度的差异系数。差异系数越小，油井水泥浆在宽温带下的流变性能越趋于恒定。
本发明中油井水泥浆宽温带恒流变调节剂的加入量为基础油井水泥浆质量的1％。
本发明所述的基础油井水泥浆的配方为600g G级油井水泥、264g水、12g降失水剂BCG-200L、1.8g消泡剂G603、0.6g缓凝剂BXR-200L，在此基础上加入0.6g油井水泥浆宽温带恒流变调节剂来实现油井水泥浆恒流变性能。
在基础水泥浆中加入油井水泥浆宽温带恒流变调节剂可以使基础油井水泥浆具有恒流变性能，良好地保持油井水泥浆塑性粘度的稳定性。
本发明提供一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂的制备方法，以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、非离子反应型乳化剂、甲基丙烯酸十八酯为原料，通过胶束共聚制备油井水泥浆宽温带恒流变调节剂。工艺简单，产品性质稳定。在油井水泥浆中加入恒流变调节剂，由于调节剂分子链上的疏水基团在高温下因疏水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内和分子间缔合，克服油井水泥浆在高温下变稀，因此能够能良好的稳定油井水泥浆在海底低温-井下高温-浅层低温交替过程中的流变性能，从而实现油井水泥浆在宽温带范围内恒流变效果。
附图说明
图1是基础油井水泥浆在不同温度下的流变曲线图。
图2是实施例3中油井水泥浆在不同温度下的流变曲线图。
图3是基础油井水泥浆和实施例3中油井水泥浆的塑性粘度与温度的关系曲线。
具体实施方式
实施例1
在装有温度计、回流冷凝管、磁力转子和通氮气管的三口烧瓶中加入80g蒸馏水和9.273g丙烯酰胺和3.091g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，使用磁力搅拌器搅拌至丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节三口烧瓶内溶液的pH值为7，升温至45℃，加入2.800g的非离子反应型乳化剂和1.545g甲基丙烯酸十八酯，在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min，加入0.050g引发剂(过硫酸铵与亚硫酸氢钠质量比为1:1)，继续高速搅拌30min后静止继续反应8h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎，得到一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂。在基础油井水泥浆中加入0.6g油井水泥浆宽温带恒流变调节剂后，测试油井水泥浆在4℃、25℃、45℃、60℃、75℃、90℃下的流变性能。
实施例2
在装有温度计、回流冷凝管、磁力转子和通氮气管的三口烧瓶中加入80g蒸馏水和9.392g丙烯酰胺和3.130g2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，使用磁力搅拌器搅拌至丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节三口烧瓶内溶液的pH值为7，升温至60℃，加入3.600g的非离子反应型乳化剂和2.348g甲基丙烯酸十八酯，在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min，加入0.074g的引发剂(过硫酸铵与亚硫酸氢钠质量比为1:1)，继续高速搅拌15min后静止继续反应6h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎。得到一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂，在基础油井水泥浆中加入0.6g油井水泥浆宽温带恒流变调节剂后，测试油井水泥浆在4℃、25℃、45℃、60℃、75℃、90℃下的流变性能。
实施例3
在装有温度计、回流冷凝管、磁力转子和通氮气管的三口烧瓶中加入80g蒸馏水和10.256g丙烯酰胺和3.419g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，使用磁力搅拌器搅拌至丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节三口烧瓶内溶液的pH值为7，升温至50℃，加入3.419g的非离子反应型乳化剂和2.906g甲基丙烯酸十八酯，在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min，加入0.12g引发剂(过硫酸铵与亚硫酸氢钠质量比为1:1)，继续高速搅拌20min后静止继续反应6h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎。得到一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂，在基础油井水泥浆中加入0.6g油井水泥浆宽温带恒流变调节剂后，测试油井水泥浆在4℃、25℃、45℃、60℃、75℃、90℃下的流变性能。
实施例4
在装有温度计、回流冷凝管、磁力转子和通氮气管的三口烧瓶中加入80g蒸馏水和11.500g丙烯酰胺和3.833g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，使用磁力搅拌器搅拌至丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节三口烧瓶内溶液的pH值为7，升温至55℃，加入4.000g的非离子反应型乳化剂和3.833g甲基丙烯酸十八酯，在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min，加入0.185g引发剂(过硫酸铵与亚硫酸氢钠质量比为1:1)，继续高速搅拌25min后静止继续反应7h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎。得到一种油井水泥浆宽温带恒流变调节剂，在基础油井水泥浆中加入0.6g油井水泥浆宽温带恒流变调节剂后，测试油井水泥浆在4℃、25℃、45℃、60℃、75℃、90℃下的流变性能。
测试基础油井水泥浆、实施例1至实施例4中油井水泥浆在4℃、25℃、45℃、60℃、75℃、90℃下塑性粘度的差异系数，测试结果如表1所示。
表1基础油井水泥浆、实施例1-4中油井水泥浆在不同温度下塑性粘度的差异系数
从表1可以看出，实施例1至实施例4中水泥浆在不同温度下塑性粘度的差异系数均小于基础油井水泥浆在不同温度下塑性粘度的差异系数，说明在基础油井水泥浆中加入油井水泥浆宽温带恒流变调节剂可以降低油井水泥浆不同温度下塑性粘度的差异系数，提高油井水泥浆流变性能在不同温度下的稳定性；实施例3中油井水泥浆在不同温度下塑性粘度的差异系数(0.018)比基础油井水泥浆在不同温度下塑性粘度的差异系数(0.268)降低了93.28％，说明实施例3中油井水泥浆具有优良的恒流变性能。
对比图1基础油井水泥浆在不同温度下的流变曲线图和由图2实施例3中油井水泥浆在不同温度下的流变曲线图可知，基础油井水泥浆在不同温度下的流变曲线差别较大，实施例3中油井水泥浆在不同温度下的流变曲线差别较小，说明在基础水泥浆中加入油井水泥浆宽温带恒流变调节剂可以使基础油井水泥浆具有恒流变性能；由图3基础油井水泥浆和实施例3中油井水泥浆的塑性粘度与温度的关系曲线可知，在不同温度下，实施例3中油井水泥浆塑性粘度变化要明显小于基础水泥浆塑性粘度的变化，说明在基础水泥浆中加入油井水泥浆宽温带恒流变调节剂良好地保持油井水泥浆塑性粘度的稳定性。
图1以及图2中的数据如表2和表3所示
表2
表3

Claims (8)

1.一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂，其特征在于，该调节剂是由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酸十八酯为共聚单体，通过胶束聚合法得到的共聚物，其中以质量比计，共聚单体丙烯酰胺：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：甲基丙烯酸十八酯＝3:1:0.5-1。
2.制备权利要求1所述的一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂的方法，其特征在于，采用胶束聚合法，将共聚单体丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解于蒸馏水中，加入非离子反应型乳化剂、甲基丙烯酸十八酯并搅拌乳化形成乳状液，加入引发剂，进行聚合反应至反应结束。
3.根据权利要求2所述的制备一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂的方法，其特征在于，共聚单体加量为蒸馏水质量的17％～23％，非离子反应型乳化剂加量为蒸馏水质量的3.5％～5％，引发剂加量为共聚单体和非离子反应型乳化剂质量和的0.3％～0.8％。
4.根据权利要求2所述的制备一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂的方法，其特征在于，所述聚合反应过程中反应温度的范围是45℃～60℃，乳状液在3000r/min转速下高速搅拌下反应15～30min后静止反应6～8h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h。
5.根据权利要求2所述的制备一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂的方法，其特征在于，所述的非离子反应型乳化剂为ER-20，所述的引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢钠，质量比为1:1。
6.根据权利要求2所述的制备一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂的方法，其特征在于，其具体步骤为：氮气保护下，将丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸完全溶解于蒸馏水中，加入0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节三口烧瓶内溶液的pH值为7，升温至45℃～60℃，加入非离子反应型乳化剂和甲基丙烯酸十八酯，在3000r/min转速下高速搅拌乳化10min，加入引发剂，继续高速搅拌15～30min后静止反应6～8h，反应结束后，将产物在80℃下烘干72h后粉碎，即得产品。
7.权利要求1所述的一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂在调节油井水泥浆恒流变性能中的应用。
8.根据权利要求7所述的一种油井水泥浆用宽温带恒流变调节剂在调节油井水泥浆恒流变性能中的应用，其特征在于，油井水泥浆宽温带恒流变调节剂的加入量为基础油井水泥浆质量的1％。
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