CN111218263B - 一种油井水泥用减阻剂 - Google Patents

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Abstract

本发明属于减阻剂制备技术领域，具体涉及一种新型油井水泥用减阻剂及其制备方法。本发明一种新型油井水泥用减阻剂，包括重量份的原料：1～20份3‑烯丙氧基‑1‑羟基‑1‑丙烷磺酸钠盐、5～20份丙烯酸、1～10份对苯乙烯磺酸钠、1～10份醛酮缩合物。本发明提供的减阻剂可解决盐水高密度、超高密度水泥浆体系流变性的问题，且高温稳定性好；同时可以解决与聚合物类缓凝剂搭配出现包芯、鼓包的问题。

Description

一种油井水泥用减阻剂
技术领域
本发明属于减阻剂制备技术领域，具体涉及一种油井水泥用减阻剂。
背景技术
油井水泥减阻剂是目前油田固井作业中广泛使用的一种油井水泥外加剂，主要用于改善水泥浆流变性能。按类型分主要有木质素磺酸盐类、萘磺酸甲醛缩合物、三聚氰胺系甲醛缩合物、氨基磺酸盐减阻剂等，其作用机理都是利用增加δ电位来提高其分散性。
目前油田常用的油井水泥减阻剂多为萘磺酸甲醛缩合物，简称萘系减阻剂。主要成分是萘磺酸甲醛缩合物，它是由萘用浓硫酸磺化得到β-萘磺酸，然后与甲醛缩合，再用苛性钠中和就得到萘磺酸钠甲醛缩合物。该类减阻剂是目前国内生产量最大，使用最广的减阻剂。它的特点是：分散性能好、与其它减阻剂相比价格相对便宜、与各种外加剂复合性能好。
然而在国内超深井部分区块盐层固井过程中，大多采用盐水高密度水泥浆进行套管封固，由于水泥浆中加有高密度的外掺料，颗粒级配相对较复杂，一般的减阻剂可能出现浆体流变性改善效果不佳，甚至出现严重沉降的问题，造成上部因出现游离水无法有效封隔地层，导致固井质量变差的现象，以及水泥浆体系出现严重包芯的现象和不配伍的问题。
公开号为CN104531113A，发明名称为油井水泥减阻剂，其成分及重量分数如下：丙酮：亚硫酸氢钠：甲醛：Vc的摩尔比为6：3：1：1.5，制备的步骤如下：⑴按要求的摩尔比，把丙酮、亚硫酸氢钠、甲醛按次序加到反应釜的水中，搅拌均匀，配制成水溶液；⑵然后用苛性碱催化；⑶反应温度80℃，保温3小时，即得聚合物产品；⑷得到产品后加入Vc复配，即得油井水泥减阻剂。该减阻剂虽然能起到一定有效的悬浮水泥颗粒，减少沉降的作用，但是该减阻剂主要是由甲醛参与制备而成，对环境有一定的影响。
公开号为CN102382270A，发明名称为一种油井水泥浆减阻剂及其制备方法，所述油井水泥浆减阻剂主要由烯丙醇聚氧乙烯醚10～80份、丙烯酸15～80份、丙烯酸羟乙酯15～35份共聚而成。该类减阻剂与水泥浆体系相容性不够，减阻效果较差。
同时，针对目前应用于高温井、深井水泥浆体系的降失水剂、缓凝剂大多为聚合物类型，减阻剂类型多为醛酮缩合物类，在与聚合物体系搭配时，醛酮缩合物类减阻剂由于分散性过于强，导致高温稳定性很差。常规的减阻剂在对水泥浆起到良好减阻作用的同时，因破坏了静电引力所形成的微观结构，往往不能有效的悬浮水泥颗粒，而析出游离水，产生相分离，即出现游离水和从底部至顶部的水泥石密度梯度，这是定向井和水平井最忌讳的；另外，有些减阻剂存在缓凝和起泡的副作用；有些减阻剂与水泥浆体系或其它外加剂不相容，强度发展缓慢等问题。所以需要研发一种适用于盐水高密度聚合物体系的减阻剂。
发明内容
针对现有减阻剂存在高温养护后，沉降特别严重，浆体稳定性极差；易出现浆体急剧抱团、包芯的现象，导致稠化曲线的稠度值出现鼓包的现象。本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种油井水泥减阻剂及其制备方法，本减阻剂重点解决减阻剂不能有效悬浮水泥颗粒，析出游离水以及与聚合物类缓凝剂不配伍的问题。
本发明提供一种油井水泥用减阻剂，包括重量份的原料：1～20份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐(AHPS)、5～20份丙烯酸(AA)、1～10份对苯乙烯磺酸钠(SP)、1～10份醛酮缩合物。
为了保证减阻剂在盐水体系中的减阻效果和抗温抗盐性能，优选了两种具有磺酸基团的单体，AHPS单体和SP单体抗温性能较AMPS更加优异，高温下不易水解，而且AHPS和SP都含有较大的侧链基团，合成的减阻剂产品不仅可以通过电荷效应起到分散的作用，而且还可以通过空间位阻作用，进一步防止吸附颗粒之间的聚集，改善水泥浆流变性能和稳定性。同时，AHPS/AA/SP合成减阻剂与醛酮缩合物可以起到协同作用，进一步改善水泥浆的电荷分布，从而解决盐水水泥浆在高温下包芯的问题。
进一步的，所述一种油井水泥用减阻剂，包括重量份的原料：5～15份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、8～15份丙烯酸、3～8份对苯乙烯磺酸钠、3～8份醛酮缩合物。
更进一步的，所述一种油井水泥用减阻剂，包括重量份的原料：10份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、10份丙烯酸、5份对苯乙烯磺酸钠、5份醛酮缩合物。
更进一步的，所述一种油井水泥用减阻剂，包括重量份的原料：15份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、15份丙烯酸、5份对苯乙烯磺酸钠、5份醛酮缩合物。
进一步的，所述一种油井水泥用减阻剂，所述醛酮缩合物是由甲醛与丙酮按照摩尔比1～2:1混合后，加入磺化剂，然后在90～95℃反应2h，得到酮醛缩合物。
本发明还提供一种油井水泥用减阻剂，包括以下步骤：
a、按3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠和醛酮缩合物的重量份称量，备用；
b、将3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠溶于水，混合搅拌，得混合溶液；
c、调节混合溶液的pH值至5～7，加热至45～70℃，通入氮气20min后，加入引发剂进行引发，反应2～3h后，得到减阻剂前驱体；通入氮气目的是除氧，提高转化率；
d、向c步骤得到的减阻剂前驱体中加入醛酮缩合物进行复配，继续搅拌2h，即得油井水泥用减阻剂。
进一步的，所述一种油井水泥用减阻剂，c步骤中采用氢氧化钠调节混合溶液的pH值至5～7，所述氢氧化钠的质量浓度为20～30％。
进一步的，所述一种油井水泥用减阻剂，c步骤中所述引发剂为偶氮类引发剂；所述引发剂的加入量为所述油井水泥用减阻剂重量的0.01～1％。
进一步的，所述的油井水泥用减阻剂，所述偶氮类化合物为偶氮二异丁脒盐酸盐和偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐中的至少一种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明油井水泥用减阻剂，在常温下使用有助于下灰、解决冷浆流变偏稠的问题；
其在高温下使用又不过度分散，可解决高密度、超高密度下水泥浆体系过度分散引起的严重沉降的问题；
还可以解决在高温下与聚合物类缓凝剂配伍出现包芯、鼓包的问题；
4、本发明油井水泥用减阻剂还具有加量小、效果好的经济效益。
说明书附图
图1为本发明减阻剂添加量为0％时得到的水泥养护曲线图；
图2为本发明减阻剂添加量为1.0％时得到的水泥养护曲线图；
图3为本发明减阻剂添加量为2.0％时得到的水泥养护曲线图；
图4为本发明减阻剂添加量为3.0％时得到的水泥养护曲线图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种减阻剂：
将10g 3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐(AHPS)、10g丙烯酸(AA)、5g对苯乙烯磺酸钠(SP)溶于水，混合搅拌均匀后用质量浓度为23％的氢氧化钠水溶液调节pH值在5～7，倒入三口烧瓶中，加热至45～70℃，通入氮气20min后，用引发剂进行引发，反应2h后再加入5g醛酮缩合物进行复配，继续搅拌2h，即得油井水泥用减阻剂。
所述引发剂为偶氮类引发剂；所述引发剂的加入量为所述油井水泥用减阻剂重量的0.2％；所述偶氮类化合物为偶氮二异丁脒盐酸盐。
实施例2
一种减阻剂：
将15g 3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐(AHPS)、15g丙烯酸(AA)、5g对苯乙烯磺酸钠(SP)溶于水，混合搅拌均匀后用质量浓度为25％的氢氧化钠水溶液调节pH值在5～7，倒入三口烧瓶中，加热至45～70℃，通入氮气20min后，用引发剂进行引发，反应2h后再加入5g醛酮缩合物进行复配，继续搅拌2h，即得油井水泥用减阻剂。
所述引发剂为偶氮类引发剂；所述引发剂的加入量为所述油井水泥用减阻剂重量的0.5％；所述偶氮类化合物为偶氮二异丁脒盐酸盐。
实施例3
一种减阻剂：
将15g 3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐(AHPS)、20g丙烯酸(AA)、5g对苯乙烯磺酸钠(SP)溶于水，混合搅拌均匀后用质量浓度为30％的氢氧化钠水溶液调节pH值在5～7，倒入三口烧瓶中，加热至45～70℃，通入氮气20min后，用引发剂进行引发，反应2h后再加入10g醛酮缩合物进行复配，继续搅拌2h，即得油井水泥用减阻剂。
所述引发剂为偶氮类引发剂；所述引发剂的加入量为所述油井水泥用减阻剂重量的0.05％；所述偶氮类化合物为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐。
实施例4
一种减阻剂：
将20g 3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐(AHPS)、20g丙烯酸(AA)、10g对苯乙烯磺酸钠(SP)溶于水，混合搅拌均匀后用质量浓度为30％的氢氧化钠水溶液调节pH值在5～7，倒入三口烧瓶中，加热至45～70℃，通入氮气20min后，用引发剂进行引发，反应2h后再加入10g醛酮缩合物进行复配，继续搅拌2h，即得油井水泥用减阻剂。
所述引发剂为偶氮类引发剂；所述引发剂的加入量为所述油井水泥用减阻剂重量的0.2％；所述偶氮类化合物为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐。
实验例1本发明制备的油井水泥用减阻剂在不同添加量下的性能对比情况
将本发明实施例1制备的油井水泥用减阻剂以不同添加量添加到水泥浆中，分别测试其对水泥流变性能、稳定性、稠化曲线等性能的影响。
流变、稳定性、养护稠化曲线的实验方法均是参照国标GB/T 19139-2012的要求进行的。水泥浆制备按照GB/T 19139-2012第5章进行，流变测定按GB/T 19139-2012中第12章进行，稳定性测定按GB/T 19139-2012中6.4进行，稠化曲线测定按GB/T 19139-2012第9章进行。
水泥浆配方：
干混：A-G水泥+35％高温强度稳定剂+85％加重剂+15％加重稳定剂+3％填充剂+0.5％防气窜剂
湿混：水+3.5％降失水剂+2.5％聚合物缓凝剂+减阻剂+2.5％盐+0.5％悬浮剂水泥浆密度：2.45g/cm3；
实验条件：135℃*130MPa*100min。
表1本发明实施例1得到的油井水泥用减阻剂在不同添加量下的水泥减阻性能
Figure GDA0003651346680000061
Figure GDA0003651346680000071
从表1中可以得出：
不加减阻剂时，拌浆较困难，浆体较稠，常温流变值偏大，流动性差；
随着减阻剂加量的增加，浆体流变值得到了改善，而且高温养护之后浆体流态好；
3、图1～图4中温度、压力只是产品的实验条件，产品性能的好坏主要体现在稠度曲线上，稠度曲线波动比较明显，浆体性能就差；稠度曲线比较平坦，浆体性能就比较稳定；因此，从图1的养护曲线可以看出，不加减阻剂时，浆体稠度值出现较大幅度的波动，稠度曲线出现了鼓包的现象；
4、从图2～图4可以看出，随着减阻剂加量的增加，浆体稠度值变化的幅度缩小，直到后面未出现鼓包的现象，可以有效缓解与聚合物缓凝剂搭配后出现的鼓包或包芯的问题。

Claims (11)

1.一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，包括重量份的原料：1～20份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、5～20份丙烯酸、1～10份对苯乙烯磺酸钠、1～10份醛酮缩合物；
包括以下制备步骤：
a、按3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠和醛酮缩合物的重量份称量，备用；
b、将3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、丙烯酸、对苯乙烯磺酸钠溶于水，混合搅拌，得混合溶液；
c、调节混合溶液的pH值至5～7，加热至45～70℃，通入氮气20min后，用引发剂进行引发，反应2～3h后，得到减阻剂前驱体；
d、向c步骤得到的减阻剂前驱体中加入醛酮缩合物进行复配，继续搅拌2h，即得油井水泥用减阻剂。
2.根据权利要求1所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，包括重量份的原料：5～15份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、8～15份丙烯酸、3～8份对苯乙烯磺酸钠、3～8份醛酮缩合物。
3.根据权利要求1或2所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，包括重量份的原料：10份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、10份丙烯酸、5份对苯乙烯磺酸钠、5份醛酮缩合物。
4.根据权利要求1或2所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，包括重量份的原料：15份3-烯丙氧基-1-羟基-1-丙烷磺酸钠盐、15份丙烯酸、5份对苯乙烯磺酸钠、5份醛酮缩合物。
5.根据权利要求1所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，所述醛酮缩合物是由甲醛与丙酮按照摩尔比1～2:1混合后，加入磺化剂，然后在90～95℃反应2h，得到酮醛缩合物。
6.根据权利要求2所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，所述醛酮缩合物是由甲醛与丙酮按照摩尔比1～2:1混合后，加入磺化剂，然后在90～95℃反应2h，得到酮醛缩合物。
7.根据权利要求3所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，所述醛酮缩合物是由甲醛与丙酮按照摩尔比1～2:1混合后，加入磺化剂，然后在90～95℃反应2h，得到酮醛缩合物。
8.根据权利要求4所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，所述醛酮缩合物是由甲醛与丙酮按照摩尔比1～2:1混合后，加入磺化剂，然后在90～95℃反应2h，得到酮醛缩合物。
9.根据权利要求1所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，c步骤中采用氢氧化钠调节混合溶液的pH值至5～7，所述氢氧化钠的质量浓度为20～30％。
10.根据权利要求9所述一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，c步骤中所述引发剂为偶氮类引发剂；所述引发剂的加入量为所述油井水泥用减阻剂重量的0.01～1％。
11.如权利要求10所述的一种油井水泥用减阻剂，其特征在于，所述偶氮类化合物为偶氮二异丁脒盐酸盐或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐中的至少一种。
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