CN111807747B - 一种水泥补水防缩剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种水泥补水防缩剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水泥补水防缩剂及其制备方法和应用，尤其是一种油井水泥补水防缩剂及其制备方法和应用，属于油田化学及油气井固井材料领域。所述水泥补水防缩剂包括球形水凝胶和超细粉末，其中，以重量份计，所述球形水凝胶的原料组成为2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸100份、N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺0.5‑2份，过硫酸铵1‑4份；所述水泥补水防缩剂呈微球形态。本发明从水泥石表观体积收缩机理出发，当水泥石孔隙内水分形成凹液面时，给水泥石补充水分，通过物理控水作用防止水泥石自身的收缩，该过程不发生化学反应，对水泥浆性能影响小。

Description

一种水泥补水防缩剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种水泥补水防缩剂及其制备方法和应用，尤其是一种油井水泥补水防缩剂及其制备方法和应用，属于油田化学及油气井固井材料领域。
背景技术
水泥的水化过程就是体积缩小的过程，随着水泥水化的进行，水化产物的体积小于水化之前水泥颗粒和水的总体积，导致水泥石内孔隙体积增加，从而使孔隙内水分形成凹液面，产生界面收缩力，孔隙内凹液面的界面收缩力可进一步导致水泥石表观体积收缩。若固井水泥石发生体积收缩，将严重影响油气井固井质量。
目前防止水泥石体积收缩的主要方法是在水泥中加入膨胀剂。晶格膨胀剂和发气膨胀剂是油井水泥常用膨胀剂类型，但是常用的膨胀剂是通过在水泥浆中发生化学反应，使自身体积膨胀进而弥补水泥石的体积收缩，其在水泥中发生的化学反应会对水泥石性能造成影响，例如晶格膨胀剂的加入虽然可以弥补水泥石体积的收缩，但是不能增加水泥环与套管的胶结强度，反而使胶结强度下降，也不能有效抵抗温度和压力变化引起的应力应变，使水泥环与套管的胶结强度在温度和压力变化后大幅度下降；而发气膨胀剂在应用时应采取特殊工艺或发气膨胀剂应用技术使气孔直径分布范围集中，否则会降低水泥石的抗压强度和界面胶结强度，实施起来比较困难。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种水泥补水防缩剂及其制备方法，并将其应用于油气井固井领域。本发明从水泥石表观体积收缩机理出发，当水泥石孔隙内水分形成凹液面时，给水泥石补充水分，通过物理控水作用防止水泥石自身的收缩，该过程不发生化学反应，对水泥浆性能影响小，并且可以有效防止水泥石表观体积收缩。
本发明所述的水泥补水防缩剂包括球形水凝胶和超细粉末，其中，以重量份计，所述球形水凝胶的原料组成为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸100份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-2份，过硫酸铵1-4份；所述水泥补水防缩剂呈微球形态。
本发明中，水泥补水防缩剂呈微球形态，会在硬化后的水泥石中形成规则的球形孔，不会产生应力集中点，对硬化后的水泥石强度影响小。
本发明中，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)凝胶抗盐、耐碱、耐高温，凝胶控水稳定，不影响稠度。另外，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸形成的凝胶具有较高的强度，便于制备成微球形态。
本发明所述的水泥补水防缩剂的制备方法，其具体步骤为：
(1)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于水中，然后加入过硫酸铵，形成反应体系；
(2)将反应体系采用双分散反相悬浮聚合方法制成球形水凝胶；
(3)将球形水凝胶与超细粉末混合搅拌均匀，然后烘干得产品。
步骤(1)中水的用量为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体质量的2-3倍。用水量决定着是否能成球，如果过多则会形成粘稠的聚合物，并不成球，如果水少，则溶解单体及交联剂困难。
本发明所述的双分散反相悬浮聚合方法为现有技术，例如专利ZL201310073224.0。
本发明所述超细粉末为超细硅砂或超细碳酸钙，粒径1000-6000目，所述超细粉末与球形水凝胶质量比为1:10-3:20。本发明中超细粉末粒径和加量是互相配合，主要是将球形水凝胶分散，这样烘干后形成的是微球形态的粉末，否则形成的是块体。如果不采用超细粉末，则球形水凝胶不能有效分散，综合考虑成本以及分散效果，超细粉末粒径为1000-6000目。
本发明中球形水凝胶的粒径不能太大，太大导致最终产品粒径过大，影响水泥石强，太小了又不好从油相中过滤分离，因此，本发明制备的球形水凝胶粒径100-300μm，烘干后最终产品粒径50-100μm。
由于本发明所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸凝胶抗盐、耐碱、耐高温，适用于油井水泥浆环境，因此，本发明所述的水泥补水防缩剂可以作为油井水泥补水防缩剂。具体使用时，将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混即可，干混后加入外加剂和水。由于水泥补水防缩剂中含有超细粉末，加量大，会影响水泥浆稠度，加量低达不到补水防缩效果，因此所述水泥补水防缩剂的加入量为水泥质量的2-2.5％，所述水的加入量为水泥质量的44％，采用该加入量，不会对水泥浆性能产生任何不良影响。
本发明具有以下有益效果：
(1)AMPS凝胶在水泥浆碱性环境中稳定，不影响水泥浆稠度，将AMPS凝胶制备成微球，在水泥石中形成规则的球形孔隙，不存在应力集中点，对水泥石强度性能影响较小；
(2)利用超细粉末将球形水凝胶分散烘干，可以防止烘干过程中水凝胶黏连不分散；
(3)加入本发明制得的产品，在水泥浆混拌时，可将水泥浆中多余的自由水吸收存储，随着水泥水化的进行，体系矿化度增加，迫使水凝胶释放水分，补充孔隙水分，防止水泥石表观体积收缩；
(4)本发明补水防缩剂的出发点是通过物理控水作用防止水泥石自身的收缩，该过程不发生化学反应，虽然对水泥浆中的水分进行了物理控释，但由于其加量低且控水量进行了合理设计，所以对水泥浆性能影响小。
附图说明
图1是本发明制备的球形水凝胶。
图2水泥石体积变化，从图中可以明显看出球形吸水凝胶加入后水泥石体积未发生收缩。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
按照“GB/T10238-2015油井水泥试验方法”配置好水泥浆以后，按照ANSI/APIRecommended Practice 10B-5标准对水泥石体积变化进行测量。
实施例1一种油井水泥补水防缩剂
将100份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、0.5份NN-亚甲基双丙烯酰胺溶于200份水中，然后加入1份过硫酸铵，形成反应体系。将反应体系采用双分散反相悬浮聚合方法(ZL201310073224.0)制成球形水凝胶。将水凝胶与超细硅砂(1250目)按20:3比例混合搅拌均匀，然后烘干得补水防缩剂S1。所述球形水凝胶粒径为100-300μm，所述水泥补水防缩剂的粒径为50-100μm。
将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混后加入外加剂和水，即G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+2.5％补水防缩剂S1+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C1。
实施例2一种油井水泥补水防缩剂
将100份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、1份NN-亚甲基双丙烯酰胺溶于250份水中，然后加入2份过硫酸铵，形成反应体系。将反应体系采用双分散反相悬浮聚合方法(ZL201310073224.0)制成球形水凝胶。将水凝胶与超细硅砂(6000目)按10:1比例混合搅拌均匀，然后烘干得补水防缩剂S2。所述球形水凝胶粒径为100-300μm，所述水泥补水防缩剂的粒径为50-100μm。
将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混后加入外加剂和水，即G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+2％补水防缩剂S2+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C2。
实施例3一种油井水泥补水防缩剂
将100份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、1.5份NN-亚甲基双丙烯酰胺溶于300份水中，然后加入3份过硫酸铵，形成反应体系。将反应体系采用双分散反相悬浮聚合方法(ZL201310073224.0)制成球形水凝胶。将水凝胶与超细碳酸钙(1250目)按20:3比例混合搅拌均匀，然后烘干得补水防缩剂S3。所述球形水凝胶粒径为100-300μm，所述水泥补水防缩剂的粒径为50-100μm。
将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混后加入外加剂和水，即G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+2.5％补水防缩剂S3+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C3。
实施例4一种油井水泥补水防缩剂
将100份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、2份NN-亚甲基双丙烯酰胺溶于300份水中，然后加入4份过硫酸铵，形成反应体系。将反应体系采用双分散反相悬浮聚合方法(ZL201310073224.0)制成球形水凝胶。将水凝胶与超细碳酸钙(6000目)按10:1比例混合搅拌均匀，然后烘干得补水防缩剂S4。所述球形水凝胶粒径为100-300μm，所述水泥补水防缩剂的粒径为50-100μm。
将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混后加入外加剂和水，即G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+2％补水防缩剂S4+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C4。
实施例5对比样本(未加入补水防缩剂)
G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C5。
实施例6对比样本(加入晶格膨胀剂—石膏)
G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+3.5％石膏+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C6。
实施例7对比样本(加入发气膨胀剂—铝粉)
G级油井水泥+2.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂+1.5％磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂+0.5％磺化醛酮型分散剂+0.5％铝粉+0.44水灰比。配方中外加剂加量为占水泥质量的百分比，水泥浆体系记为C7。
水泥浆胶结强度性能测试结果如表1所示。胶结强度测试方法参考“步玉环,柳华杰,宋文宇.晶格膨胀剂对水泥-套管界面胶结性能的影响实验[J].石油学报,2011(06):157-161.”
表1
Figure BDA0002602763290000041
Figure BDA0002602763290000051
通过上述对比可以发现晶格膨胀剂及发气膨胀剂的加入不同程度降低了水泥-套管界面胶结强度。而本发明提出的补水防缩剂不存在降低水泥-套管界面胶结强度的问题。
测试实施例1-5水泥石体积变化如图2所示，从图中可以明显看出球形吸水凝胶加入后水泥石体积未发生收缩。

Claims (6)

1.一种水泥补水防缩剂，其特征在于，所述水泥补水防缩剂包括球形水凝胶和超细粉末，其中，以重量份计，所述球形水凝胶的原料组成为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸100份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.5-2份，过硫酸铵1-4份；所述水泥补水防缩剂呈微球形态；超细粉末与球形水凝胶质量比为1:10-3:20；
所述超细粉末为超细硅砂或超细碳酸钙，粒径1000-6000目；
所述水泥补水防缩剂的粒径为50-100μm；
其具体制备步骤为：
(1)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺溶于水中，然后加入过硫酸铵，形成反应体系；
(2)将反应体系采用双分散反相悬浮聚合方法制成球形水凝胶；
(3)将球形水凝胶与超细粉末混合搅拌均匀，然后烘干得产品。
2.根据权利要求1所述的一种水泥补水防缩剂，其特征在于，步骤(1)中水的用量为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单体质量的2-3倍。
3.根据权利要求1所述的一种水泥补水防缩剂，其特征在于，步骤(2)中球形水凝胶粒径为100-300μm。
4.权利要求1-3任一项所述的水泥补水防缩剂作为油井水泥补水防缩剂的应用。
5.根据权利要求4所述的水泥补水防缩剂作为油井水泥补水防缩剂的应用，其特征在于，将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混，所述水泥补水防缩剂的加入量为水泥质量的2-2.5％。
6.根据权利要求5所述的水泥补水防缩剂作为油井水泥补水防缩剂的应用，其特征在于，将所述的水泥补水防缩剂与油井水泥干混后加入外加剂和水，所述水的加入量为水泥质量的44％。
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