CN111808231A - 热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂及其制备方法，其为由2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸、丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵、温敏单体和交联剂共聚而成的交联共聚物，其分子量为7×105～9×105；其中，所述温敏单体为N‑异丙基丙烯酰胺或N‑乙烯基己内酰胺；所述交联剂为二乙烯基苯或N,N‑亚甲基双丙烯酰胺；该水泥浆高温稳定剂高温增粘效果明显，可显著改善水泥浆高温稳定性，耐温性能可达到180℃，能够在深井和超深井中很好的解决由于其他外加剂变稀、水泥颗粒沉降加剧等造成的水泥浆稳定性差难题，且对水泥浆综合性能无不良影响，满足现场施工需求；在制备方法上制备热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂及其制备方法过程简单，成本低，具有市场推广应用前景。

Description

热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及固井水泥浆外加剂技术领域，特别涉及一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂及其制备方法。
背景技术
随着勘探开发不断深入，高温深井地层固井需求越来越多。高温深井固井用水泥浆体系中，常采用可溶性聚合物类降失水剂、缓凝剂，解决了高温深井固井中各种难题。但是，随着勘探开发向更深层的发展，水溶性聚合物的一些缺陷在应用过程中逐渐暴露，主要体现在抗高温、抗盐性能方面。抗高温方面，常规水溶聚合物的粘度会随着温度的升高而降低，此外，高温条件下，随着分子热运动的加剧，聚合物体系的稳定性也会减弱，水泥颗粒沉降加剧，导致水泥浆体系稳定性变差；在抗盐方面，钠、钾离子会屏蔽聚合物侧链中羧基基团之间的斥力，使聚合物团聚而丧失增粘效果。同时储层水中往往会存在少量的Ca2+、Mg2+等二价阳离子，与水溶性聚合物中的阴离子相互作用，导致聚合物沉淀，失去增粘作用。水泥浆在高温条件下失稳会导致一系列的危害：(1)水泥浆沉降会使水泥浆产生游离液，游离液过多会使水泥柱中形成水环或水带，为流体窜流提供通道，尤其是水平井或大斜度井中，水泥浆沉降稳定性差会造成井筒高边水泥石疏松，强度低，影响层间封隔质量；(2)在环空中，水泥环的致密程度及胶结强度从下到上会不断减弱，对水泥环的封固质量造成不良影响；(3)沉降严重时会造成憋泵，甚至发生漏失，影响固井施工安全。
水泥浆中加入稳定剂是解决其高温条件下稳定性差的有效措施。目前国内常用的水泥浆高温稳定剂，生物胶类增粘剂以其优异的提切性能受到了广大研究者的青睐，但此类增粘剂昂贵的价格限制了广泛使用。高分子量聚合物也可在一定程度上提高水泥浆高温稳定性，但分子量过高，会导致聚合物溶解性变差，低温条件下粘度过高，施工过程中水泥浆流动性差，泵压高等。
已公开专利CN103694975A提供了一种水泥浆稳定剂，其包括温伦胶、有机土、矿物油以及流变调节剂等，可有效防止水泥浆产生游离液和沉降。但该稳定剂加量少，干混使用时易出现混配不匀的情况，影响稳定剂性能的发挥。
已公开专利CN105176505B提供了一种固井用水泥浆稳定剂，其包括54～89重量份的石英砂、2～20重量份的温伦胶、0～8重量份的黄原胶、3～10重量份的聚乙烯醇、3～8重量份的接枝高分子聚合物，可提高水泥浆的稳定性。但该稳定剂制备工艺相对复杂，且在使用过程中，稠化曲线容易出现“鼓包”等问题。
已公开专利CN107814877A提供了一种水泥浆高温稳定剂，其由乙烯基吡咯烷酮；丙烯酰胺；N,N-二甲基丙烯酰胺；丙烯酰吗啉通过自由基聚合制备。该稳定剂可随着温度的增加有效提高水泥浆黏度，解决常温增稠及高温沉降的矛盾；并且聚合物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。但该稳定剂应用温度受限，最高仅为150℃。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够显著改善水泥浆高温条件下的稳定性且对水泥浆的其它性能无不良影响的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂。
本发明的另一目的是提供一种制备上述热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂的制备方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其为由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵、温敏单体和交联剂共聚而成的交联共聚物，其分子量为7×105～9×105；其中，所述温敏单体为N-异丙基丙烯酰胺或N-乙烯基己内酰胺；所述交联剂为二乙烯基苯或N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
其中，以温敏单体选用N-乙烯基己内酰胺、交联剂选用二乙烯基苯为例，所制备的高密度水泥浆高温稳定剂的化学结构式如下：
Figure BDA0002585779160000031
该热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂的制备原料及其用量为：40～50重量份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、15～20重量份丙烯酰胺、5～10重量份二甲基二烯丙基氯化铵、25～35重量份温敏单体、1～2重量份交联剂、2～5重量份乳化剂和0.5～1.0重量份引发剂40～50重量份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、15～20重量份丙烯酰胺、5～10重量份二甲基二烯丙基氯化铵、25～35重量份温敏单体、1～2重量份交联剂、2～5重量份乳化剂和0.5～1.0重量份引发剂。
在该热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂中，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸含有的水溶性、强阴离子性磺酸基，使共聚物具有良好的抗盐性及热稳定性；丙烯酰胺为强吸附单体，可提升共聚物的分子量及粘度；二甲基二烯丙基氯化铵为阳离子单体，其聚合后在高分子主链形成五元环，提高聚合物的链刚性，阴、阳离子之间低温条件下形成缔合结构，聚合呈卷曲状，高温下缔合结构破坏，聚合物之间可形成稳定的网状结构，与水泥颗粒之间充分吸附，起到悬浮作用；与此同时，通过引入温敏单体：N-异丙基丙烯酰胺或N-乙烯基己内酰胺，使共聚物在低于临界相转变温度(LCST)的低温下易溶于水中，分子间氢键的逐渐解离，聚合物溶液的粘度低；而随着温度升高至LCST以上，温敏基团开始自组装形成链间疏水结构，可增加聚合物溶液的粘度，随着温度的升高，这种自组装行为加剧，聚合物的粘度逐渐增加；当到达一定程度后，随着温度的增加，聚合物溶液的粘度逐渐降低，这是因为在该温度以上，更多温敏基团参与形成更大范围的疏水区域，聚合物溶液疏水区域过大，造成相分离，削弱网络结构，造成聚合物溶液粘度降低，而这可以保证加有该稳定剂的水泥浆更高温度条件下稠度不会太高；交联剂的添加使聚合物适度交联，形成网状结构，保持高温条件下的稳定性。
优选，所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠。
优选，所述引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合物；更优选，二者优选摩尔比为1:1。
一种制备上述热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂的制备方法，步骤如下：
S1、将反应单体和交联剂溶解在水中，配制得到单体质量分数为15％～20％的反应混合液；
S2、向反应混合液中加入氢氧化钠或碳酸钠，调节溶液的pH值至7～9；
S3、向步骤S2配制的反应混合液中加入乳化剂，待搅拌均匀后加热至40～60℃，加入引发剂引发反应，并持续反应4～6h，得到反应生成液；
S4、将反应生成液滴加至丙酮中，得到沉降固体，并将所得固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃下干燥2天，所得产物即为共聚物类油井水泥浆高温稳定剂。
与现有技术相比，该热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂高温增粘效果明显，可显著改善水泥浆高温稳定性，耐温性能可达到180℃，能够在深井和超深井中很好的解决由于其他外加剂变稀、水泥颗粒沉降加剧等造成的水泥浆稳定性差难题，且对水泥浆综合性能无不良影响，满足现场施工需求；该热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂制备方法简单，成本低，具有市场推广应用前景。
附图说明
图1为利用高温高压流变仪测定对由实施例1～3以及对比例1配制的2wt.％的共聚物水溶液在不同温度条件下的表观粘度测试图；
图2为未添加有本发明的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定的水泥浆稠化曲线；
图3为添加有本发明的实施例1的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定的水泥浆稠化曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在以下实施例和对比例中，各组分的用量均为重量份。
实施例1
一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其采用如下步骤制备而成：
S1、将40份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、20份丙烯酰胺、10份二甲基二烯丙基氯化铵、30份N-乙烯基己内酰胺和2份二乙烯基苯溶解在567份水中，配制得到单体质量分数为15％的反应混合液；
S2、向步骤S1配制的反应混合液中加入氢氧化钠，调节其pH值至8；
S3、将步骤S2配制的反应混合液中加入2份十二烷基硫酸钠，待搅拌均匀后，加热至40℃，再向其中加入0.4份过硫酸铵和0.18份亚硫酸氢钠引发反应，并持续反应6h；
S4、停止反应并将所得混合物滴加至丙酮中使产物沉降，将所得沉降固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃条件下干燥2天，所得产物即为热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂。
实施例2
一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其采用如下步骤制备而成：
S1、将50份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、15份丙烯酰胺、10份二甲基二烯丙基氯化铵、25份N-异丙基丙烯酰胺、1份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶解在400份水中，配制得到单体质量分数为20％的反应混合液；
S2、向步骤S1配制的反应混合液中加入碳酸钠，调节其pH值至7；
S3、将步骤S2配制的反应混合液中加入3份十二烷基磺酸钠，待搅拌均匀后，加热至50℃，再向其中加入0.69份过硫酸铵和0.31份亚硫酸氢钠引发反应，并持续反应6h；
S4、停止反应并将所得混合物滴加至丙酮中使产物沉降，将所得沉降固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃条件下干燥2天，所得产物即为热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂。
实施例3
一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其采用如下步骤制备而成：
S1、将40份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、17.5份丙烯酰胺、5份二甲基二烯丙基氯化铵、35份N-乙烯基己内酰胺、1.5份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶解在567份水中，配制得到单体质量分数为15％的反应混合液；
S2、向步骤S1配制的反应混合液中加入氢氧化钠，调节其pH值至9；
S3、将步骤S2配制的反应混合液中加入5份十二烷基苯磺酸钠，待搅拌均匀后，加热至60℃，再向其中加入0.34份过硫酸铵和0.16份亚硫酸氢钠引发反应，并持续反应4h；
S4、停止反应并将所得混合物滴加至丙酮中使产物沉降，将所得沉降固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃条件下干燥2天，所得产物即为热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂。
对比例1
一种水泥浆高温稳定剂，其采用如下步骤制备而成：
S1、将40份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、20份丙烯酰胺、10份二甲基二烯丙基氯化铵溶解在397份水中，配制得到单体质量分数为15％的反应混合液；
S2、向步骤S1配制的反应混合液中加入氢氧化钠，调节其pH值至8；
S3、将步骤S2配制的反应混合液加热至40℃，再向其中加入0.4份过硫酸铵和0.18份亚硫酸氢钠引发反应，并持续反应4h；
S4、停止反应并将所得混合物滴加至丙酮中使产物沉降，将所得沉降固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃条件下干燥2天，所得产物即为水泥浆高温稳定剂。
对比例2
一种水泥浆高温稳定剂，其采用如下步骤制备而成：
S1、将40份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、20份丙烯酰胺、10份二甲基二烯丙基氯化铵和30份N-乙烯基己内酰胺溶解在567份水中，配制得到单体质量分数为15％的反应混合液；
S2、向步骤S1配制的反应混合液中加入氢氧化钠，调节其pH值至8；
S3、将步骤S2配制的反应混合液中加入5份十二烷基苯磺酸钠，待搅拌均匀后，加热至40℃，再向其中加入0.4份过硫酸铵和0.18份亚硫酸氢钠引发反应，并持续反应4h；
S4、停止反应并将所得混合物滴加至丙酮中使产物沉降，将所得沉降固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃条件下干燥2天，所得产物即为水泥浆高温稳定剂。
经测试，实施例1～3以及对比例1和对比例2所得水泥浆高温稳定剂产物的数均分子量均在7×105～9×105的范围内。
性能测试：
分别取实施例1～3以及对比例1～2制备的水泥浆高温稳定剂并配制为2wt.％的共聚物水溶液，并利用高温高压流变仪测定对共聚物水溶液在不同温度条件下的表观粘度。测试结果如图1所示。
从图1的测试结果可以看出，采用实施例1～3的水泥浆高温稳定剂配制的共聚物水溶液均展现出良好的热增粘性能。在40℃以下，实施例1～3的共聚物水溶液随着温度的升高其粘度逐渐降低；而在40℃以上，实施例1～3的共聚物水溶液粘度随温度升高显著增加，并在温度达到115℃～125℃时达到峰值；而在此温度区间之后，其粘度又会随着温度的增加而缓慢降低，但在150℃条件下的粘度仍明显高于室温条件下的粘度。而由于对比例1在制备过程中省略了温敏单体，因而其2wt.％共聚物水溶液溶液粘度随着温度的升高逐渐降低，当温度达到150℃时，其粘度仅为35.4mPa·s。
具体地，以实施例1为例进行具体说明。当温度低于40℃时，环境温度低于聚合物分子结构中NVCL(N-乙烯基己内酰胺)侧链的临界相转变温度(LCST)，此时侧链基团在水溶液中是可溶的，随着温度的升高，由于分子间氢键的逐渐解离，聚合物溶液的粘度逐渐降低；而在高于40℃条件下，即环境温度高于NVCL侧链的LCST，NVCL侧链开始自组装形成链间疏水结构，聚合物溶液的粘度增加，随着温度的升高，这种自组装行为加剧，聚合物的粘度逐渐增加，并在温度达到115℃～125℃时，达到最大值；随后，随着温度继续增加，NVCL侧链中更多部分参与形成更大范围的疏水区域，聚合物溶液疏水区域过大，造成相分离，削弱网络结构，导致聚合物溶液的粘度逐渐降低；然而在125℃～180℃之间，虽然随温度升高，聚合物溶液的粘度虽有所降低但也逐渐趋于平稳状态，且仍明显高于室温条件下的粘度，依然满足作业要求。
实施例2和实施例3随温度变化也具有相同的流变行为，对应地原理也与实施例1相同。对比例2由于也加入有温敏单体，因此也表现出与实施例1～3的水泥浆高温稳定剂相同的流变行为。
依据GB/T19139-2012配制水泥浆，并对所配制的水泥浆的密度、失水、稠化时间、抗压强度、游离液、稳定性等性能进行测试。
水泥浆配方为：100份G级油井水泥+30份硅粉+5份微硅+6份降失水剂BH-F201L+2份缓凝剂BH-R101L+1份减阻剂BH-D301L+0.2份消泡剂BZXP-1+0.5％高温稳定剂。其中，水泥浆配方中的降失水剂BH-F201L，缓凝剂BH-R101L、减阻剂BH-D301L、消泡剂BZXP-1为中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二固井分公司产品；高温稳定剂为本申请中实施例1～3以及对比例1和对比例2配制的水泥浆高温稳定剂。
测试结果见下表1。
表1：
Figure BDA0002585779160000091
从表1的测试结果可以看出，未添加高温稳定剂的水泥浆180℃条件下稳定性非常差，水泥石上、下密度差达到0.226g/cm3，无法满足现场施工需求；而添加有实施例1～3的水泥浆高温稳定剂的水泥浆稳定性显著增强，水泥石上、下密度差降低至0.012～0.023g/cm3，能够满足现场施工对水泥浆稳定性的要求，且实施例1的效果最为显著。对比例1制备的水泥浆高温稳定剂为目前常用的高分子量增粘共聚物，从测试结果可以看出，该水泥浆高温稳定剂添加到水泥浆中虽然也可提高水泥浆高温稳定性，但效果相对较差，水泥石上下密度差为0.142g/cm3，仍无法满足需求。对比例2制备的水泥浆高温稳定剂虽然在对比例1的基础上增加了温敏单体，使水泥浆的稳定性得到显著改善，其水泥石上、下密度差由0.142g/cm3降至0.036g/cm3，说明温敏单体的添加使高温条件下聚合物粘度增加，有效补偿水泥浆体系变稀的缺陷，使水泥浆仍能保持良好的稳定性；但是相对于实施例1～3制备的水泥浆高温稳定剂，对比例2中未添加交联剂，导致聚合物未发生适度交联并形成网状结构，因此稳定性不佳，不满足施工要求。
此外，从上表1的测试结果中可知，实施例1～3还可以进一步降低水泥浆失水、游离液，而对水泥浆的稠化时间和抗压强度两方面性能没有影响。
如图2所示为未添加有稳定剂的水泥浆稠化曲线示意图。从图2的测试结果可以看出，未添加稳定剂的水泥浆的初始稠度高，但随着温度的增加，稠度显著降低，150℃稠度降低至6Bc。如图3所示为添加有实施例1制备的稳定剂的水泥浆稠化曲线示意图。从图3的测试结果可以看出，添加实施例1水泥浆从室温到150℃一直保持较高的稠度，未出现随着温度升高，稠度变稀的现象。

Claims (5)

1.一种热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其特征在于，其为由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵、温敏单体和交联剂共聚而成的交联共聚物，其分子量为7×105～9×105；其中，所述温敏单体为N-异丙基丙烯酰胺或N-乙烯基己内酰胺；所述交联剂为二乙烯基苯或N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
2.根据权利要求1所述的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其特征在于，其制备原料及其用量为：40～50重量份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、15～20重量份丙烯酰胺、5～10重量份二甲基二烯丙基氯化铵、25～35重量份温敏单体、1～2重量份交联剂、2～5重量份乳化剂和0.5～1.0重量份引发剂。
3.根据权利要求2所述的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其特征在于，所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠。
4.根据权利要求1所述的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂，其特征在于，所述引发剂为摩尔比为1:1的过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合物。
5.一种如权利要求1所述的热增粘共聚物类水泥浆高温稳定剂的制备方法，其特征在与，制备步骤如下：
S1、将反应单体和交联剂溶解在水中，配制得到单体质量分数为15～20％的反应混合液；
S2、向反应混合液中加入氢氧化钠或碳酸钠，调节溶液的pH值至7～9；
S3、向步骤S2配制的反应混合液中加入乳化剂，待搅拌均匀后加热至40～60℃，加入引发剂引发反应，并持续反应4～6h，得到反应生成液；
S4、将反应生成液滴加至丙酮中，得到沉降固体，并将所得固体用丙酮清洗3～5次后，置于真空干燥箱中在60℃下干燥2天，所得产物即为共聚物类油井水泥浆高温稳定剂。
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