CN111978001A - 一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂及其制备方法和应用。所述分散剂由包含以下组分的原料反应得到：2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸100份、不饱和酸及其盐和酸酐10～100份、硅烷偶联剂1～60份和引发剂0.01～3.5份。本发明的分散剂组分和制备工艺简单，将本发明的分散剂应用于油气井固井工程，适用于API各级油井水泥，分散效果优异，可有效防止水泥颗粒发生团聚，改善水泥浆的流动性能，适用温度高达150℃。

Description

一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及油田固井领域，进一步地说，是涉及一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂及其制备方法和应用。
背景技术
在石油天然气的钻井过程中，需要将套管下入指定井深，然后在套管和井筒之间的环空中泵入水泥浆，即固井作业，以起到平衡地层压力、封隔油气水层和支撑套管等作用。所泵送的水泥浆需要具备良好的流动性能，然而在实际施工中，尤其在高温、高压、复杂井的固井施工中，水泥浆中往往需要加入缓凝剂、分散剂、加重剂、减轻剂、橡胶材料、胶乳材料等外加剂或外掺料，在固定的水灰比情况下，这些外加剂或外掺料往往导致浆体黏稠、难以泵送，无法实施固井作业。
在水泥浆中加入分散剂能够使得水泥浆在固定的水灰比条件下粘度下降、流动性能增加、实现低速下紊流注水泥浆。另外，分散剂还能改变水泥石的微观孔隙结构，使大孔减少，生成更多的微孔，水泥石结构更为密实，因而提高了水泥的耐久性、耐井下流体的化学腐蚀性和抗渗性。目前国内外油井水泥浆分散剂主要是磺化醛酮缩聚物分散剂，这种分散剂具有价格低、分散性好、与多数外加剂配伍性良好的优点，自七十年代问世以来，在油田得到广泛应用，但随着新材料新助剂的不断涌现及环保要求标准的日益提高，磺化醛酮缩聚物类分散剂的缺点暴露出来：一是与新型助剂不配伍，例如与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为主要单体的聚合物分散剂存在竞争吸附问题；二是对于添加了复杂颗粒(如胶乳、橡胶颗粒等)的水泥浆，其分散效率低；三是其原料含甲醛，生产及使用过程均不环保。因此，现场需一种配伍性好、高效、环保的分散剂取代现有的磺化醛酮缩聚物分散剂。
中国专利CN107163201A(硅烷偶联剂改性聚醚制备保坍型聚羧酸减水剂的方法)，提到通过卤代硅烷偶联剂先水解后与氨基聚醚类化合物取代再与水解的烯基硅烷偶联剂缩合而后共聚合的方法制备保坍型聚羧酸减水剂材料。但该保坍型聚羧酸减水剂材料未用于油井水泥。
中国专利CN107245131A(氨基聚醚端基硅烷化制备保坍型聚羧酸减水剂的方法)，采用硅烷偶联剂、聚醚类化合物、不饱和羧酸类单体等为主要反应原料，通过先水解再威廉姆森醚化再缩合而后共聚合的方法制备一种聚羧酸减水剂，即卤代硅烷偶联剂先水解，再与聚醚类化合物发生威廉姆森醚化反应，醚化产物与烯基硅烷偶联剂水解产物缩合，缩合产物再与不饱和聚氧乙烯醚、分子量调节剂、不饱和羧酸类单体在引发剂的作用下通过自由基共聚合反应制得具有多条分支状的硅烷偶联剂改性聚醚侧链的聚羧酸减水剂。但该保坍型聚羧酸减水剂材料未用于油井水泥。
文献“含硅烷官能团聚羧酸减水剂对水泥浆体流动性和力学性能的影响”(硅酸盐学报，2014年5月)，该文献采用KH570、丙烯酸(AA)单体、大单体HPEG，通过自由基聚合合成硅烷改性聚羧酸减水剂，评价了其对水泥砂浆强度发展的影响。但该减水剂材料未提及用于高温。
发明内容
为了解决现有的磺化醛酮缩聚物类油井水泥分散剂存在的问题剂，本发明提供一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂及其制备方法，该分散剂在低于等于150℃条件下与其他油井水泥添加剂配合使用，具有较宽的温度适用范围及良好的分散效果，且原料、生产及使用过程环保。
本发明的目的之一为提供一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂，由包含以下组分的原料反应得到，以重量份计：
Figure BDA0002068101490000031
其中，所述不饱和酸及其盐和酸酐单体包括，但不局限于，丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基磺酸或乙烯基磺酸盐、乙烯基磷酸或乙烯基磷酸盐、马来酸或马来酸酐、衣康酸、富马酸、苯乙烯磺酸盐、丙烯基磺酸盐、甲基丙烯酸羟乙酯中的至少一种，更优选丙烯酸、甲基丙烯酸。
所述硅烷偶联剂选自本领域常用的硅烷偶联剂，优选自乙烯基三乙氧基硅烷(A151)、乙烯基三甲氧基硅烷(A171)、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷(A172)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)中的至少一种，更优选γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)。
所述引发剂选自本领域常用的引发剂，优选自偶氮化合物、过氧化物、过氧酯、或氧化还原引发剂中的至少一种，更优选氧化还原引发剂，如过硫酸盐和亚硫酸氢盐，所述过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵中的一种，亚硫酸氢盐为亚硫酸氢钠等。
优选地，所述引发剂配制成水溶液，质量浓度为1～20％。
本发明的目的之二是提供一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、不饱和酸及其盐和酸酐以及硅烷偶联剂加入水中，调节溶液pH值为9～12，加热；
(2)向步骤(1)得到的溶液中滴加引发剂，反应2～6h得到所述含硅烷聚合物油井水泥分散剂。
优选地，所述步骤(1)中，加热至50～80℃，并搅拌15～60min。
所述步骤(1)中，采用浓度为30～60％的氢氧化钠调节pH值。
所述步骤(2)中，向步骤(1)得到的溶液中滴加引发剂，在50～80℃温度下反应2～6h得到具有一定粘度浅黄色的含硅烷聚合物油井水泥分散剂。
本发明的目的之三为提供所述含硅烷聚合物油井水泥分散剂在固井用水泥浆中的应用，所述分散剂用量优选为水泥浆质量的0.1％～3％。
本发明的有益效果：
1、本发明的分散剂是一种针对油井水泥而合成的新型的含硅烷的水溶性聚合物，与单纯的使用羧酸基团作为吸附基团的分散剂相比，使用硅烷偶联剂代替部分羧酸，可以在增加锚固点位的同时减小羧酸带来的缓凝作用。硅烷偶联剂一端是硅氧烷可以跟水泥表面发生吸附，另一端是某种活性基团，具体取决于偶联剂的种类，可以和有机物反应接枝。该分散剂可有效防止水泥颗粒发生团聚，改善水泥浆的流动性能，适用温度可达70～150℃。
2、本发明的分散剂采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)做骨架，具有抗高温抗盐特性。
3、本发明的分散剂原料无毒、生产过程不产生三废、产品具有生物可降解性，与油井水泥行业目前广泛使用的磺化醛酮缩聚物分散剂相比，该含硅烷聚合物油井水泥分散剂是一款环保型分散剂，在保护施工安全的同时不污染环境。
4、将本发明的分散剂应用于油气井固井工程，适用于API各级油井水泥，如与相配套的降失水剂、缓凝剂等一起配合使用，可配制出满足不同固井施工要求的具有良好可泵送性能的水泥浆。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
本发明所采用原料均为市售产品。
实施例1
称取100g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、30g丙烯酸(AA)、10g硅烷偶联剂KH570溶于200g去离子水中，加入浓度为40％的氢氧化钠溶液调节反应体系pH值为9，将溶液加入到烧瓶内，将烧瓶放入60℃恒温水浴中，向烧瓶内通入氮气排除氧气，加热搅拌15min，加入5g浓度为10％的过硫酸钠溶液和3.3g浓度为2％亚硫酸氢钠引发反应，反应持续3h，制成含硅烷聚合物溶液，即样品1。
实施例2
称取100g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、30g甲基丙烯酸(MAA)、20g丙烯酸(AA)、60gKH550溶于600g去离子水中，加入浓度为40％的氢氧化钠溶液调节反应体系pH值为10，将溶液加入到烧瓶内，将烧瓶放入60℃恒温水浴中，向烧瓶内通入氮气排除氧气，加热搅拌30min，加入7g浓度为10％的过硫酸铵溶液和5g浓度为10％亚硫酸氢钠引发反应，反应持续3h，制成含硅烷聚合物溶液，即样品2。
实施例3
称取100g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、20g甲基丙烯酸(MAA)、80g丙烯酸(AA)、20gKH560溶于500g去离子水中。加入浓度为40％的氢氧化钠溶液调节反应体系pH值为11，将溶液加入到烧瓶内，将烧瓶放入60℃恒温水浴中，向烧瓶内通入氮气排除氧气，加热搅拌60min，加入3g浓度为10％的过硫酸钠溶液和3g浓度为10％亚硫酸氢钠引发反应，反应持续3h，制成含硅烷聚合物溶液，即样品3。
三个实施例的综合性能评定：
按GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，评定流变性能、稳定性、稠化时间、抗压强度。所用水泥为四川嘉华G级水泥，降失水剂和缓凝剂为中国石化石油工程技术研究院自主研发生产的DZJ-Y降失水剂和SCR缓凝剂，其中降失水剂为AMPS类降失水剂，缓凝剂为酸类缓凝剂，对比分散剂为卫辉市化工有限公司的USZ分散剂，为磺化醛酮缩聚物分散剂。表1至表3分别评定了以上三个实施例中三个样品在不同温度下对流动性能的影响，以n、k值表述。
水泥浆配方1：100份水泥+4份DZJ-Y降失水剂+水40份，密度为1.88g/cm3。
水泥浆配方2：100份水泥+0.3份本发明的分散剂+4份DZJ-Y降失水剂+水39.7份，密度为1.88g/cm3。
水泥浆配方3：100份水泥+35份硅粉+0.3份本发明的分散剂+5份DZJ-Y降失水剂+0.2份SCR缓凝剂+水为53.9份，密度为1.88g/cm3。
水泥浆配方4：100份水泥+35份硅粉+0.5份本发明的分散剂+5份DZJ-Y降失水剂+0.8份SCR缓凝剂+水为53.9份，密度为1.88g/cm3。
水泥浆配方5：100份水泥+0.3份USZ分散剂+4份DZJ-Y降失水剂+水39.7份，密度为1.88g/cm3。
配方1和配方2适用于温度小于110℃的水泥浆体系。配方3和配方4适用于温度高于110℃的体系。配方样品中水泥加量为重量100份，水为现场水。
实施例1样品在不同配方中的综合性能如表1所示。
表1
Figure BDA0002068101490000061
实施例2样品在不同配方中的综合性能如表2所示。
表2
Figure BDA0002068101490000071
实施例3样品在不同配方中的综合性能如表2所示。
表3
Figure BDA0002068101490000072

Claims (10)

1.一种含硅烷聚合物油井水泥分散剂，其特征在于所述分散剂由包含以下组分的原料反应得到，以重量份计：
Figure FDA0002068101480000011
2.根据权利要求1所述的分散剂，其特征在于所述分散剂由包含以下组分的原料反应得到，以重量份计：
Figure FDA0002068101480000012
3.根据权利要求1所述的分散剂，其特征在于：
所述不饱和酸及其盐和酸酐选自丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基磺酸、乙烯基磺酸盐、乙烯基磷酸、乙烯基磷酸盐、马来酸、马来酸酐、衣康酸、富马酸、苯乙烯磺酸盐、丙烯基磺酸盐、甲基丙烯酸羟乙酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的分散剂，其特征在于：
所述硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的分散剂，其特征在于：
所述引发剂选自偶氮化合物、过氧化物、过氧酯、或氧化还原引发剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的分散剂，其特征在于：
所述引发剂为过硫酸盐和亚硫酸氢盐。
7.一种根据权利要求1～6之任一项所述的含硅烷聚合物油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、不饱和酸及其盐和酸酐以及硅烷偶联剂加入水中，调节溶液pH值为9～12，加热；
(2)向步骤(1)得到的溶液中滴加引发剂，反应2～6h得到所述分散剂。
8.根据权利要求7所述的分散剂的制备方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，加热至50～80℃，并搅拌15～60min。
9.根据权利要求7所述的分散剂的制备方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，采用浓度为30～60％的氢氧化钠调节pH值。
10.权利要求1～6之任一项所述的含硅烷聚合物油井水泥分散剂在固井用水泥浆中的应用。
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