CN105199690A - 一种油井水泥耐高温悬浮剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油井水泥耐高温悬浮剂；由钻井膨润土和一种疏水缔合水溶性聚合物按质量5:1复配制得；疏水缔合物是采用无皂乳液聚合方法合成的四元共聚物，聚合单体组成质量配比为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸35～80份，丙烯酰胺10～60份，N，N—二甲基丙烯酰胺5～10份，含有疏水基团的单体5～20份；该耐高温悬浮剂耐温可达170℃，可有效解决水泥浆的稳定性问题，且低温不过分增稠、高温不过分稀释，综合性能良好。

Description

一种油井水泥耐高温悬浮剂

技术领域

本发明涉及油田完井技术固井领域所用的水泥外加剂，是一种耐高温悬浮剂，主要用于提高水泥浆稳定性，有效控制水泥浆游离液。

背景技术

油气井采油之前要进行注水泥作业，以达到封隔油、气、水层，阻止地层间流体相互窜流，保护生产层的目的。注水泥作业要求水泥浆要有良好的综合性能，以保证安全施工和良好的封固质量。水泥浆稳定性是水泥浆重要性能指标之一，水泥浆稳定性差会造成如下危害：(1)水泥石的致密程度及胶结强度从上到下会不断减弱，对水泥环的封固质量造成不良影响；(2)在水泥柱中形成油、气、水窜的通道，影响固井质量和施工安全，在水平井和大斜度井中表现尤为突出；(3)井筒上部水泥胶结疏松、强度下降，可能会导致地层封固失效和地层流体运移，减弱了对储层的控制能力。因此，水泥浆稳定性应引起高度重视。

水泥浆的稳定性主要包括游离液和沉降稳定性两方面，游离液少、沉降稳定性好是水泥浆稳定性的表现。目前，对水泥浆稳定性的研究较少，国内大多数油田固井前只对游离液进行评价，对水泥浆的沉降稳定性评价很少，发现严重的沉降后也缺乏有效的解决办法，尤其高温深井的逐渐增多，高温沉降已成为目前固井面临的一个普遍问题。现场多采用加入微硅等超细材料来提高水泥浆稳定性，但常会导致浆体太稠且不能有效抑制高温变稀造成的沉降。

水泥浆悬浮剂是专门用在水泥浆中阻止颗粒沉降、增加体系稳定性的一种油井水泥外加剂。水泥浆悬浮剂是固井外加剂中发展较晚，种类较少的一种材料。主要包括有机聚合物、生物聚合物、硅酸钠以及膨润土、绿坡缕石、硅灰等。随着人们对固井质量要求的提高，悬浮剂的开发也逐渐受到重视。目前固井悬浮剂可应用的产品数量很少，且耐温能力有限综合性能欠佳，常会存在低温增稠严重，高温过分稀释的问题，限制了悬浮剂的加量和可适应温度范围，高温起不到良好的悬浮能力。有的悬浮剂还会对稠化、强度、失水等性能产生不良影响，从而影响固井质量。因此，研究耐温能力强，综合性能良好的耐高温悬浮剂具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种油井水泥用耐高温悬浮剂，该悬浮剂耐温可达170℃，综合性能良好，能有效解决水泥浆稳定差的问题，从而保证施工安全和提高固井质量。

本发明提供的耐高温悬浮剂是钻井膨润土与一种疏水缔合水溶性聚合物的复合物，复配最佳比例为5:1(质量比)。其中，疏水缔合水溶性聚合物采用易于工业化的无皂乳液聚合方法制得，聚合单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N，N—二甲基丙烯酰胺和一种含有疏水基团物质，含疏水基团的单体选自苯乙烯、烯丙基二甲基十八烷基氯化铵、丙烯酸丁酯。四种单体重量份配比为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸35～80份，丙烯酰胺10～60份，N，N—二甲基丙烯酰胺5～10份，含有疏水基团的单体5～20份。

所述的耐高温悬浮剂的具体制备方法如下：在烧杯中加入适量蒸馏水，按照上述质量配比称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N，N—二甲基丙烯酰胺单体于容器中搅拌溶解，然后加入氢氧化钠调节溶液pH＝7，倒入清洗干净的三颈瓶中，再加入称取好的含疏水基团单体，开启搅拌和加热装置，并充入氮气进行保护。当体系温度达到50℃时加入引发剂，引发聚合反应，温度保持在85～100℃，恒温反应5h制得粘稠状的疏水缔合水溶性聚合物的水溶液，将其用乙醇洗涤纯化，再倒入托盘中，放入烘箱，在100～150℃下进行干燥，最后研磨得到纯的粉末状产物。将钻井膨润土和疏水缔合水溶性聚合物固体粉末按5:1的质量比混合均匀即可得到耐高温悬浮剂产品。所用引发剂为氧化还原类物质。

本发明具有如下有益效果：

(1)采用复配的方式，将悬浮剂增稠、触变和形成网架结构的机理有机的结合在了一块，使悬浮剂在低温和高温下都具有良好的悬浮能力，可显著改善水泥浆的稳定性，应用温度高达170℃，可以满足日益发展的钻完井工程的需要。

(2)钻井膨润土可以逐渐吸水膨胀而形成触变性的凝胶矿物，具有较强的高温悬浮能力，且低温增稠不明显，与少量疏水缔合水溶性聚合物复配可以避免低温过分增稠，保证施工的顺利进行。

(3)通过引入疏水单体采用无皂乳液聚合的方式合成出疏水缔合水溶性聚合物，疏水缔合物可以发生疏水缔合作用，产生动态物理交联，增粘作用明显，且其黏度受电解质、温度影响较小，在一定温度范围内不会出现严重的高温变稀现象，从而保持水泥浆的高温稳定性。

(4)少量耐高温悬浮剂就可以显著改善水泥浆稳定性，对水泥浆其他性能(如稠化时间、失水、抗压强度等)无不良影响。

附图说明

图1170℃水泥柱密度分布情况。

具体实施方式

含疏水基团的单体选自苯乙烯、烯丙基二甲基十八烷基氯化铵或丙烯酸丁酯。所用引发剂为过硫酸钾和亚硫酸氢钠氧化还原体系。

实施例1：

称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸65份、丙烯酰胺25份，N，N—二甲基丙烯酰胺5份于烧杯中，搅拌溶解，然后加入氢氧化钠调节溶液pH＝7，倒入清洗干净的三颈瓶中，再加入5份含疏水基团单体，开启搅拌和加热装置，充入氮气。当体系温度达到50℃时加入0.6份引发剂，引发聚合反应，恒温反应5h停止反应。将合成产物用乙醇洗涤纯化、干燥、研磨得到固体粉末，将钻井膨润土和疏水缔合水溶性聚合物固体粉末按5:1的质量比混合均匀制成耐高温悬浮剂，标记为1#样品。

实施例2：

称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸55份、丙烯酰胺30份、N，N—二甲基丙烯酰胺5份于烧杯中搅拌溶解，然后加入氢氧化钠调节溶液pH＝7，倒入清洗干净的三颈瓶中，再加入10份含疏水基团单体，开启搅拌和加热装置，充入氮气。当体系温度达到50℃时加入0.6份引发剂，引发聚合反应，恒温反应5h停止反应。将合成产物用乙醇洗涤纯化、干燥、研磨得到固体粉末，将钻井膨润土和疏水缔合水溶性聚合物固体粉末按5:1的质量比混合均匀制成耐高温悬浮剂，标记为2#样品。

制得的耐高温悬浮剂样品性能评价

按照GB/T19139-2012《油井水泥试验方法》中规定的试验方法对样品进行评价。图1和表1为高温下加入悬浮剂1#、2#样品的水泥浆的稳定性评价，表2为悬浮剂1#、2#样品对水泥浆的流变性能的影响评价，表3为悬浮剂1#、2#样品对水泥浆其他性能的影响评价。评价所用水泥浆基础配方(质量比)为：G级水泥100+硅粉35+缓凝剂2.5+降失水剂5.0+水55.0+悬浮剂样品(加量见表中所示)(水泥浆密度1.87g/cm3)。

(1)测试在170℃下不加悬浮剂和加入悬浮剂1#、2#样品的水泥浆稳定性，测试结果见表1和图1。

表1170℃下的水泥浆稳定性试验结果

悬浮剂加量(占水泥质量，％)	游离液，％	水泥柱最大密度差，g/cm3
			0.0	3.5	0.40
1.0(1#样品)	0.0	0.03
			1.0(2#样品)	0.0	0.04

(注：不加悬浮剂样品的水泥柱发生严重收缩，上部为一层游离液)

由上述实验结果可知，加入1％的1#(或2#)悬浮剂样品，水泥浆的游离液和密度差都明显降低，水泥浆稳定性得到明显改善。

(2)测试1#、2#悬浮剂样品在不同加量下、20℃和90℃的流变数据变化情况，测试结果如表2。

表2悬浮剂样品不同加量下常温和90℃流变数据

由表2可知：加入1#(或2#)悬浮剂样品的水泥浆流变数据，20℃与90℃的检测结果变化不大，流变数据相对稳定，且和不加悬浮剂样品的水泥浆相比常温下流变数据增加较小。这也说明，1#(或2#)悬浮剂样品低温不过分增稠，且可在一定程度上抑制高温变稀现象，从而可以保证水泥浆具有良好的流变性能和沉降稳定性。

(3)测试1#、2#悬浮剂样品在不同加量下水泥浆其他性能，测试温度为145℃，测试结果如表3。

表3水泥浆综合性能表

由表3可知，1#(或2#)悬浮剂样品不仅可以显著改善水泥浆稳定性，而且对水泥浆稠化、失水及抗压强度等性能无不良影响。

实验证明，本发明的耐高温悬浮剂可以有效解决水泥浆的稳定性问题，在170℃下仍具有良好的悬浮能力，且低温不过分增稠、高温不过分稀释，对水泥浆其他性能无不良影响，是一种综合性能良好的耐高温悬浮剂。

Claims (3)

1.一种油井水泥耐高温悬浮剂，其特征在于：由钻井膨润土和一种疏水缔合水溶性聚合物按质量5:1复配制得；

所述的疏水缔合物是采用无皂乳液聚合方法合成的四元共聚物，聚合单体组成质量配比为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸35～80份，丙烯酰胺10～60份，N，N—二甲基丙烯酰胺5～10份，含有疏水基团的单体5～20份。

2.根据权利要求1所述的油井水泥耐高温悬浮剂，其特征在于：所述疏水缔合水溶性聚合物是采用无皂乳液聚合方法制备的，所用引发剂为氧化还原类物质。

3.根据权利要求1所述的油井水泥耐高温悬浮剂，其特征在于：所述的含有疏水基团的单体选自苯乙烯、烯丙基二甲基十八烷基氯化铵或丙烯酸丁酯。