CN113912768A - 一种热不降粘型油井水泥降失水剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种热不降粘型油井水泥降失水剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热不降粘型油井水泥降失水剂及其制备方法和应用。以重量份数计，该降失水剂包括以下组分：100重量份的水；6～10份的2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸；6～10份的N,N‑二甲基丙烯酰胺；2～6份的顺丁烯二酸；1～5份的丙烯酸；1～5份的长链丙烯酸烷基酯；5～6份的氢氧化钠；0.1～0.3份的过硫酸铵；0.1～0.3份的亚硫酸氢钠。本发明的热不降粘型油井水泥降失水剂在20℃～160℃温度范围内，配浆(水泥浆)粘度适中，有良好的降失水性；同时因为组分中引入了长链疏水单体长链丙烯酸烷基酯，具有高温时热浆粘度微增的作用，避免了升温养护后浆体变稀的问题。

Description

一种热不降粘型油井水泥降失水剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于油气井固井技术领域，具体涉及一种热不降粘型油井水泥降失水剂及其制备方法和应用。
背景技术
在油气井注水泥作业中，通过水泥车泵送将水泥浆泵入井内，经过替浆的过程将水泥浆顶替到套管与井眼之间的环形空间，达到封隔油、气、水层保护生产层和支撑保护套管的目的。
油井水泥降失水剂是一种油井水泥的外加剂，通常用于油、气井注水泥作业所使用的水泥浆中。油井水泥浆降失水剂能控制水泥浆中液相向渗透性地层滤失，从而保持水泥浆适当水灰比。它是油井水泥外加剂中最重要的一类外加剂，其使用直接关系到固井施工的成败、固井质量、油井寿命及产能等一系列问题。固井时水泥浆只有保持一定的水灰比，才能够从套管泵送至井下，然后从环空返回至设计位置。如果水泥浆大量“失水”，水泥浆的密度、稠化时间、流变性能等随之改变，甚至变的不可泵送，导致固井失败。大量的水泥浆滤液进入地层也会造成地层不同程度的伤害。油气井固井施工中降低水泥浆失水，主要有五个方面的意义：①防止油气层被污染，以利于提高采收率；②保护水敏性地层；③防止水泥浆在渗透性地层先期脱水；④防止环空气窜；⑤保证水泥浆的流动性，提高顶替效率。因此，在水泥浆体系设计中通常加入降失水剂来控制水泥浆失水。
油井水泥降失水剂大多是高分子聚合物，如羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、水解聚丙烯腈、部分水解聚丙烯酰胺等。近年来，合成水溶性聚合物成为国内外研究热点。目前，我国适应各温度段的油井水泥降失水剂已基本完善。例如：专利CN101698794A，采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺等为原料，生产的耐高温油井水泥降失水剂，在210℃高温下适用，专利没有说明这一降失水剂的低温适用性。专利CN102229797A，采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、N-乙烯基吡咯烷酮等为原料生产的耐高温油井水泥降失水剂，在200℃高温下适用。专利CN103881670A，采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯、烷基取代丙烯酰胺或N-乙烯基吡咯烷酮、对苯乙烯磺酸钠、不饱和羧酸钠等为原料生产的耐高温油井水泥降失水剂，在80～200℃高温下适用。专利CN104193897A，采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯、富马酸等为原料生产的耐高温油井水泥降失水剂，在40～200℃高温下适用。
水泥浆中加入降失水剂，会增加水泥浆的粘度，体相粘度的增加是大多数降失水剂有效控制失水的因素之一。当温度升高时，随着分子热运动的增加，水泥浆会变稀，这对高温浆体稳定是十分不利的。目前，大多数的聚合物降失水剂制备的水泥浆，都存在配浆粘度大，升温养护后浆体变稀的问题。特别是高密度水泥浆，有时存在常温配浆增稠严重，而高温浆体变稀又沉降严重得两难问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种热不降粘型油井水泥降失水剂。该降失水剂在应用温度范围内配浆(水泥浆)粘度适中，热浆粘度微增，能有效解决大多数聚合物降失水剂存在的配浆粘度大，升温养护后浆体变稀的问题。
为此，本发明第一方面提供了一种热不降粘型油井水泥降失水剂，以重量份数计，其包括以下组分：
100重量份的水；
7～9份的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；
7～9份的N,N-二甲基丙烯酰胺；
3～5份的顺丁烯二酸；
2～4份的丙烯酸；
1～5份的长链丙烯酸烷基酯；
5～6份的氢氧化钠；
0.1～0.3份的过硫酸铵；
0.1～0.3份的亚硫酸氢钠。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述降失水剂包括2～4份的长链丙烯酸烷基酯。
在本发明的进一步优选的实施方式中，所述降失水剂包括2～3份的长链丙烯酸烷基酯。
在本发明的一些实施方式中，所述长链丙烯酸烷基酯选自丙烯酸十二酯、丙烯酸十四酯、丙烯酸十六酯和丙烯酸十八酯中的一种或多种。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述的长链丙烯酸烷基酯为丙烯酸十八酯。
本发明第二方面提供了一种如本发明第一方面所述的降失水剂的制备方法，其包括以下步骤：
S1，将水、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、丙烯酸和长链丙烯酸烷基酯混合，获得混合液；
S2，将氢氧化钠加入所述混合液中，并进行加热，获得加热后的混合液；
S3，将过硫酸铵和亚硫酸氢钠加入到所述加热后的混合液进行反应，获得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，加热后的温度为50～70℃。
在本发明的另一些实施方式中，步骤S2中，加热后保持的时间为20～40分钟。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述反应在搅拌条件下进行。
在本发明的另一些实施方式中，步骤S3中，所述反应的时间为3～5小时。
本发明第三方面提供了一种如本发明第一方面所述的热不降粘型油井水泥降失水剂或或第二方面所述方法制备的热不降粘型油井水泥降失水剂在油井水泥浆中的应用。
在本发明的一些实施方式中，所述应用的温度范围为20～160℃。
本发明的有益效果为：本发明的热不降粘型油井水泥降失水剂在20℃～160℃温度范围内，配浆(水泥浆)粘度适中，有良好的降失水性；同时因为组分中引入了长链疏水单体，即长链丙烯酸烷基酯(如，丙烯酸十八酯)，具有高温时热浆粘度微增的作用，避免了升温养护后浆体变稀的问题。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步详细说明。
现有技术中大多数的聚合物降失水剂制备的水泥浆，都存在配浆粘度大，升温养护后浆体变稀的问题。本申请的发明人通过研究发现，长链丙烯酸烷基酯(如，丙烯酸十八酯)在聚合物结构中具有高温时增加聚合物在水泥浆中粘度的作用，因此在降失水剂的制备原料中引入了长链疏水单体，即长链丙烯酸烷基酯(如，丙烯酸十八酯)，进而使得所制备的降失水剂具有高温时热浆粘度微增的作用，避免了升温养护后浆体变稀的问题。本发明正是基于上述发现作出的。
为此，本发明第一方面所涉及的热不降粘型油井水泥降失水剂，以重量份数计，其包括以下组分：
100重量份的水；
7～9份的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；
7～9份的N,N-二甲基丙烯酰胺；
3～5份的顺丁烯二酸；
2～4份的丙烯酸；
1～5份的长链丙烯酸烷基酯；
5～6份的氢氧化钠(NaOH)；
0.1～0.3份的过硫酸铵；
0.1～0.3份的亚硫酸氢钠。
上述组分中，单体2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)在聚合物结构中具有提高抗温耐盐性的作用；顺丁烯二酸和丙烯酸在聚合物结构中具有吸附作用；长链丙烯酸烷基酯在聚合物结构中具有高温时增加聚合物在水泥浆中粘度的作用。氢氧化钠(NaOH)用于调整pH值。过硫酸铵和亚硫酸氢钠构成氧化还原体系引发剂，用以引发自由基聚合反应。
在本发明的一些实施方式中，所述降失水剂包括2～4份的长链丙烯酸烷基酯，优选包括2～3份的长链丙烯酸烷基酯。本发明通过在降失水剂的制备原料中引入了长链疏水单体长链丙烯酸烷基酯，进而使得所制备的降失水剂具有高温时热浆粘度微增的作用，避免了升温养护后浆体变稀的问题。
在本发明的一些实施方式中，所述长链丙烯酸烷基酯选自丙烯酸十二酯、丙烯酸十四酯、丙烯酸十六酯和丙烯酸十八酯中的一种或多种。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述的长链丙烯酸烷基酯为丙烯酸十八酯。
本发明第二方面涉及一种如本发明第一方面所述的降失水剂的制备方法，其包括以下步骤：
S1，将水、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、丙烯酸和长链丙烯酸烷基酯混合，获得混合液；
S2，将氢氧化钠加入所述混合液中，并进行加热，获得加热后的混合液；
S3，将过硫酸铵和亚硫酸氢钠加入到所述加热后的混合液进行反应，获得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤S1中，将水、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、丙烯酸和长链丙烯酸烷基酯混合后搅拌20～40分钟，优选30分钟，获得所述混合液。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，加热后的温度为50～70℃。
在本发明的另一些实施方式中，步骤S2中，加热后保持的时间为20～40分钟。
在本发明的一些具体实施方式中，步骤S3中，在搅拌状态下，加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述反应在搅拌条件下进行。
在本发明的另一些实施方式中，步骤S3中，所述反应的时间为3～5小时。
在本发明的一些具体实施方式中，所述降失水剂的制备方法具体包括以下步骤：
(1)将所需量的水、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、丙烯酸和长链丙烯酸烷基酯(如丙烯酸十八酯)混合后搅拌20～40分钟，优选30分钟，获得混合液；
(2)将氢氧化钠加入所述混合液中，同时加热至50～70℃，优选60℃，并保持20～40分钟，优选30分钟，获得加热后的混合液；
(3)在搅拌状态下将过硫酸铵和亚硫酸氢钠加入到所述加热后的混合液中，搅拌状态下反应3～5小时，优选4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
本发明第三方面涉及一种如本发明第一方面所述的热不降粘型油井水泥降失水剂或或第二方面所述方法制备的热不降粘型油井水泥降失水剂在油井水泥浆中的应用。
在本发明的一些实施方式中，所述应用的温度范围为20～160℃。
实施例
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
下述实施例中采用的所有原料均为市售。
实施例1
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)7份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)9份；顺丁烯二酸3份；丙烯酸4份；丙烯酸十八酯3份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)5份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.1份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
实施例2
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)8份；顺丁烯二酸4份；丙烯酸3份；丙烯酸十八酯2.5份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)5.5份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.2份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
实施例3
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)9份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)7份；顺丁烯二酸5份；丙烯酸2份；丙烯酸十八酯2份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)6份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.3份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
实施例4
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)8份；顺丁烯二酸4份；丙烯酸3份；丙烯酸十八酯1份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)5.5份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.2份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
实施例5
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)8份；顺丁烯二酸4份；丙烯酸3份；丙烯酸十八酯5份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)5.5份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.2份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
对比例1
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)8份；顺丁烯二酸4份；丙烯酸3份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)5.5份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.2份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
对比例2
水100份，水中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)8份；顺丁烯二酸4份；丙烯酸3份；丙烯酸十八酯8份；搅拌30分钟。加入氢氧化(NaOH)5.5份，同时加热到60℃，保持30分钟；然后搅拌状态下，同时加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.2份，搅拌状态下反应4小时，制得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
实施例6：性能测试
不同温度下水泥浆配方，水灰比0.44。
20～90℃水泥浆配方：500g油井水泥、195g水、5g缓凝剂、20g降失水剂(占水泥量4％)。
100℃水泥浆配方：500g油井水泥、185g水、5g缓凝剂、30g降失水剂(占水泥量6％)。
120-160℃水泥浆配方：400g油井水泥、140g硅粉、206g水、8g缓凝剂、24g降失水剂(占水泥量6％)。
测试结果
(1)加有降失水剂的水泥浆失水结果，见表1。
表1不同温度和降失水剂加量下的水泥浆失水结果
Figure BDA0002574007740000081
注：“-”表示失水太大，在规定的30分钟内，水泥浆脱水。
由表1看出该降失水剂适用温度范围较广(应用温度范围20～160℃)，加量6％时，基本达到耐温上限160℃(失水在50mL左右)。但对比例2的实验中，温度升高后失水变大，这可能是由于，过多的丙烯酸十八酯引入后高温时降失水剂分子疏水性太强，导致难以有效束缚浆体中的水分子。
(2)流变性能测试
降失水剂配方：500g油井水泥、185g水、5g缓凝剂、30g降失水剂(占水泥量6％)。分别测室温水泥浆流变和90℃养护后水泥浆流变，结果如表2所示。
表2流变性能测试结果
Figure BDA0002574007740000091
注：“-”表示浆体太黏，超出仪器读数范围。
由表2看出该降失水剂在加量6％时，90℃养护前后流变对比显示，养护后水泥浆φ600、φ3增加，水泥浆较室温浆粘度略微增加，切力增大。但实施例5和对比例2的实验中，温度升高后浆体过粘，甚至难以读数。这可能是由于，过多的丙烯酸十八酯引入后高温时降失水剂分子疏水性太强导致。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种热不降粘型油井水泥降失水剂，以重量份数计，其包括以下组分：
100重量份的水；
7～9份的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；
7～9份的N,N-二甲基丙烯酰胺；
3～5份的顺丁烯二酸；
2～4份的丙烯酸；
1～5份的长链丙烯酸烷基酯；
5～6份的氢氧化钠；
0.1～0.3份的过硫酸铵；
0.1～0.3份的亚硫酸氢钠。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降失水剂包括2～4份的长链丙烯酸烷基酯；优选包括2～3份的长链丙烯酸烷基酯。
3.根据权利要求1或2所述的降失水剂，其特征在于，所述长链丙烯酸烷基酯选自丙烯酸十二酯、丙烯酸十四酯、丙烯酸十六酯和丙烯酸十八酯中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的降失水剂，其特征在于，所述的长链丙烯酸烷基酯为丙烯酸十八酯。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的降失水剂的制备方法，其包括以下步骤：
S1，将水、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、丙烯酸和长链丙烯酸烷基酯混合，获得混合液；
S2，将氢氧化钠加入所述混合液中，并进行加热，获得加热后的混合液；
S3，将过硫酸铵和亚硫酸氢钠加入到所述加热后的混合液进行反应，获得所述热不降粘型油井水泥降失水剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中，加热后的温度为50～70℃。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤S2中，加热后保持的时间为20～40分钟。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述反应在搅拌条件下进行；优选地，所述反应的时间为3～5小时。
9.一种如权利要求1-4中任意一项所述的热不降粘型油井水泥降失水剂或权利要求5-8中任意一项所述方法制备的热不降粘型油井水泥降失水剂在油井水泥浆中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用的温度范围为20～160℃。
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