一種用於固井前置液高分散兩性離子型分散劑及其製備方法與流程

2023-10-05 03:48:09 4

本發明涉及一種用於固井前置液中的兩性離子型分散劑，以及該分散劑的合成和應用方法，屬於地質勘探及油氣田勘探開發化學品領域。

背景技術：

在油氣井固井作業中的水泥漿頂替鑽井液過程中，當水泥漿與鑽井液接觸時，二者之間會發生不同程度相互汙染，使混合後的漿體極易出現增稠、增黏、甚至絮凝結塊的現象，嚴重的會造成泵壓增高、壓漏地層，這樣極大地影響了正常的固井作業，並增大了作業過程中的風險。

目前，現場施工中常用的方法是使用一些現有的鑽井液或水泥漿用分散劑或降粘劑等加入到前置液（即衝洗液或隔離液）中，利用分散劑或降粘劑對鑽井液或水泥漿的分散、降粘作用以改善受汙染的鑽井液、水泥漿的漿體流變性能。常用的外加劑有木質素磺酸鹽類、磺甲基苯醛樹脂（SMP）、甲醛和丙酮縮聚物（SXY）、兩性離子聚合物降粘劑（XY-27）等。從現場施工作業中反饋的大量信息可知，這些外加劑的確可以在一定程度上改善混合漿體的流變性能，但同時發現它們對不同比例鑽井液和水泥漿混合漿體的流變性影響很大。比如SMP、XY-27，只對混合漿體中含大量鑽井液時分散效果比較好；而如木質素磺酸鹽類、SXY，則只對混合漿體中含有大量水泥漿時分散效果比較好。這些情況在套管居中度較差時，極易出現窄環空處鑽井液頂替不完全的情況，導致水泥環的封隔能力降低，這在電測結果中常常表現界面膠結質量比較差，直接影響到對固井施工的驗收評價以及後續的油氣井生產作業。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種可以同時具有分散鑽井液和水泥漿能力的用於固井前置液高分散兩性離子型分散劑，並給出該分散劑的製備方法。

本發明的技術方案包括：

一種用於固井前置液高分散兩性離子型分散劑，包括單體和佔單體質量比的1.3~2.5%的引發劑、佔單體質量比的0.8~2.0%還原劑、佔單體總量3~5%的異丙醇。

所述單體為烯丙基磺酸鈉、馬來酸酐、二甲基二烯丙基氯化銨按質量比2.2~4.7：0.7~1.5：0.2~0.6，引發劑為過硫酸銨或過硫酸鉀，還原劑為亞硫酸氫鈉。

按照前述的用於固井前置液高分散兩性離子型分散劑的製備方法是：將單體加入到水中，並加熱攪拌，待固體完全溶解後，升溫至50 ℃~85 ℃，攪拌10-20 min後分別加入引發劑和還原劑，恆溫反應3~6 h，再加入異丙醇，恆溫0.3-0.6 h後取出，用45％的氫氧化鈉溶液將其pH值調至5~6，即得到產品。

本發明的技術方案，結合鑽井液和水泥漿的特性，優先選取單體是烯丙基磺酸鈉（AS）、馬來酸酐（MA）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），這些單體共同特點是它們的離子基團可以不同程度地通過化學吸附和物理吸附作用在鑽井液或水泥漿中的固相顆粒表面富集，並且利用共聚物中帶電性相反的基團使固相顆粒間的相互排斥，以此達到對漿體的分散作用。上述三種單體除了具備前面介紹功能基團性質，還由於烯丙基類單體具有自阻聚作用，馬來酸酐單體不活潑，這使得該三元共聚物很難達到高的聚合度，這對於分散劑是有利的。與現在常用的分散劑或降粘劑相比，含有兩性離子型分散劑的前置液對鑽井液和水泥漿均具有良好的相容性和分散性，混合漿體無增稠、絮凝的情況，漿體具有良好的流變性；兩性離子型分散劑對水泥石強度發展有積極的促進作用。

具體實施方式

本發明優選單體及合成工藝包括：

1、對反應溫度、反應時間、反應單體摩爾比和引發劑用量等因素進行了優化，確定了反應單體的質量比為AS：MA：DMDAAC=（2.2~4.7）：（0.7~1.5）：（0.2~0.6），引發劑中過硫酸銨（APS）或過硫酸鉀（KPS）的用量為佔單體質量比的1.3~2.5%，亞硫酸氫鈉的用量為佔單體質量比的0.8~2.0%，反應溫度為50 ℃~85 ℃，反應時間為3~6 h。

2、該聚合反應採用氧化還原水溶液體系，依次將烯丙基磺酸鈉、馬來酸酐、二甲基二烯丙基氯化銨加入到水中，並加熱攪拌，待固體完全溶解後，升溫至反應溫度時，攪拌15 min後分別加入一定量的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉，滴加完畢後恆溫反應3~6 h，再加入佔單體總量3~5%的異丙醇，恆溫0.5 h後取出，用45％的氫氧化鈉溶液將其pH值調至5~6，即得到產品。

經測試分析，產品的平均聚合度為500-3000之間，主要受聚合溫度、引發劑濃度、單體配比等因素的影響。聚合物為無規共聚產物。

本發明評價兩性離子型分散劑對鑽井液、水泥漿流變性及對水泥石強度發展的影響：

1、製備含兩性離子型分散劑的前置液。配製過程：在漿杯中放入100份清水，加入0.4~0.8份增粘劑（增粘劑採用聚丙烯醯胺、丙烯酸類聚合物均可），攪拌溶解4 h後，依次加入0.3~0.6份消泡劑（有機矽油消泡劑、高級醇類消泡劑均可），0.5~1.7份兩性離子型分散劑，達到前置液規定密度所需的固相材料（15~85份），以及0.8~2.2份的複合表面活性劑（司班、吐溫系列均可）；

2、參照API規範10，將含有0.5%的兩性離子型分散劑前置液分別加入到不同比例的鑽井液與水泥漿中測試混合漿體的流變性。

3、將0.8%的兩性離子型分散劑、SXY、SMP分別加入水泥漿中，經過稠化、制模後，測試形成水泥石在90 ℃溫度下、養護24 h和72 h後的抗壓強度。

本發明中，配製的鑽井液、前置液、水泥漿工作液的各組分均為重量份。

下面結合實施例進一步說明本發明。

實施例1

確定了反應單體的質量比為AS：MA：DMDAAC=2.2：1.5：0.2，引發劑中過硫酸銨（APS）的用量為佔單體質量比的1.3%，還原劑亞硫酸氫鈉的用量為佔單體質量比的2.0%，反應溫度為85 ℃，反應時間為3 h。加入佔單體總量3%的異丙醇，恆溫0.5 h後取出，用pH調節劑將其pH值調至5~6，得到1#兩性離子型分散劑。

在漿杯中放入100份清水，加入0.4份增粘劑，攪拌溶解4 h後，依次加入0.3份消泡劑，5份1#兩性離子性分散劑，達到前置液規定密度所需的固相材料45份，以及1.0份的複合表面活性劑，配製成密度為1.2 g/cm3的前置液。參照API規範10 B分別測定與油基鑽井液（密度為1.05 g/cm3）和水泥漿（密度為1.88 g/cm3）的相容性，測試溫度為60 ℃，測試結果見表1和2。

實施例2

確定了反應單體的質量比為AS：MA：DMDAAC=4.0：1.2：0.3，引發劑中過硫酸鉀的用量為佔單體質量比的2.5%，還原劑亞硫酸氫鈉的用量為佔單體質量比的1.3%，反應溫度為55 ℃，反應時間為5 h。加入佔單體總量5%的異丙醇，恆溫0.5 h後取出，用pH調節劑將其pH值調至5~6，得到2#兩性離子型分散劑。

在漿杯中放入100份清水，加入0.4份增粘劑，攪拌溶解4 h後，依次加入0.3份消泡劑，5份2#兩性離子型分散劑，達到前置液規定密度所需的固相材料45份，以及1.0份的複合表面活性劑，配製成密度為1.2 g/cm3前置液。參照API規範10 B分別測定與油基鑽井液（密度為1.05 g/cm3）和水泥漿（密度為1.88 g/cm3）的相容性，測試溫度為60 ℃，測試結果見表3和4。

實施例3

分別將實施例1和實施例2合成的兩性離子型分散劑、SXY、SMP，加入水泥漿中，形成的水泥石在90℃下、水浴養護24 h和72 h後測試其抗壓強度，測試結果見表5。從表5中可以看出，加有兩性離子型分散劑的水泥石抗壓強度均高於含有SXY或SMP的水泥石抗壓強度。

由表1至表4可以看出，含有兩性離子型分散劑的前置液對鑽井液和水泥漿均具有良好的相容性和分散性，混合漿體無增稠、絮凝的情況，漿體具有良好的流變性。

由表5可以看出，組分含量不同的兩性離子型分散劑對水泥石的抗壓強度均有不同程度的提高，且1#產品對提高水泥石抗壓強度值的能力強。

表1 1#兩性離子型分散劑前置液對油基鑽井液的影響

註：A代表油基鑽井液；B1代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑1#）

表2 含1#兩性離子型分散劑前置液對水泥漿的影響

註：C代表水泥漿；B1代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑1#）

表3 含2#兩性離子型分散劑前置液對油基鑽井液的影響

註：A代表油基鑽井液；B2代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑2#）

表4 含2#兩性離子型分散劑前置液對水泥漿的影響

註：C代表水泥漿；B2代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑2#）

註：水泥漿配方：500gG級水泥+2%膨脹劑+2%增韌劑+1.5%SWJ-1+0.8%SXY

表5 不同類型分散劑對水泥石強度的影響

註：水泥漿配方為500gG級水泥+2%膨脹劑+2%增韌劑+1.5%SWJ-1+0.8%SXY（或用兩性離子型分散劑及SMP替代）。