三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途

2023-06-05 07:19:06

三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途
【專利摘要】提出了包含5-95mol％的2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸，5-95mol％的N,N-二甲基丙烯醯胺以及5-12mol％的丙烯酸的三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途。丙烯酸作為固井中的降失水劑。
【專利說明】三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途
[0001]本發明涉及2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸、丙烯酸和N，N- 二甲基丙烯醯胺的三元共聚物作為固井(well cementing)中的降失水劑(fluid loss additive)的用途。
[0002]在建築化學領域，多種共聚物通常用作保水助劑，其也稱作「降失水劑」。本文中用途的特定領域為在地下礦物油和天然氣儲藏的開發、開採和完井中以及深井中的固井。
[0003]保水助劑或降失水劑具有降低水由水泥漿中釋放的功能。這在礦物油和天然氣勘探領域中尤其重要，原因在於主要由水泥和水組成的水泥漿在固井過程中通過套管和井壁之間的環形空間泵送。在這一過程中，大量的水可以從水泥漿釋放到地下巖層中。在固井過程中，當水泥漿流經多孔巖石地層時尤其如此。然後，源自水泥漿的鹼性水可以引起地層中粘土膨脹，並與來自天然氣或礦物油中的二氧化碳形成碳酸鈣沉積物。這些效應降低了沉積物的滲透性，因此對生產速率也有不利的影響。
[0004]此外，由於水釋放至多孔的地下巖層，水泥漿不再均勻固化，其結果是可透過氣體、液態烴和水。這隨後可導致化石能源載體通過填充有多孔水泥的環狀空間逸出。
[0005]因此，長期以來，已致力於將所使用的水泥漿中的水損失降低至可容忍的最小值。
[0006]例如，EP O 116 671 Al記載了用於深井的水泥眾，其中據記載共聚物的含量可降低水損失。所使用的共聚物的重要的組份由丙烯醯胺且特別是2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS?)形成。根據該文獻，水泥漿應包含0.1至3重量％的合適的共聚物。
[0007]EP I 375 818 Al也討論了固井及適合於固井的組合物。在該情況下，為控制失水量，使用聚合物添加劑，其除了包含AMPS?以外還包含額外的馬來酸、N-乙烯基己內醯胺和4-羥基丁基乙烯基醚。
[0008]US 4，015，991的共聚物同樣基於AMPS?:和部分水解的丙烯醯胺。據記載該發明中描述的共聚物同樣可改善水泥基複合材料中的保水能力(water retent1ncapacity)。所提及使用的主要領域是固井。
[0009]在US 4，515，635中，還記載了 2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸和N，N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)的共聚物用作固井中的降失水劑的用途。相似的共聚物還可見於US4，555，269 中。
[0010]US 6, 395,853 BI的水溶性共聚物尤其包含丙烯醯胺和AMPS?。該文獻的前面記載的內容為用於降低用來獲得礦物油的漿料中水損失的方法。關於此，特別提及固井和完井，以及特別提及實施這些方法步驟的井漿料。
[0011]US 4，700, 780的中間部分記載了用於降低水泥基複合材料中的水損失的方法，所述水泥基複合材料還包含特定的鹽濃度。該保水助劑仍是AMPS?訥聚合物或聚合物鹽，在這種情況下，還應存在苯乙烯和丙烯酸單元。
[0012]2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸、丙烯酸和N，N-二甲基丙烯醯胺的三元共聚物也構成現有技術的一部分。例如，US 4，554，081討論了這些三元共聚物及其在石油和天然氣生產領域中在具有高密度的完井液、鑽井泥漿和修井液中作為降失水劑的用途，所述三元共聚物優選由16.8mol%AMPS?、73.2mol% DMAA和1mol %丙烯酸組成。
[0013]此外，Plank等(J.Appl.Polym.Sc1.106，3889-3894，2007-D01:10.1002/app.26897)描述了具有低比例丙烯酸(約I重量％或約3.6mol% )的三元共聚物。在該出版物中，比較了 AMPS?和DMAA的共聚物與所述三元共聚物在固井中作為降失水劑的效果。發現所述共聚物的效果與具有低比例丙烯酸的三元共聚物的效果沒有差別。
[0014]這些已知的共聚物和三元共聚物各自具有不同性能特點，即具有特定優點和缺點。多數這些離子聚合物的固有的共同缺點在於，在高鹽濃度存在下(在海水中通常發生這種情況)其保水作用下降，而海水通常用於製備海上油井和氣井中的水泥漿。對於二價陽離子如Mg2+和Ca2+的鹽尤其如此。
[0015]因此，長期以來，已經致力於提供保水容量穩定的新的分子或聚合物，尤其是提供在高鹽濃度下、特別是在油氣開採領域和深井中保水容量穩定的新的分子或聚合物。
[0016]該目的通過獨立權利要求中的特徵實現。從屬權利要求涉及優選的實施方案。
[0017]現出人意料地發現，具有約5至12m0l%丙烯酸含量的2_丙烯醯胺_2_甲基丙烷磺酸、N，N- 二甲基丙烯醯胺和丙烯酸的三元共聚物就作為固井中的降失水劑的效果而言具有明顯的優勢。
[0018]本發明提供一種三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途，所述三元共聚物包含5-95mol %的2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸，5_95mol %的N，N- 二甲基丙烯醯胺以及5-12mol %的丙烯酸。
[0019]所述三元共聚物優選包含8-12m0l%且更優選包含1-1lmol %的丙烯酸。
[0020]儘管2-丙烯醯胺- 2-甲基丙烷磺酸與N，N- 二甲基丙烯醯胺的摩爾比不特別關鍵，但本發明的上下文中優選2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸與N，N- 二甲基丙烯醯胺的摩爾比在50:50至80:20之間，特別是在60:40至70:30之間。
[0021]本發明的三元共聚物可適合地通過上述共聚單體的自由基共聚而製備。由於所述共聚單體的離子特性和親水特性，共聚可適合地在水溶液中進行。2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸與丙烯酸可以完全或部分地以鹼金屬鹽、鹼土金屬鹽或其混合物的形式存在，特別是以Na鹽、K鹽、Mg鹽和/或Ca鹽的形式存在。這些鹽可直接用於共聚。這些鹽還可以僅在所形成的三元共聚物的後續中和中形成。用於將所述鹽引入三元共聚物中的這兩種路徑可彼此單獨地採用或彼此結合地採用。
[0022]本發明的三元共聚物的分子量優選在500 000至4 000 000g/mol的範圍內且特別是在I 000 000至2 000 000g/mol的範圍內。
[0023]在礦物油和天然氣開採領域以及在深井中，如在開篇已提及的，用於固井的主要由水泥和水組成的水泥漿通過套管和井壁之間的環形空間泵送。目前，為實現這一目的，仍通常使用娃酸鹽水泥(Portland cement)。因此,本發明的用途選優地特徵在於,所述三元共聚物用作包含矽酸鹽水泥的水泥漿中的降失水劑。
[0024]由於本發明的三元共聚物的高耐鹽性,這些三元共聚物可有利地用作包含海水或由海水製備的水泥漿中的降失水劑。
[0025]在礦物油生產領域中，通常使用所謂的增重液(weighting fluid),這些通常由濃縮的鹼金屬和/或鹼土金屬的鹽的水溶液構成。因此，在固井過程中，可至少部分地混合增重液和水泥漿。由於發明三元共聚物的高耐鹽性，即使在這種水泥漿中，其作用也不會消失。
[0026]總之，可表明，本發明的三元共聚物適合且有利地在地下礦物油和天然氣礦藏的開發、開採和完井中以及深井中的固井中用作降失水劑，而且，鑑於現有技術，出人意料的是，本發明的三元共聚物尤其對於高鹽濃度的耐受性是顯著的。
[0027]現通過以下實施例詳細說明本發明。
[0028]實施例1:
[0029]在攪拌下，將2200g自來水和158g20% NaOH初始進料至帶有鋼攪拌器的玻璃反應器中。隨後，邊冷卻邊加入135g AMPS?，使溫度不超過30°C。此後，混入95g DMAA和
13.5g丙烯酸(相當於約10.6mol % )並在10ml自來水中洗漆。在下一步中，使用NaOH或AMPS?調節pH至7.6。在一小時之內，在氮氣保護下將反應混合物加熱至62°C。一達到恆定溫度，通過加入溶解在約1ml H2O中的0.65g四亞乙基五胺(TEPA)和5g Na2S2O8引發聚合反應。觀察到放熱反應，反應過程中溫度升至70-74°C。反應已開始之後，在沒有任何其他外部加熱下攪拌混合物I小時。終產物為淺黃色、粘稠溶液，PH為7-7.5，固體含量為 10-12 重量％且 fcookfield 粘度為 6000mPa*s。
[0030]實施例2:
[0031]根據API推薦的方法10B，在190° F(88°C )下測定實施例1的三元共聚物在以下加入或不加入鹽的水泥漿中的液體損失(「LL」)和流變性，並與市售的AMPS?/DMAA共聚物(購自 BASF Construct1n Polymers GmbH 的 Polytrol? FL34)比較:
[0032]800g G 類水泥(購自 Dyckerhoff)
[0033]352g 水
[0034]0.6bwoc %的降失水劑
[0035]1.0g消泡劑(三異丁基磷酸酯)
[0036]在表1和2中列出結果，表1涉及Polytrol? FL34，表2涉及實施例1的三元共聚物。鹽的量以克和重量百分比(基於水含量計)記錄；「bwoc」意指基於水泥計的重量百分比。
[0037]表1 ( Polytrol? FL34):
[0038]
【權利要求】
1.三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途，所述三元共聚物包含: 5-95mol %的2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸， 5-95mol %的N，N- 二甲基丙烯醯胺以及 5-12mol %的丙烯酸。
2.權利要求1的用途，其特徵在於，所述三元共聚物包含8-12m0l%的丙烯酸且優選包含1-1lmol%的丙烯酸。
3.權利要求1或2的用途，其特徵在於，2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸與N，N-二甲基丙烯醯胺的摩爾比在50:50至80:20之間，優選在60:40至70:30之間。
4.權利要求1-3中任一項的用途，其特徵在於，2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸和丙烯酸完全地或部分地以鹼金屬鹽、鹼土金屬鹽或其混合物的形式存在，特別是以Na鹽、K鹽、Mg鹽和/或Ca鹽的形式存在。
5.權利要求1-4中任一項的用途，其特徵在於，所述三元共聚物的分子量在500000至4 000 000g/mol的範圍內且特別是在I 000 000至2000 000g/mol的範圍內。
6.權利要求1-5中任一項的用途，其特徵在於，所述三元共聚物用作包含矽酸鹽水泥的水泥漿中的降失水劑。
7.權利要求1-6中任一項的用途，其特徵在於，所述三元共聚物用作包含海水的水泥漿中的降失水劑。
8.權利要求1-7中任一項的用途，其特徵在於，所述三元共聚物用作地下礦物油和天然氣礦藏的開發、開採和完井中以及深井中的固井中的降失水劑。
【文檔編號】C09K8/12GK104136571SQ201380009095
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年1月9日 優先權日:2012年2月13日
【發明者】R·賴歇貝奇-克林科, M·沃爾法特 申請人:巴斯夫歐洲公司