一種耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑的製備方法與流程
2023-04-24 09:29:06
本發明涉及一種耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑的製備方法，屬於緩凝劑製備技術領域。
背景技術：
隨著鑽井技術的提高和油田開採難度的增加，鑽井向深井、超深井、複雜井發展，井底溫度和壓力明顯提高，直接表現就是高溫高壓下，固井過程中油井水泥漿發生快速稠化，滿足不了固井施工的要求。嚴重時導致「整泵」事故的發生，給油田帶來巨大的財產損失。此外，高溫高壓下，水泥漿的物化性能會發生明顯的變化，影響了第一、第二界面的膠結，從而影響固井質量。為了滿足石油工業高溫油氣井固井工程對固井用水泥漿的特殊要求，為了防止在深井固井作業中水泥漿在泵送過程中快速稠化和凝結，保證施工安全，水泥漿中應該加入恰當的緩凝劑以使注水泥作業安全順利地進行。緩凝劑是構成油井水泥三大主要外加劑（減阻劑、緩凝劑、降失水劑）之一，是油井水泥外加劑的重要組成部分，引起了國內外固井工程師的特別關注。
目前廣泛應用的油井水泥緩凝劑主要有：木質素磺酸鹽類、羥基羧酸鹽類、糖類及其衍生物、低分子量纖維素類、硼酸及其鹽類、有機磷酸及其鹽類、不飽和羧酸聚合物及其共聚物類等。這些緩凝劑在應用時均存在很多局限性，比如木質素磺酸鹽類，由於木質素來源不同，組成和結構差異很大，緩凝效果不易控制，且適用溫度在90℃以下，高溫下會發生降解，使緩凝作用大大降低；糖類化合物對加量極其敏感，水泥漿稠化時間很難調整；羥基羧酸鹽類僅適用於120℃以上溫度範圍，其對水泥漿稀釋作用明顯，引起水泥漿不穩定，漿體沉降和游離液量大，而且會破換某些降失水劑濾失效果；硼酸及其鹽一般不單獨使用，需與其他緩凝劑複合使用，且僅適用於淡水；纖維素及其衍生物單獨使用的有效溫度可達121 ℃，由於其具有吸附和增粘的作用，也可以作為降失水劑使用，但其存在使水泥漿體系增稠、抗鹽性差以及降低水泥石高溫強度的缺點。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題：針對傳統的油井水泥緩凝劑在高溫條件下易發生降解，降低了緩凝效果且抗鹽性能較差的問題，提供了一種以乙烯基膦酸為改性劑對聚順丁烯二酸改性增加膦酸基和羧基，防止水化物生成，再以2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸為原料縮合生成的聚合物中含有多種活性基團，可吸附於水化物表面降低水化速度，再與助劑配合來製備耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑的方法，本發明首先以順丁烯二酸為原料，在雙氧水、次亞磷酸鈉作用下聚合後，再接枝乙烯基膦酸，然後在鹼性條件下水解，得到水解改性聚順丁烯二酸，水解改性聚順丁烯二酸含有兩個相鄰的羧基和膦酸基，可增強對鈣的螯合，減少水化物的形成，再與2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸反應，可引入更多的活性基團，吸附在水化物表面，抑制與水的接觸，且可在水泥顆粒周圍形成非滲透層，減緩水化作用，同時增加高溫穩定性和抗鹽性，最後與腐植酸鈉等混合加熱即可。本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑具有優越的耐高溫性能和抗鹽性能，在高溫條件下不易發生降解，不會影響水泥漿的綜合性能，具有廣闊的應用前景。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
（1）稱取20～25g順丁烯二酸加入到盛有100～120mL水的三口燒瓶中，將燒瓶置於油浴鍋中，控制溫度在70～80℃，攪拌溶解20～30min，得到順丁烯二酸溶液，向順丁烯二酸溶液中加入40～50mL質量分數為30%雙氧水和0.3～0.5g次亞磷酸鈉，升溫至85～90℃，攪拌反應2～3h後，再加入8～12g乙烯基膦酸，並升溫至95～105℃，繼續攪拌反應1～2h，待反應結束後，收集產物；
（2）將上述產物置於旋轉蒸發儀中，旋轉蒸發至產物原體積的1/3，得到濃縮液，取15～20g濃縮液加入到盛有100～200mL質量分數為15%氫氧化鈉溶液的燒杯中，將燒杯置於水浴鍋中，控制溫度在60～70℃，攪拌水解1～2h後，停止加熱，收集水解產物，將水解產物靜置分層，收集下層有機相，得到水解改性聚順丁烯二酸；
（3）分別稱取8～12g上述水解改性聚順丁烯二酸、6～8g2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸、2～4g葡萄糖酸鈉和0.3～0.5g過硫酸銨，加入到盛有100～200mL無水乙醇的燒杯中，並對燒杯進行加熱至70～80℃，攪拌反應2～3h後，停止加熱，製備得緩凝基料；
（4）按重量份數計，稱取30～40份上述製備的緩凝基料、2～5份氨基三亞甲基膦酸、1～3份十二烷基磺酸鈉、5～8份羧甲基纖維素、1～3份腐植酸鈉和120～130份水，加入到燒杯中，並將燒杯置於水浴鍋中，在40～50℃下攪拌反應30～40min，待反應結束後，自然冷卻至室溫，即可得到耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑。
本發明的應用方法：將本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑添加至水泥漿體中，控制添加的量為水泥漿體質量的0.7～1.0%，待其攪拌混合均勻後，應用於油井中進行注漿固井即可。經檢測，本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑耐高溫可達210～240℃，水泥漿稠化時間需4～6h，養護24h後抗壓強度達到25.6MPa以上，固井效果好。
本發明與其他方法相比，有益技術效果是：
（1）本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑耐高溫可達210～240℃，不易發生降解，水泥漿稠化時間需4～6h；
（2）本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑抗鹽性能優越，可適用於淡水、海水、鹽水等油井中；
（3）本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑不會影響水泥漿的相關力學性能，養護24h後強度達到25.6MPa以上，具有廣闊的應用前景。
具體實施方式
首先稱取20～25g順丁烯二酸加入到盛有100～120mL水的三口燒瓶中，將燒瓶置於油浴鍋中，控制溫度在70～80℃，攪拌溶解20～30min，得到順丁烯二酸溶液，向順丁烯二酸溶液中加入40～50mL質量分數為30%雙氧水和0.3～0.5g次亞磷酸鈉，升溫至85～90℃，攪拌反應2～3h後，再加入8～12g乙烯基膦酸，並升溫至95～105℃，繼續攪拌反應1～2h，待反應結束後，收集產物；將上述產物置於旋轉蒸發儀中，旋轉蒸發至產物原體積的1/3，得到濃縮液，取15～20g濃縮液加入到盛有100～200mL質量分數為15%氫氧化鈉溶液的燒杯中，將燒杯置於水浴鍋中，控制溫度在60～70℃，攪拌水解1～2h後，停止加熱，收集水解產物，將水解產物靜置分層，收集下層有機相，得到水解改性聚順丁烯二酸；分別稱取8～12g上述水解改性聚順丁烯二酸、6～8g2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸、2～4g葡萄糖酸鈉和0.3～0.5g過硫酸銨，加入到盛有100～200mL無水乙醇的燒杯中，並對燒杯進行加熱至70～80℃，攪拌反應2～3h後，停止加熱，製備得緩凝基料；最後按重量份數計，稱取30～40份上述製備的緩凝基料、2～5份氨基三亞甲基膦酸、1～3份十二烷基磺酸鈉、5～8份羧甲基纖維素、1～3份腐植酸鈉和120～130份水，加入到燒杯中，並將燒杯置於水浴鍋中，在40～50℃下攪拌反應30～40min，待反應結束後，自然冷卻至室溫，即可得到耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑。
實例1
首先稱取25g順丁烯二酸加入到盛有120mL水的三口燒瓶中，將燒瓶置於油浴鍋中，控制溫度在80℃，攪拌溶解30min，得到順丁烯二酸溶液，向順丁烯二酸溶液中加入50mL質量分數為30%雙氧水和0.5g次亞磷酸鈉，升溫至90℃，攪拌反應3h後，再加入12g乙烯基膦酸，並升溫至105℃，繼續攪拌反應2h，待反應結束後，收集產物；將上述產物置於旋轉蒸發儀中，旋轉蒸發至產物原體積的1/3，得到濃縮液，取20g濃縮液加入到盛有200mL質量分數為15%氫氧化鈉溶液的燒杯中，將燒杯置於水浴鍋中，控制溫度在70℃，攪拌水解2h後，停止加熱，收集水解產物，將水解產物靜置分層，收集下層有機相，得到水解改性聚順丁烯二酸；分別稱取12g上述水解改性聚順丁烯二酸、8g2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸、4g葡萄糖酸鈉和0.5g過硫酸銨，加入到盛有200mL無水乙醇的燒杯中，並對燒杯進行加熱至80℃，攪拌反應3h後，停止加熱，製備得緩凝基料；最後按重量份數計，稱取40份上述製備的緩凝基料、5份氨基三亞甲基膦酸、3份十二烷基磺酸鈉、8份羧甲基纖維素、3份腐植酸鈉和130份水，加入到燒杯中，並將燒杯置於水浴鍋中，在50℃下攪拌反應40min，待反應結束後，自然冷卻至室溫，即可得到耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑。
將本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑添加至水泥漿體中，控制添加的量為水泥漿體質量的1.0%，待其攪拌混合均勻後，應用於油井中進行注漿固井即可。經檢測，本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑耐高溫可達240℃，水泥漿稠化時間需6h，養護24h後抗壓強度達到25.8MPa，固井效果好。
實例2
首先稱取20g順丁烯二酸加入到盛有100mL水的三口燒瓶中，將燒瓶置於油浴鍋中，控制溫度在70℃，攪拌溶解20min，得到順丁烯二酸溶液，向順丁烯二酸溶液中加入40mL質量分數為30%雙氧水和0.3g次亞磷酸鈉，升溫至85℃，攪拌反應2h後，再加入8g乙烯基膦酸，並升溫至95℃，繼續攪拌反應1h，待反應結束後，收集產物；將上述產物置於旋轉蒸發儀中，旋轉蒸發至產物原體積的1/3，得到濃縮液，取15g濃縮液加入到盛有100mL質量分數為15%氫氧化鈉溶液的燒杯中，將燒杯置於水浴鍋中，控制溫度在60℃，攪拌水解1h後，停止加熱，收集水解產物，將水解產物靜置分層，收集下層有機相，得到水解改性聚順丁烯二酸；分別稱取8g上述水解改性聚順丁烯二酸、6g2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸、2g葡萄糖酸鈉和0.3g過硫酸銨，加入到盛有100mL無水乙醇的燒杯中，並對燒杯進行加熱至70℃，攪拌反應2h後，停止加熱，製備得緩凝基料；最後按重量份數計，稱取30份上述製備的緩凝基料、2份氨基三亞甲基膦酸、1份十二烷基磺酸鈉、5份羧甲基纖維素、1份腐植酸鈉和120份水，加入到燒杯中，並將燒杯置於水浴鍋中，在40℃下攪拌反應30min，待反應結束後，自然冷卻至室溫，即可得到耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑。
將本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑添加至水泥漿體中，控制添加的量為水泥漿體質量的0.7%，待其攪拌混合均勻後，應用於油井中進行注漿固井即可。經檢測，本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑耐高溫可達210℃，水泥漿稠化時間需4h，養護24h後抗壓強度達到26.6MPa，固井效果好。
實例3
首先稱取23g順丁烯二酸加入到盛有110mL水的三口燒瓶中，將燒瓶置於油浴鍋中，控制溫度在75℃，攪拌溶解25min，得到順丁烯二酸溶液，向順丁烯二酸溶液中加入45mL質量分數為30%雙氧水和0.4g次亞磷酸鈉，升溫至87℃，攪拌反應2h後，再加入10g乙烯基膦酸，並升溫至100℃，繼續攪拌反應1h，待反應結束後，收集產物；將上述產物置於旋轉蒸發儀中，旋轉蒸發至產物原體積的1/3，得到濃縮液，取18g濃縮液加入到盛有150mL質量分數為15%氫氧化鈉溶液的燒杯中，將燒杯置於水浴鍋中，控制溫度在65℃，攪拌水解2h後，停止加熱，收集水解產物，將水解產物靜置分層，收集下層有機相，得到水解改性聚順丁烯二酸；分別稱取10g上述水解改性聚順丁烯二酸、7g2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸、3g葡萄糖酸鈉和0.4g過硫酸銨，加入到盛有150mL無水乙醇的燒杯中，並對燒杯進行加熱至75℃，攪拌反應2h後，停止加熱，製備得緩凝基料；最後按重量份數計，稱取35份上述製備的緩凝基料、4份氨基三亞甲基膦酸、2份十二烷基磺酸鈉、7份羧甲基纖維素、2份腐植酸鈉和125份水，加入到燒杯中，並將燒杯置於水浴鍋中，在45℃下攪拌反應35min，待反應結束後，自然冷卻至室溫，即可得到耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑。
將本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑添加至水泥漿體中，控制添加的量為水泥漿體質量的0.8%，待其攪拌混合均勻後，應用於油井中進行注漿固井即可。經檢測，本發明製備的耐高溫抗鹽油井水泥緩凝劑耐高溫可達220℃，水泥漿稠化時間需5h，養護24h後抗壓強度達到27.8MPa，固井效果好。