一種耐溫抗鹽油井水泥降失水劑及其製備方法和應用與流程

2023-11-07 17:42:17

本發明涉及一種添加劑，尤其涉及一種油氣固井領域的添加劑。本發明還涉及該添加劑的製備方法和應用。

背景技術：

在油氣井注水泥作業中，通過水泥車泵送將水泥漿泵入井內，經過替漿的過程將水泥漿頂替到套管與井眼之間的環形空間，達到封隔油、氣、水層保護生產層和支撐保護套管的目的。

油井水泥降失水劑是一種油井水泥的外加劑，通常用於油、氣井注水泥作業所使用的水泥漿中。油井水泥漿降失水劑能控制水泥漿中液相向滲透性地層濾失，從而保持水泥漿適當水灰比。它是油井水泥外加劑中最重要的一類外加劑，其使用直接關係到固井施工的成敗、固井質量、油井壽命及產能等一系列問題。固井時水泥漿只有保持一定的水灰比，才能夠從套管泵送至井下，然後從環空返回至設計位置。如果水泥漿大量「失水」，水泥漿的密度、稠化時間、流變性能等隨之改變，甚至變的不可泵送，導致固井失敗。大量的水泥漿濾液進入地層也會造成地層不同程度的傷害。油氣井固井施工中降低水泥漿失水，主要有五個方面的意義：①防止油氣層被汙染，以利於提高採收率；②保護水敏性地層；③防止水泥漿在滲透性地層先期脫水；④防止環空氣竄；⑤保證水泥漿的流動性，提高頂替效率。因此，在水泥漿體系中需要加入降失水劑來控制水泥漿失水。

目前使用的油井水泥降失水劑主要是高分子聚合物，如羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、水解聚丙烯腈、部分水解聚丙烯醯胺等。近年來，合成水溶性聚合物成為國內外研究熱點，在很大程度上緩解了耐溫耐鹽的問題。目前，我國適應中低溫的油井水泥降失水劑已基本成熟。在抗高溫方面，國內大部分降失水劑在溫度低於180℃時具有較好的性能，但適應180℃以上的降失水劑的品種很少，而存在不同程度的缺陷，如嚴重影響水泥漿的稠化時間；在高溫下出現水解，產生超緩凝現象；低溫適用性差；耐鹽性能差等。例如：專 利CN101698794A和CN102229797A中所述降失水劑並沒有公開其具備低溫適用性。專利CN103881670A和CN104193897A公開的降失水劑耐鹽性差。因此，本領域長期以來亟需開發一種具備良好的耐溫抗鹽性能的油井水泥降失水劑。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明提供了一種耐溫抗鹽的油井水泥降失水劑。本發明的降失水劑適用溫度範圍較廣，應用溫度範圍為20℃-230℃；且具有對水泥漿稠化時間影響小，高溫下抗鹽性能好等特點。

本發明的一個目的在於，提供一種耐溫抗鹽油井水泥降失水劑，其包括如下組分：

100重量份的水，

7-9重量份的2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，

7-9重量份的N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)，

3-5重量份的4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸，

2-4重量份的4,4-二苯乙烯二羧酸，

1-3重量份的甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(優選為TPEG-2400)，

1-3重量份的氫氧化鈉(NaOH)，

0.1-0.3重量份的過硫酸銨，以及

0.1-0.3重量份的亞硫酸氫鈉。

其中，單體2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)在聚合物結構中具有提高抗溫耐鹽性的作用；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸和4,4-二苯乙烯二羧酸在聚合物結構中具有吸附作用；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(優選為TPEG-2400)在聚合物結構中具有調整聚合物流變性的作用。氫氧化鈉(NaOH)用以調整pH值。過硫酸銨和亞硫酸氫鈉構成氧化還原體系引發劑，用以引發自由基聚合反應。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括8-9重量份的2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括8-9重量份的N,N-二甲基丙烯醯胺。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括4-5重量份的4,4'-二 氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括3-4重量份的4,4-二苯乙烯二羧酸。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括1-2重量份的甲基烯丙醇聚氧乙烯醚。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括2-3重量份的氫氧化鈉。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括0.2-0.3重量份的過硫酸銨。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述降失水劑包括0.2-0.3重量份的亞硫酸氫鈉。

在本發明中，除非另有說明，所有份數均為重量份數，所有的％均為重量％。

本發明的另一個目的在於，提供一種製備根據上述的降失水劑的方法，其包括如下步驟：

1)加入下列組分，並攪拌2-10分鐘、優選4-6分鐘：

100重量份的水，

7-9重量份、優選8-9重量份的2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，

7-9重量份、優選8-9重量份的N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)，

3-5重量份、優選4-5重量份的4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸，

2-4重量份、優選3-4重量份的4,4-二苯乙烯二羧酸，以及

1-3重量份、優選1-2重量份的甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(優選為TPEG-2400)；

2)加入1-3重量份、優選2-3重量份的氫氧化鈉，加熱到50-80℃、優選55-65℃，保持10-60分鐘、優選25-34分鐘；

3)在攪拌狀態下加入0.1-0.3重量份、優選0.2-0.3重量份的過硫酸銨和0.1-0.3重量份、優選0.2-0.3重量份的亞硫酸氫鈉，在攪拌狀態下反應1-5小時、優選2.5-3.5小時，製得所述耐溫抗鹽油井水泥降失水劑。

本發明的再一個目的在於，提供根據上述的耐溫抗鹽油井水泥降失水劑或者由根據上述的方法製得的耐溫抗鹽油井水泥降失水劑在油氣固井領域、優選在用於油井水泥漿中的應用。

在本發明的一個優選的實施方式中，所述應用的溫度範圍為20-230℃。

本發明的有益效果在於：本發明的耐溫抗鹽油井水泥降失水劑的適用溫度範圍廣，應用溫度範圍為20℃-230℃，在20℃-230℃溫度範圍有良好適應性；且具有對水泥漿稠化時間影響小，高溫下抗鹽性能好等特點。

具體實施方式

下面結合非限制性的具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的保護範圍並不局限於下述實施例。

實施例中所用原料均為市售。

除非另有說明，實施例中所說的份數均為重量份數，實施例中所述的％均為重量％。

實施例1

水100份，水中加入2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)7份；N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)7份；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸3份；4,4-二苯乙烯二羧酸2份；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(TPEG-2400)1份；攪拌2分鐘。加入氫氧化(NaOH)1份，同時加熱到50℃，保持10分鐘；然後攪拌狀態下，同時加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.1份，攪拌狀態下反應1小時，製得本發明的降失水劑。

實施例2

水100份，水中加入2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)8份；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸4份；4,4-二苯乙烯二羧酸3份；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(TPEG-2400)2份；攪拌10分鐘。加入氫氧化(NaOH)2份，同時加熱到80℃，保持1小時；然後攪拌狀態下，同時加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.2份，攪拌狀態下反應5小時，製得本發明的降失水劑。

實施例3

水100份，水中加入2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)9份；N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)8份；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸5份；4,4-二苯乙烯二 羧酸4份；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(TPEG-2400)3份；攪拌5分鐘。加入氫氧化(NaOH)3份，同時加熱到60℃，保持0.5小時；然後攪拌狀態下，同時加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.2份，攪拌狀態下反應3小時，製得本發明的降失水劑。

實施例4

水100份，水中加入2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)8份；N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)9份；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸5份；4,4-二苯乙烯二羧酸4份；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(TPEG-2400)2份；攪拌5分鐘。加入氫氧化(NaOH)3份，同時加熱到60℃，保持0.5小時；然後攪拌狀態下，同時加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.3份，攪拌狀態下反應3小時，製得本發明的降失水劑。

對比例1

水100份，水中加入2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)6份；N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)6份；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸2份；4,4-二苯乙烯二羧酸1份；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(TPEG-2400)0.5份；攪拌5分鐘。加入氫氧化(NaOH)0.5份，同時加熱到60℃，保持0.5小時；然後攪拌狀態下，同時加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.05份，攪拌狀態下反應3小時，製得對比降失水劑。

對比例2

水100份，水中加入2-丙烯醯胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)10份；N,N-二甲基丙烯醯胺(DMAA)10份；4,4'-二氨基二苯乙烯-2,2'-二磺酸7份；4,4-二苯乙烯二羧酸5份；甲基烯丙醇聚氧乙烯醚(TPEG-2400)5份；攪拌5分鐘。加入氫氧化(NaOH)5份，同時加熱到60℃，保持0.5小時；然後攪拌狀態下，同時加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.5份，攪拌狀態下反應3小時，製得對比降失水劑。

實施例5

分別採用由實施例1-4和對比例1-2製得的降失水劑來在不同溫度下按如下方式進行水泥漿配方，水灰比0.44：

20℃水泥漿配方：500g油井水泥，200g水，5g緩凝劑，15g降失水劑(佔水泥量3％)。

50℃水泥漿配方：500g油井水泥，200g水，5g緩凝劑，15g降失水劑(佔水泥量3％)。

60℃水泥漿配方：500g油井水泥，200g水，5g緩凝劑，15g降失水劑(佔水泥量3％)。

80℃水泥漿配方：500g油井水泥，200g水，5g緩凝劑，15g降失水劑(佔水泥量3％)。

90℃水泥漿配方：500g油井水泥，200g水，5g緩凝劑，15g降失水劑(佔水泥量3％)。

100℃水泥漿配方：①500g油井水泥，200g水，5g緩凝劑，15g降失水劑(佔水泥量3％)；②500g油井水泥，197.5g水，5g緩凝劑，17.5g降失水劑(佔水泥量3.5％)；③500g油井水泥，195g水，5g緩凝劑，20g降失水劑(佔水泥量4％)；④500g油井水泥，192.5g水，5g緩凝劑，22.5g降失水劑(佔水泥量4.5％)；⑤500g油井水泥，190g水，5g緩凝劑，25g降失水劑(佔水泥量5％)；⑥500g油井水泥，185g水，5g緩凝劑，30g降失水劑(佔水泥量6％)。

120℃水泥漿配方：①400g油井水泥，140g矽粉，214g水，8g緩凝劑，16g降失水劑(佔水泥量4％)；②400g油井水泥，140g矽粉，210g水，8g緩凝劑，20g降失水劑(佔水泥量5％)；③400g油井水泥，140g矽粉，208g水，8g緩凝劑，22g降失水劑(佔水泥量5.5％)；④400g油井水泥，140g矽粉，206g水，8g緩凝劑，24g降失水劑(佔水泥量6％)；⑤400g油井水泥，140g矽粉，204水，8g緩凝劑，26g降失水劑(佔水泥量6.5％)。

130℃水泥漿配方：400g油井水泥，140g矽粉，202g水，12g緩凝劑，24g降失水劑(佔水泥量6％)。

150℃水泥漿配方：400g油井水泥，140g矽粉，202g水，12g緩凝劑，24g降失水劑(佔水泥量6％)。

160℃水泥漿配方：400g油井水泥，140g矽粉，198g水，16g緩凝劑，24g降失水劑(佔水泥量6％)。

180℃水泥漿配方：400g油井水泥，140g矽粉，198g水，16g緩凝劑，24g降失水劑(佔水泥量6％)。

200℃水泥漿配方：①400g油井水泥，140g矽粉，198g水，16g緩凝劑，24g降失水劑(佔水泥量6％)；②400g油井水泥，140g矽粉，194g水，16g緩凝劑，28g降失水劑(佔水泥量7％)。

220℃水泥漿配方：400g油井水泥，140g矽粉，194g水，16g緩凝劑，28g降失水劑(佔水泥量7％)。

230℃水泥漿配方：400g油井水泥，140g矽粉，194g水，16g緩凝劑，28g降失水劑(佔水泥量7％)。

實施例6

測試加有分別由實施例1-4和對比例1-2製得的降失水劑的水泥漿的失水結果，結果見表1。

表1不同溫度和降失水劑加量下的水泥漿失水

「-」代表氣竄，完全失水。

由表1數據可以看出，本發明的耐溫抗鹽油井水泥降失水劑在20℃-230℃溫度範圍有良好適應性，通過調整降失水劑加量能夠滿足固井施工對失水的要求，即小於50mL。而對比例1和2的降失水劑耐溫性能均較差，不能滿足耐高溫需求。

實施例7

測試加有由實施例1-4和對比例1-2製得的降失水劑的水泥漿的24小時養護強度，結果見表2-表4：

表2水泥石24h抗壓強度試驗

加有分別由實施例1-4和對比例1-2製得的降失水劑的水泥漿稠化時間，結果見表3：

表3稠化時間

分別由實施例1-4和對比例1-2製得的降失水劑的抗飽和鹽性能測試，結果見表4：

表4飽和鹽水水泥漿體系失水(130℃)

由表2可以看出本發明的降失水劑對水泥石的強度發展影響較小，90℃時隨著降失水劑加量增大，水泥石24h強度略有降低。對比例1和2的降失水劑的強度降低較大。

表3說明本發明的降失水劑對水泥漿稠化時間影響小，隨著降失水劑加量增大，稠化時間規律增加，且可以滿足水泥漿稠化性能調整的要求。對比例1和2的降失水劑的稠化時間增加的長一些，對水泥漿稠化時間影響較大。表4進一步表明本發明的降失水劑高溫下抗鹽性能好，在飽和氯化鈉鹽水體系中失水會有一定程度的降低。

應當注意的是，以上所述的實施例僅用於解釋本發明，並不構成對本發明的任何限制。通過參照典型實施例對本發明進行了描述，但應當理解為其中所用的詞語為描述性和解釋性詞彙，而不是限定性詞彙。可以按規定在本發明權利要求的範圍內對本發明作出修改，以及在不背離本發明的範圍和精神內對本發明進行修訂。儘管其中描述的本發明涉及特定的方法、材料和實施例，但是並不意味著本發明限於其中公開的特定例，相反，本發明可擴展至其他所有具有相同功能的方法和應用。