專利名稱：干粉速溶型水泥降失水劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆井固井用降失水劑的制備方法，屬于干粉速溶型水泥降失水劑的制備方法。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)各油田應(yīng)用的降失水劑多為高分子聚合物，使用方式有干混和濕混之分，干混使用的降失水劑為固體粉末，常溫下很難溶于水，必須有干混設(shè)備，混配工藝較復(fù)雜；濕混使用的降失水劑多為液體，加量大，不利于長(zhǎng)途運(yùn)輸，同時(shí)冬季保溫問(wèn)題也比較突出。目前國(guó)內(nèi)外能夠濕混使用的固體降失水劑很少，且混拌功率要求較高，溶解時(shí)間長(zhǎng)。為了滿足外圍油田勘探、開(kāi)發(fā)的需要，有必要開(kāi)發(fā)一種降失水劑，既混配工藝簡(jiǎn)單，方便運(yùn)輸，又有利于儲(chǔ)存。
在國(guó)內(nèi)各油田應(yīng)用干粉濕混型降失水劑不多，尤其是干粉速溶型降失水劑更少，有些固體降失水劑雖然能濕混在水中，但降失水劑實(shí)質(zhì)上是以顆粒形式懸浮于水中或沉在容器底部，并非真正溶解，溶脹時(shí)間長(zhǎng)，且穩(wěn)定性差，影響水泥漿性能的均勻性，不可能以濕混的方式進(jìn)行施工。有些產(chǎn)品如WT103雖然能夠溶解于水中形成溶液，但溶液粘度高，穩(wěn)定性差，配漿存在困難。
國(guó)外(如哈里伯頓、菲利蒲斯)對(duì)干粉速溶型降失水劑開(kāi)發(fā)研究也不多，且在應(yīng)用工藝中存在問(wèn)題，如哈里伯頓的HALAD9(干粉)雖然能夠濕混，但對(duì)混拌條件要求苛刻，需泵車或其他大功率混拌設(shè)施輔助，且需要較長(zhǎng)的攪拌時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有一定的難度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決外圍井使用干混型降失水劑時(shí)必須有干混設(shè)備，混配工藝較復(fù)雜，以及濕混使用的降失水劑為液體，加量大，不利于長(zhǎng)途運(yùn)輸，同時(shí)冬季保溫問(wèn)題也比較突出的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種干粉速溶型水泥降失水劑的制備方法，該降失水劑具有使水泥漿速凝、低失水、過(guò)渡時(shí)間短，防止和控制水、氣竄的發(fā)生，提高油水井的一次封固質(zhì)量的特點(diǎn)。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的首先將丙烯酰胺、丙烯磺酸鈉、乙烯基吡咯烷酮在45-70℃溫度下按質(zhì)量比為60-85∶5-20∶10-25的比例溶于水中進(jìn)行水溶液聚合，同時(shí)分別加入總單體質(zhì)量的0.75-1.2％的過(guò)硫酸鉀及0-18％的尿素，反應(yīng)三小時(shí)，待反應(yīng)完畢后，真空干燥。
上述所說(shuō)的首先將丙烯酰胺、丙烯磺酸鈉、乙烯基吡咯烷酮在55℃溫度下按質(zhì)量比為70∶5∶25的比例溶于水中進(jìn)行水溶液聚合，同時(shí)分別加入單體總質(zhì)量的1％的過(guò)硫酸鉀及10％的尿素，反應(yīng)三小時(shí)，待反應(yīng)完畢后，真空干燥。
本發(fā)明所述的干粉速溶型降失水劑由三種單體共聚而成，此降失水劑為固體粉末，既可干混又可濕混。
作用機(jī)理酰胺類單體可以有效控制失水，但酰胺基在水泥漿堿性環(huán)境及一定溫度條件下不穩(wěn)定，易水解為羧基。酰胺基與羧基雖有較好的親水性，但對(duì)水泥顆粒有強(qiáng)烈的吸附作用，常常帶來(lái)超緩凝和閃凝等不利后果，即使在較低摻量下，施工時(shí)也下灰困難。乙烯基吡咯烷酮水溶性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但本身成本高、降失水效果不太理想，但通過(guò)與其他單體共聚可以有效降低成本并改善聚合物的濾失性、耐溫、抗鹽、抗剪切性能。而通過(guò)本實(shí)驗(yàn)合成的三元共聚物由于在大分子側(cè)鏈上引入磺酸基(-SO3)及鏈剛性結(jié)構(gòu)的吡咯烷酮基，提高了聚合物的耐鹽性及熱穩(wěn)定性，無(wú)明顯后緩凝現(xiàn)象，且使其水溶性增強(qiáng)。另外，對(duì)于此三元共聚物而言，各單體側(cè)鏈基團(tuán)較大，空間位阻的因數(shù)使聚合物傾向于形成直鏈型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能完全地生成氫鍵，使水分子很快地進(jìn)入全部聚合結(jié)構(gòu)中，也有利于提高其水溶性。
本發(fā)明所研制的丙烯酰胺-乙烯吡咯烷酮-丙烯磺酸鈉共聚物屬于高分子聚合物(平均分子量35-45萬(wàn))，由于其含有大量的-CONH2、-CH-SO3-、-COOH等基團(tuán)，-CH-SO3-、-COOH基有較強(qiáng)的水化及吸附作用，-CONH2則主要通過(guò)氫鍵吸附大量水。由于大分子在水泥顆粒表面吸附作用，使其能在水泥顆粒表面形成較厚的吸附膜，可以將自由水包裹起來(lái)，同時(shí)大分子間相互作用形成布滿水泥漿本系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就避免了水泥顆粒的接觸，防止水泥顆粒聚結(jié)，改變了其級(jí)配并形成致密泥餅，從而圈閉自由水，表現(xiàn)很好的降失水效果，而水泥顆粒上的水化基團(tuán)的水化層在壓力差作用下變形堵塞濾餅顆粒之間的孔道，降低了水泥餅的滲透率，從而降低失水。聚合物的粘度對(duì)控制失水也起到一定的輔助作用。
實(shí)驗(yàn)證明該方法生產(chǎn)的干粉速溶型水泥降失水劑的特點(diǎn)是1、降失水劑水溶性好。2、降失水劑混配工藝簡(jiǎn)單，既方便運(yùn)輸，又有利于儲(chǔ)存。3、水泥漿體系性能可靠，低失水，較高的抗壓強(qiáng)度和較高的抗污染能力，有利于保護(hù)油氣層，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工及固井質(zhì)量的要求。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例做詳述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
本發(fā)明所述的干粉速溶型水泥降失水劑的制備是首先將丙烯酰胺、丙烯磺酸鈉、乙烯基吡咯烷酮在45-70℃溫度下按質(zhì)量比為60-85∶5-20∶10-25的比例溶于水中進(jìn)行水溶液聚合，同時(shí)分別加入總單體質(zhì)量的0.75-1.2％的過(guò)硫酸鉀及0-18％的尿素，反應(yīng)約三小時(shí)，待反應(yīng)完畢后，真空干燥，其中，過(guò)硫酸鉀作為引發(fā)劑，加入量占三種原料單體總質(zhì)量的0.75-1.2％；尿素作為鏈轉(zhuǎn)移劑，加入量占三種原料單體總質(zhì)量的0-18％。
(一)反應(yīng)溫度的影響聚合溫度對(duì)產(chǎn)物的降失水性能有著較為明顯的影響，在丙烯酰胺∶丙烯磺酸鈉∶乙烯基吡咯烷酮＝70∶10∶20；引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的1％，鏈轉(zhuǎn)移劑用量為單體總質(zhì)量的10％條件下，考查溫度對(duì)其降失水效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果如下表1表1 溫度影響

注水泥為四川嘉化G級(jí)水泥，水泥漿密度1.90g/cm3，降失劑占整個(gè)純水泥質(zhì)量的1.1％。
上述實(shí)驗(yàn)表明，溫度控制在45-70℃時(shí)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但合成溫度過(guò)低或高，對(duì)于聚合反應(yīng)不利，溫度較低，聚合反應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)難以完成，并造成單體引發(fā)不完全；溫度太高，不利于引發(fā)劑的引發(fā)。試驗(yàn)進(jìn)一步證明在55℃進(jìn)行聚合較為適宜。
(二)單體配比對(duì)產(chǎn)物性能的影響改變投料配比就可以得到不同的反應(yīng)產(chǎn)物，在反應(yīng)溫度為55℃，引發(fā)劑用量為單體重量的1％，鏈轉(zhuǎn)移劑用量為單體重量的10％條件下通過(guò)水泥漿性能測(cè)定來(lái)獲得最佳投料比。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 投料配比對(duì)水泥漿性能的影響

注A為丙烯酰胺，B為丙烯磺酸鈉，C為乙烯基吡咯烷酮，水泥為四川嘉化G級(jí)水泥，API失水條件52℃、7.0MPa，水泥漿密度1.90g/cm3，降失劑占整個(gè)純水泥質(zhì)量的1.1％。
由表2數(shù)據(jù)可以看出不同配比的產(chǎn)品其對(duì)水泥漿性能的影響是不同的，上述配比均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但從綜合各方面的性能得以確定，A∶B∶C＝70∶5∶25為最佳配比。
(三)引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑用量對(duì)降失水性能的影響引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑的用量對(duì)產(chǎn)物的組成、分子量大小及分布有直接影響，從而影響產(chǎn)物的濾失、稠度等性能。在反應(yīng)溫度55℃，A∶B∶C＝70∶5∶25，降失水劑摻量占純水泥質(zhì)量1.1％，反應(yīng)時(shí)間為3h的條件下，考察這一因素對(duì)降失水性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑用量對(duì)降失水性能的影響

注A為丙烯酰胺，B為丙烯磺酸鈉，C為乙烯基吡咯烷酮，水泥為四川嘉化G級(jí)水泥，API失水條件52℃、7.0Mpa，水泥漿密度1.90g/cm3。
試驗(yàn)結(jié)果表明引發(fā)劑與調(diào)節(jié)劑用量在較寬的范圍內(nèi)都能夠滿足其對(duì)失水效果的要求，但其用量對(duì)初始稠度影響較顯著，綜合考慮各方面因素得以確定引發(fā)劑與鏈轉(zhuǎn)移劑用量之比＝1∶8-1∶10效果較理想，其最佳比為1∶10。
(四)降失水劑性能測(cè)試(1)降失水劑用量對(duì)失水量和流動(dòng)度的影響降失水劑摻量對(duì)API失水量和流動(dòng)度的影響結(jié)果如表4所示表4 降失水劑用量對(duì)失水量和流動(dòng)度的影響

注水泥為四川嘉化G級(jí)水泥，API失水條件52℃、7.0MPa，水泥漿密度1.90g/cm3。
從上表數(shù)據(jù)可得出降失水劑加量在占純水泥1.0-1.5％(質(zhì)量百分比)之間，均能有效控制失水，且水泥漿綜合性能優(yōu)良，加量在1.2％以上可使API失水＜50ml，用量與失水量具有良好的線性關(guān)系，隨著加量的增加，失水量降低，但是水泥漿流動(dòng)度進(jìn)一步下降，考慮流動(dòng)性和現(xiàn)場(chǎng)施工DSJ最佳加量在1.0-1.3％之間較為理想。干粉速溶型水泥降失水劑體系水泥漿的性能見(jiàn)下表5。
表5 降失水劑體系水泥漿性能

注試驗(yàn)采用嘉華G級(jí)油井水泥，W/C＝0.44，降失水劑加量1.1％(占純水泥質(zhì)量)。
(2)降失水劑的加入溫度對(duì)失水量的影響溫度對(duì)水泥漿失水量的影響結(jié)果如表6所示表6 溫度對(duì)水泥漿失水量的影響

注水泥為四川嘉化G級(jí)水泥，水泥漿密度1.90g/cm3，降失水劑用量1.1％(占純水泥質(zhì)量)。
從上表數(shù)據(jù)可看出隨溫度的升高，水泥漿失水量有所增加，但趨勢(shì)不明顯，表明該降失水性劑有良好的熱穩(wěn)定性。
該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和地面模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在海拉爾盆地貝爾湖坳陷烏爾遜凹陷烏西斷階帶烏23井，貝爾湖坳陷烏爾遜凹陷蘇仁諾爾構(gòu)造帶蘇33井，貝爾湖坳陷烏爾遜凹陷烏北次洼帶蘇35井，扎賚諾爾坳陷巴彥呼凹陷堯道必構(gòu)造群楚2井進(jìn)行了四口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該四口井均為長(zhǎng)封井固井，為了防止壓漏地層，烏23井、蘇33井、蘇35井采用上部低密度，下部原漿的固井方案，楚2井采用全井低密度的固井方案。取現(xiàn)場(chǎng)水配漿，進(jìn)行水泥漿常規(guī)性能試驗(yàn)，水泥漿常規(guī)性能見(jiàn)表7。
表7 水泥漿常規(guī)性能表

注水泥漿密度1.90g/cm3的水泥為四川嘉化G級(jí)水泥，水泥漿密度1.60g/cm3的水泥為四川嘉化高強(qiáng)低密度水泥，降失水劑(DSJ)用量為占純水泥的質(zhì)量百分比。
從室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，水泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)，能夠滿足低失水，較高的抗壓強(qiáng)度和較高的抗污染能力且低密度具有較好的沉降穩(wěn)定性的要求?，F(xiàn)場(chǎng)施工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。
表8 現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況說(shuō)明(1)該降失水劑體系具有較低的失水、較高的抗壓強(qiáng)度，稠化時(shí)間可調(diào)。
(2)固井現(xiàn)場(chǎng)施工情況下灰順利，可泵性好，密度控制較均勻，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，替壓比計(jì)算值低，主要是DSJ可以降低摩擦阻力，從而降低了頂替壓力，防止井漏的發(fā)生，保證了固井質(zhì)量。
(3)該降失水劑水溶性好，現(xiàn)場(chǎng)混配簡(jiǎn)單，可用于海拉爾等外圍的開(kāi)發(fā)井和探評(píng)價(jià)井，又可應(yīng)用于油田內(nèi)部的調(diào)整井、開(kāi)發(fā)井、探井、特殊井等，能夠滿足長(zhǎng)期發(fā)展的需要。
通過(guò)上述各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方法生產(chǎn)的干粉速溶型水泥降失水劑的特點(diǎn)是1、降失水劑水溶性好。2、降失水劑混配工藝簡(jiǎn)單，既方便運(yùn)輸，又有利于儲(chǔ)存。3、水泥漿體系性能可靠，低失水，較高的抗壓強(qiáng)度和較高的抗污染能力，有利于保護(hù)油氣層，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工及固井質(zhì)量的要求。
權(quán)利要求
1.一種干粉速溶型水泥降失水劑的制備方法，其特征在于首先將丙烯酰胺、丙烯磺酸鈉、乙烯基吡咯烷酮在45-70℃溫度下按質(zhì)量比為60-85∶5-20∶10-25的比例溶于水中進(jìn)行水溶液聚合，同時(shí)分別加入總單體質(zhì)量的0.75-1.2％的過(guò)硫酸鉀及0-18％的尿素，反應(yīng)三小時(shí)，待反應(yīng)完畢后，真空干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種干粉速溶型水泥降失水劑的制備方法，其特征在于首先將丙烯酰胺、丙烯磺酸鈉、乙烯基吡咯烷酮在55℃溫度下按質(zhì)量比為70∶5∶25的比例溶于水中進(jìn)行水溶液聚合，同時(shí)加入單體總質(zhì)量的1％的過(guò)硫酸鉀及單體總質(zhì)量的10％的尿素，反應(yīng)三小時(shí)，待反應(yīng)完畢后，真空干燥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種干粉速溶型水泥降失水劑的制備方法。其特征在于首先將丙烯酰胺、丙烯磺酸鈉、乙烯基吡咯烷酮在45－70℃溫度下按質(zhì)量比為60－85∶5－20∶10－25的比例溶于水中進(jìn)行水溶液聚合，同時(shí)加入過(guò)硫酸鉀及尿素，反應(yīng)三小時(shí)，待反應(yīng)完畢后，真空干燥。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)便，工藝合理，制備出的降失水劑具有使水泥漿速凝、低失水、過(guò)渡時(shí)間短，防止和控制水、氣竄的發(fā)生，提高油水井的一次封固質(zhì)量的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C09K8/487GK101029221SQ20071008926
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月18日
發(fā)明者肖海東, 楊智光, 和傳健, 徐 明, 弓玉杰, 李世梅, 李曉琦 申請(qǐng)人:大慶石油管理局