耐高溫油井水泥緩凝劑及其制備方法技術

本發明專利技術公開了耐高溫油井水泥緩凝劑及其制備方法，該水泥緩凝劑具有苯乙烯磺酸鈉、馬來酸或衣康酸、N?乙烯基己內酰胺三種結構單元，其制備方法如下：(1)將苯乙烯磺酸鈉、馬來酸或衣康酸、N?乙烯基己內酰胺以質量比為10～17:2～7:1～3的比例混合，溶解在去離子水中，溶液中單體總的質量濃度為10～20％，調節溶液PH值4～9；(2)向反應容器通入氮氣除氧，待反應體系溫度升至55～70℃時，加入引發劑過硫酸鉀；(3)反應進行3～7h后，將黃色微粘稠液體產物冷卻至室溫，進行提純、干燥和粉碎。該水泥緩凝劑在具有耐高溫特性的同時不影響其高溫沉降穩定性，其制備方法原理可靠，操作簡便，具有廣闊的市場前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種油田固井用油井水泥聚合物緩凝劑，采用自由基水溶液聚合方法，選用新型單體共聚而得，能有效延長油井水泥漿的稠化時間。本專利技術還涉及該聚合物緩凝劑的制備方法。
技術介紹
固井是指當鉆井作業達到一定井深后，在已鉆成井眼中下入套管柱，然后在套管和井壁之間的環空內注入水泥漿達到某預定位置，并使其在預定時間內迅速凝結、硬化，形成優質、完整、具有良好層間封隔能力的水泥環的過程。由于該過程具有不可逆性，只有在稠化階段中水泥漿的流變性能滿足泵送條件，才有可能完成安全泵注，如果在固井施工中水泥漿稠化時間過短，鉆具會被水泥固死，產生“插旗桿”事故；以及在注水泥時水泥漿還未來得及完全頂替到環空中就在套管中凝固，這時會產生“灌香腸”現象導致固井失敗，因此，水泥漿的稠化時間和初終凝時間是確保固井施工順利和固井質量的關鍵環節。緩凝劑作為水泥漿最重要的三種外加劑之一，對延遲水泥漿凝固時間，維持漿體可泵送狀態具有重要作用，尤其是在水泥漿稠化時間急劇縮短，水泥強度衰減明顯的高溫高壓深井中，緩凝劑是必不可少的組分，從而成為深井固井灌注作業順利進行的保障。隨著油氣開采向深部儲層轉移，深井、超深井和復雜井的數量逐年增加，井底溫度和壓力明顯提高，固井施工的難度越來越大，固井外加劑使用的條件也越來越苛刻。在深井、超深井固井過程中，為滿足高循環溫度下施工的時限要求，水泥漿中加入了大量的高溫緩凝劑，以增加水泥漿的稠化時間，降低粘度，延長可泵送時間，改善流變性能等，但井深增大對油井水泥緩凝劑的抗溫能力提出了更髙的要求，如與水泥漿相容性良好，低溫下不增稠，高溫下不沉降，在高溫、超高溫范圍內能夠有效延長油井水泥的稠化時間，稠化時間≥300min且達到線性可調等等。在深井長封固段固井過程中，大量傳統的高溫緩凝劑的加入能起到延長稠化時間的目的，但在緩凝劑適應極高溫度壓力環境的同時，由于聚合物的分解作用，水泥漿沉降穩定性變差，出現過度分散、稠度降低明顯的現象，導致緩凝效果降低，同時水泥漿出現嚴重的沉降現象，該問題不但影響固井質量，還存在一定程度上的安全隱患。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種耐高溫油井水泥緩凝劑，該耐高溫油井水泥緩凝劑在具有耐高溫特性的同時不影響其高溫沉降穩定性，水泥漿稠度保持在一定值周圍，波動不明顯，具有解決現有工程施工難題的潛力。本專利技術的另一目的還在于提供上述耐高溫油井水泥緩凝劑的制備方法，該方法原理可靠，操作簡便，通過該方法制備的聚合物緩凝劑加入水泥漿后，稠化曲線穩定，能有效延長水泥漿稠化時間，且高溫條件下，漿體稠度變化不大，能夠避免因水泥漿穩定變差而導致的沉降問題，具有廣闊的市場前景。為達到以上技術目的，本專利技術提供以下技術方案。耐高溫油井水泥緩凝劑，采用含磺酸及苯環基團作為主單體，含大量羧基官能團的有機酸和含有七元環結構的內酰胺作為副單體，形成具有耐高溫且不易分解的三元共聚物。該耐高溫緩凝劑共聚物的分子結構設計從三方面入手，首先是選擇能提高緩凝劑分子鏈的剛性和空間位阻的單體(如苯乙烯磺酸鈉SSS)，提高緩凝劑分子鏈的耐熱抗鹽等性能；其次是引入能增加緩凝劑分子鏈對水泥粒子吸附能力的單體(如衣康酸IA、馬來酸MA等)，使高溫條件下緩凝劑分子鏈熱運動加劇時仍然能夠對水泥粒子進行有效吸附，從而保證緩凝劑在高溫條件下的緩凝性能；最后是引入能適應溫度變化的單體(如N-乙烯基己內酰胺NVCL等)，確保調凝和強度發展的協調統一。耐高溫油井水泥緩凝劑，具有苯乙烯磺酸鈉(SSS)、馬來酸(MA)或衣康酸(IA)、N-乙烯基己內酰胺(NVCL)三種結構單元，其結構如下：x、y、z為結構單元百分數，x＝50～85％，y＝10～35％，z＝1-x-y，其分子量為9000～70000。所述耐高溫油井水泥緩凝劑的制備方法，依次包括以下步驟：(1)在反應容器中將苯乙烯磺酸鈉、馬來酸或衣康酸、N-乙烯基己內酰胺以質量比為10～17:2～7:1～3的比例混合，溶解在去離子水中，該溶液中單體總的質量濃度為10～20％，用氫氧化鈉調節反應溶液的PH值在4～9的范圍內；(2)向反應容器中通入10min氮氣除氧，待反應體系溫度升至55～70℃時，緩慢加入引發劑過硫酸鉀，過硫酸鉀的質量為單體總質量的0.5～5％；(3)反應進行3～7h后，將黃色微粘稠液體產物冷卻至室溫，用丙酮進行提純、干燥和粉碎，得到粉末狀聚合物緩凝劑。所述耐高溫油井水泥緩凝劑的聚合反應機理如下：在聚合過程中，加入引發劑的速度應該足夠慢，以避免聚合反應中反應單體爆聚或是產物分子量過大的情況。粉末狀聚合物，再次溶解至去離子水中，重復提純、干燥和粉碎所得的產物用于聚合物結構及性能表征的準確性更高。通過上述方法制得的油井水泥緩凝劑，其優勢在于高溫高壓條件下明顯延長水泥漿稠化時間的同時，能夠使水泥漿在此條件下保持良好的沉降穩定性，解決現在常用緩凝劑易造成水泥漿高溫沉降穩定性差的問題。由于N-乙烯基己內酰胺(NVCL)的引入，其分子間和分子內能形成穩定的締合結構，使該聚合物具有溫敏性能，能更好地適應較寬范圍的固井要求。當溫度低于臨界締合溫度時，分子鏈中極性基團的水化作用強于鏈疏水作用，共聚物呈現水溶性，溫度上升使其水化作用減弱，導致黏度下降，具有適宜的初始稠度；當溫度高于臨界締合溫度時，隨著溫度的升高，分子鏈的水化程度減弱，分子中疏水基團的締合作用顯著增強，且由于聚合物分子中較高的SSS含量，保證了聚合物分子鏈的強親水性，使得疏水締合相保持在微觀相分離態，而不產生沉析現象，導致聚合物分子流體力學體積增大，溶液黏度增大，即表現出增稠性，保證高溫下的沉降穩定性優異，具有廣闊的應用前景。與現有技術相比，本專利技術取得的有益效果如下：1、本專利技術采用自由基水溶液聚合方式并使用無機過氧化物類的過硫酸鉀作為引發劑，操作過程簡單易行，合成聚合物的成功率高，且能保證一定的轉化率。2、引入了大分子和不易降解的官能團單體，如苯環結構、七元環結構、磺酸基團等，所得聚合物耐溫性能得到顯著提高，能有效延長水泥漿的稠化時間。3、采用的新型單體使聚合物在一定溫度下發生分子間或分子內締合，在耐高溫的同時有利于增加水泥漿的稠度，高溫下水泥漿的穩定性能提升，幾乎不產生游離水，能夠有效避免漿體沉降的問題。附圖說明圖1為實施例1制備的水泥緩凝劑在150℃驗證SSS/IA/NVCL緩凝性能的稠化曲線圖。圖2為實施例2制備的水泥緩凝劑在150℃驗證SSS/MA/NVCL緩凝性能的稠化曲線圖。具體實施方式下面根據附圖和實施例進一步說明本專利技術。一、耐高溫油井水泥緩凝劑的制備實施例1 以衣康酸作為主要緩凝單體制備耐高溫緩凝劑以質量比為16：3：1的比例稱取對苯乙烯磺酸鈉(SSS)、衣康酸(IA)、N-乙烯基己內酰胺(NVCL)，用去離子水溶解，并通過濃度為5mol/L的氫氧化鈉溶液將PH值調節至5，以12％的固含量為標準控制總的溶液體積。將水浴鍋溫度調節至60℃，安裝好反應裝置，所述反應裝置包括三頸燒瓶、聚四氟乙烯攪拌桿、分液漏斗等主要部件。將苯乙烯磺酸鈉(SSS)及衣康酸(IA)的混合溶液移入三頸燒瓶中，聚四氟乙烯攪拌桿保持(2000±200轉/分)的轉速，向容器中通氮氣除氧，待溫度升至設定溫度，利用分液漏斗分別向三頸燒瓶中加入N-乙烯基己本文檔來自技高網...

【技術保護點】
耐高溫油井水泥緩凝劑，具有苯乙烯磺酸鈉、馬來酸或衣康酸、N?乙烯基己內酰胺三種結構單元，其結構如下：x、y、z為結構單元百分數，x＝50～85％，y＝10～35％，z＝1?x?y，其分子量為9000～70000。

【技術特征摘要】
1.耐高溫油井水泥緩凝劑，具有苯乙烯磺酸鈉、馬來酸或衣康酸、N-乙烯基己內酰胺三種結構單元，其結構如下：x、y、z為結構單元百分數，x＝50～85％，y＝10～35％，z＝1-x-y，其分子量為9000～70000。2.如權利要求1所述的耐高溫油井水泥緩凝劑的制備方法，依次包括以下步驟：(1)在反應容器中將苯乙烯磺酸鈉、馬來酸或衣康酸、N-乙烯基己內酰胺以質量比為10～17:...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李明，盧婭，郭小陽，郭子涵，張興國，李早元，程小偉，劉健，鄧雙，謝冬柏，
申請(專利權)人：西南石油大學，
類型：發明
國別省市：四川;51