一种用于固井前置液高分散两性离子型分散剂及其制备方法与流程

文档序号:11106011阅读:1075来源:国知局

本发明涉及一种用于固井前置液中的两性离子型分散剂,以及该分散剂的合成和应用方法,属于地质勘探及油气田勘探开发化学品领域。



背景技术:

在油气井固井作业中的水泥浆顶替钻井液过程中,当水泥浆与钻井液接触时,二者之间会发生不同程度相互污染,使混合后的浆体极易出现增稠、增黏、甚至絮凝结块的现象,严重的会造成泵压增高、压漏地层,这样极大地影响了正常的固井作业,并增大了作业过程中的风险。

目前,现场施工中常用的方法是使用一些现有的钻井液或水泥浆用分散剂或降粘剂等加入到前置液(即冲洗液或隔离液)中,利用分散剂或降粘剂对钻井液或水泥浆的分散、降粘作用以改善受污染的钻井液、水泥浆的浆体流变性能。常用的外加剂有木质素磺酸盐类、磺甲基苯醛树脂(SMP)、甲醛和丙酮缩聚物(SXY)、两性离子聚合物降粘剂(XY-27)等。从现场施工作业中反馈的大量信息可知,这些外加剂的确可以在一定程度上改善混合浆体的流变性能,但同时发现它们对不同比例钻井液和水泥浆混合浆体的流变性影响很大。比如SMP、XY-27,只对混合浆体中含大量钻井液时分散效果比较好;而如木质素磺酸盐类、SXY,则只对混合浆体中含有大量水泥浆时分散效果比较好。这些情况在套管居中度较差时,极易出现窄环空处钻井液顶替不完全的情况,导致水泥环的封隔能力降低,这在电测结果中常常表现界面胶结质量比较差,直接影响到对固井施工的验收评价以及后续的油气井生产作业。



技术实现要素:

本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种可以同时具有分散钻井液和水泥浆能力的用于固井前置液高分散两性离子型分散剂,并给出该分散剂的制备方法。

本发明的技术方案包括:

一种用于固井前置液高分散两性离子型分散剂,包括单体和占单体质量比的1.3~2.5%的引发剂、占单体质量比的0.8~2.0%还原剂、占单体总量3~5%的异丙醇。

所述单体为烯丙基磺酸钠、马来酸酐、二甲基二烯丙基氯化铵按质量比2.2~4.7:0.7~1.5:0.2~0.6,引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾,还原剂为亚硫酸氢钠。

按照前述的用于固井前置液高分散两性离子型分散剂的制备方法是:将单体加入到水中,并加热搅拌,待固体完全溶解后,升温至50 ℃~85 ℃,搅拌10-20 min后分别加入引发剂和还原剂,恒温反应3~6 h,再加入异丙醇,恒温0.3-0.6 h后取出,用45%的氢氧化钠溶液将其pH值调至5~6,即得到产品。

本发明的技术方案,结合钻井液和水泥浆的特性,优先选取单体是烯丙基磺酸钠(AS)、马来酸酐(MA)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC),这些单体共同特点是它们的离子基团可以不同程度地通过化学吸附和物理吸附作用在钻井液或水泥浆中的固相颗粒表面富集,并且利用共聚物中带电性相反的基团使固相颗粒间的相互排斥,以此达到对浆体的分散作用。上述三种单体除了具备前面介绍功能基团性质,还由于烯丙基类单体具有自阻聚作用,马来酸酐单体不活泼,这使得该三元共聚物很难达到高的聚合度,这对于分散剂是有利的。与现在常用的分散剂或降粘剂相比,含有两性离子型分散剂的前置液对钻井液和水泥浆均具有良好的相容性和分散性,混合浆体无增稠、絮凝的情况,浆体具有良好的流变性;两性离子型分散剂对水泥石强度发展有积极的促进作用。

具体实施方式

本发明优选单体及合成工艺包括:

1、对反应温度、反应时间、反应单体摩尔比和引发剂用量等因素进行了优化,确定了反应单体的质量比为AS:MA:DMDAAC=(2.2~4.7):(0.7~1.5):(0.2~0.6),引发剂中过硫酸铵(APS)或过硫酸钾(KPS)的用量为占单体质量比的1.3~2.5%,亚硫酸氢钠的用量为占单体质量比的0.8~2.0%,反应温度为50 ℃~85 ℃,反应时间为3~6 h。

2、该聚合反应采用氧化还原水溶液体系,依次将烯丙基磺酸钠、马来酸酐、二甲基二烯丙基氯化铵加入到水中,并加热搅拌,待固体完全溶解后,升温至反应温度时,搅拌15 min后分别加入一定量的过硫酸铵和亚硫酸氢钠,滴加完毕后恒温反应3~6 h,再加入占单体总量3~5%的异丙醇,恒温0.5 h后取出,用45%的氢氧化钠溶液将其pH值调至5~6,即得到产品。

经测试分析,产品的平均聚合度为500-3000之间,主要受聚合温度、引发剂浓度、单体配比等因素的影响。聚合物为无规共聚产物。

本发明评价两性离子型分散剂对钻井液、水泥浆流变性及对水泥石强度发展的影响:

1、制备含两性离子型分散剂的前置液。配制过程:在浆杯中放入100份清水,加入0.4~0.8份增粘剂(增粘剂采用聚丙烯酰胺、丙烯酸类聚合物均可),搅拌溶解4 h后,依次加入0.3~0.6份消泡剂(有机硅油消泡剂、高级醇类消泡剂均可),0.5~1.7份两性离子型分散剂,达到前置液规定密度所需的固相材料(15~85份),以及0.8~2.2份的复合表面活性剂(司班、吐温系列均可);

2、参照API规范10,将含有0.5%的两性离子型分散剂前置液分别加入到不同比例的钻井液与水泥浆中测试混合浆体的流变性。

3、将0.8%的两性离子型分散剂、SXY、SMP分别加入水泥浆中,经过稠化、制模后,测试形成水泥石在90 ℃温度下、养护24 h和72 h后的抗压强度。

本发明中,配制的钻井液、前置液、水泥浆工作液的各组分均为重量份。

下面结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

确定了反应单体的质量比为AS:MA:DMDAAC=2.2:1.5:0.2,引发剂中过硫酸铵(APS)的用量为占单体质量比的1.3%,还原剂亚硫酸氢钠的用量为占单体质量比的2.0%,反应温度为85 ℃,反应时间为3 h。加入占单体总量3%的异丙醇,恒温0.5 h后取出,用pH调节剂将其pH值调至5~6,得到1#两性离子型分散剂。

在浆杯中放入100份清水,加入0.4份增粘剂,搅拌溶解4 h后,依次加入0.3份消泡剂,5份1#两性离子性分散剂,达到前置液规定密度所需的固相材料45份,以及1.0份的复合表面活性剂,配制成密度为1.2 g/cm3的前置液。参照API规范10 B分别测定与油基钻井液(密度为1.05 g/cm3)和水泥浆(密度为1.88 g/cm3)的相容性,测试温度为60 ℃,测试结果见表1和2。

实施例2

确定了反应单体的质量比为AS:MA:DMDAAC=4.0:1.2:0.3,引发剂中过硫酸钾的用量为占单体质量比的2.5%,还原剂亚硫酸氢钠的用量为占单体质量比的1.3%,反应温度为55 ℃,反应时间为5 h。加入占单体总量5%的异丙醇,恒温0.5 h后取出,用pH调节剂将其pH值调至5~6,得到2#两性离子型分散剂。

在浆杯中放入100份清水,加入0.4份增粘剂,搅拌溶解4 h后,依次加入0.3份消泡剂,5份2#两性离子型分散剂,达到前置液规定密度所需的固相材料45份,以及1.0份的复合表面活性剂,配制成密度为1.2 g/cm3前置液。参照API规范10 B分别测定与油基钻井液(密度为1.05 g/cm3)和水泥浆(密度为1.88 g/cm3)的相容性,测试温度为60 ℃,测试结果见表3和4。

实施例3

分别将实施例1和实施例2合成的两性离子型分散剂、SXY、SMP,加入水泥浆中,形成的水泥石在90℃下、水浴养护24 h和72 h后测试其抗压强度,测试结果见表5。从表5中可以看出,加有两性离子型分散剂的水泥石抗压强度均高于含有SXY或SMP的水泥石抗压强度。

由表1至表4可以看出,含有两性离子型分散剂的前置液对钻井液和水泥浆均具有良好的相容性和分散性,混合浆体无增稠、絮凝的情况,浆体具有良好的流变性。

由表5可以看出,组分含量不同的两性离子型分散剂对水泥石的抗压强度均有不同程度的提高,且1#产品对提高水泥石抗压强度值的能力强。

表1 1#两性离子型分散剂前置液对油基钻井液的影响

注:A代表油基钻井液;B1代表密度为1.2 g/cm3的前置液(含0.5%两性离子型分散剂1#)

表2 含1#两性离子型分散剂前置液对水泥浆的影响

注:C代表水泥浆;B1代表密度为1.2 g/cm3的前置液(含0.5%两性离子型分散剂1#)

表3 含2#两性离子型分散剂前置液对油基钻井液的影响

注:A代表油基钻井液;B2代表密度为1.2 g/cm3的前置液(含0.5%两性离子型分散剂2#)

表4 含2#两性离子型分散剂前置液对水泥浆的影响

注:C代表水泥浆;B2代表密度为1.2 g/cm3的前置液(含0.5%两性离子型分散剂2#)

注:水泥浆配方:500gG级水泥+2%膨胀剂+2%增韧剂+1.5%SWJ-1+0.8%SXY

表5 不同类型分散剂对水泥石强度的影响

注:水泥浆配方为500gG级水泥+2%膨胀剂+2%增韧剂+1.5%SWJ-1+0.8%SXY(或用两性离子型分散剂及SMP替代)。

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