一种改性降失水剂的制作方法

本发明涉及水泥浆外掺剂技术领域，尤其涉及一种用于石油、天然气钻井固井过程中降低水泥浆失水量的降失水剂，更具体地说涉及一种改性降失水剂。

背景技术：

降失水剂是固井水泥非常重要的外加剂，在固井施工时，可以改善水泥滤饼结构使之形成致密、渗透率低的滤饼从而降低失水量，保证水泥浆的密度、流变性、稠化时间等符合设计要求，同时避免水泥浆失水对油层造成的污染和伤害。

目前油田使用的降失水剂有水剂和粉剂两种，水泥用量偏大，成本相对较高，水剂型降失水剂在混水后，通常需要进行多次水泥浆试验，工作量大且耗时长；混水过程需要人工加料和水泵循环均拌，劳动强度大且能耗高。粉剂型降失水剂在现场混灰时即可与水泥混合均匀，施工简便且效果好；另外水剂降失水剂的运输成本较高。

粉剂型的降失水剂中，聚酰胺类共聚物降失水剂使用较为广泛，但是也常常出现影响早期强度及稠化时间，触变性能不佳的情况，本发明的降失水剂旨在减少对稠化时间以及强度的影响，并且提高水泥浆的触变性能，提高固井效率。使用本发明降失水剂易调配出失水低、强度高、抗盐性能及流变性能好、静切力高，触变性能好的水泥浆。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种改性降失水剂，本申请的改性降失水剂旨在减少对稠化时间以及强度的影响，并且提高水泥浆的触变性能，提高固井效率。使用本发明降失水剂易调配出失水低、强度高、抗盐性能及流变性能好、静切力高，触变性能好的水泥浆。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：

一种改性降失水剂，其特征在于：包括以下重量份的组分：

聚酰胺类聚合物40%-65%；

膨润土：0-20%；

超细碳酸钙：20%-45%;

硫酸铝：5%-10%；

所述聚酰胺类聚合物为2—丙烯酰胺—2—甲基丙烷磺酸与丙烯酰胺(amps/am)的共聚物。

更进一步的，膨润土为钠质膨润土，其中蒙脱石含量＞75%。

更进一步的，超细碳酸钙粒径为1000-2000目。

本发明的降失水剂可以减少对稠化时间以及强度的影响，并且提高水泥浆的触变性能，提高固井效率。

与现有技术相比，本申请的降失水剂具有的有益的技术效果表现在：

1、amps/am的共聚物中使用膨润土使降失水剂具有更好的降失水及抗盐性能。膨润土以极小的颗粒进入滤饼并镶嵌在水泥颗粒之间，从而使滤饼结构致密，渗透率降低，能降低失水，可用于135℃高温；凝固后的水泥石对硫酸盐或其它盐类的侵蚀有很好的抵抗力。

2、进一步的选择膨润土为钠质膨润土，钠质膨润土的分散程度高，吸水率高、膨胀倍数大，膨润土的层片之间的钠离子吸附水分子,并使水分子充满层和层之间,使这些层片分开,形成膨胀，经水化的膨润土表面阳离子吸附一定量的水分子后,膨润土形成凝胶,能够提高是滤饼更致密，降低渗透率，控制失水。膨润土的膨胀性能与其中蒙脱石的含量有关，蒙脱石含量＞75%，能够更好的实现膨润土的膨胀性能。

3、amps/am共聚物本身具有缓凝作用，硫酸铝是一种常用的促凝剂，在粉剂降失水剂中适当加入硫酸铝，能起到调节水泥浆稠化时间的作用，这是由于离子效应，促凝剂改变胶结材料的溶解度，而不参与化学反应，水泥浆体系中离子浓度增加，改变了水泥颗粒表面吸附层，使ζ电位降低，凝聚力增大，加速水泥的水化。在相同浓度下，高价阳离子能交换出低价阳离子，若离子浓度高时，则低价阳离子也能交换出高价阳离子。如加入足够浓度的低价阳离子电解质，可使al+交换出吸附层的ca+，从而加速水泥水化，达到促凝作用从而避免加入降失水剂后出现缓凝的现象。并且能够提高水泥石的早强强度。

4、硫酸铝也是水泥浆中常用的触变剂，当水泥浆中加入硫酸铝之后，水泥浆的触变性大大增加，静切力增大。即水泥浆在混合和顶替过程中是稀的流体，泵送停止后，又能迅速形成一种刚性(能自身支持)的胶凝结构的特种水泥。

5、amps/am共聚物本身具有较强的减阻性，1000-2000目的超细碳酸钙混入粉剂降失水剂产品之后，在相同的水灰比情况下，可以增加降失水剂在水泥浆中的需水量，增加沉降稳定性，减少游离液，避免因水泥浆过稀而产生的分层现象，保证固井施工正常进行。

6、另外超细caco3的掺入促进了水泥的水化放热速率，水化放热亦随之增加，随着超细caco3掺量增大，硅酸盐水泥水化生成的ca(oh)2含量与化学结合水量皆增加，掺入超细caco3水泥基材料的抗折和抗压强度提高。研究结果显示超细caco3加速了硅酸盐水泥的水化。避免出现降失水剂加入水泥浆之后出现强度倒缩的现象。

7、超细碳酸钙还能够改善降失水剂的抗盐性能，由于碳酸钙能够吸收盐水中cl-，降低cl-的含量，同时降低盐水浓度，能够在一定程度增加降失水剂的抗盐性能。

8、本申请的amps/am共聚物-膨润土-硫酸铝体系，能够更好的控制失水：聚酰胺类聚合物一端依靠膨润土的空隙吸附在膨润土颗粒表面，另一端溶于水使膨润土颗粒和水分子之间产生了一种间接的联系。形成了一种桥联作用，减少了泥浆中的自由水，改变了泥浆的性能参数，达到降低滤失率的目的。

9、膨润土-硫酸铝-水混合之后，膨润土微粒表面电荷的变化，铝离子取代钠离子使得土的表面电荷变得更负。其次是铝盐与水形成al—oh键，部分插入钠基膨润土层间，产生片层翻起的现象，而大部分取代了钠，连接在了膨润土表面，经过与水泥浆的搅拌，离子交换，钠基膨润土的裂缝与孔隙增多。表面电荷的变化，裂缝及层间距的增加，能够更好的体系膨润土的物理、化学吸附能力，使聚合物紧密吸附在颗粒表面，形成桥联作用。

10、本申请在与水泥浆使用时，失水量可以控制在50ml以下；在质量浓度为15%和25%的氯化钠溶液中，降失水剂掺量为2.0%和2.5%时，可以将滤失量控制在50ml以内；本申请的降失水剂适应温度范围广，能够在40-95℃范围内使用；本申请的降失水剂具有良好的抗盐性能，矿化度达到0~40000mg/l；加入本申请的降失水剂的水泥浆的稠化曲线平滑，稠化时间可调，过渡时间较短，近直角稠化，并且降失水剂不会对水泥石强度造成不利影响。与amps/am共聚物降失水剂相比，能够提高早期强度，并且能够提高静切力。

在现场使用过程中，单一的使用无机材料降滤失剂或者有机材料降滤失剂都存在一些问题。粉剂型的降失水剂中，amps/am共聚物降滤失剂使用较为广泛，但是也常常出现影响早期强度及稠化时间，触变性能不佳的情况；使用膨胀土等无机降滤失剂成本较低，能耐高温，但是控制失水的效果没有有机材料明显。本发明使用无机材料与有机材料结合，amps/am共聚物一端依靠膨润土的空隙吸附在膨润土颗粒表面，另一端溶于水使膨润土颗粒和水分子之间产生了一种间接的联系。形成了一种桥联作用，减少了泥浆中的自由水，改变了泥浆的性能参数，达到降低滤失率的目的。

amps/am共聚物-膨润土-硫酸铝-碳酸钙体系降滤失剂，是一个整体，单一的组分并不能实现本发明的优点。膨润土、硫酸铝、碳酸钙作为单一的组分可以作为外掺料或者外加剂添加到水泥中，实现水泥浆早强，膨胀等性能。单独使用与本发明的组合使用作用机理不同。1）膨润土、硫酸铝、碳酸钙作为单一组分添加到水泥或者混凝土中，一般是与水泥颗粒发生作用，产生预期的效果。2）膨润土、硫酸铝、碳酸钙作为单一的组分添加到水泥或者混凝土中，其作用机理与组合使用使用机理不同。硫酸铝可以作为促凝剂掺入混凝土后，与硅酸盐水泥中的石膏相结合，阻碍着水泥粒子周围硫铝酸钙的生成，从而使铝酸三钙迅速凝结，起到速凝作用，提高早期强度。在本发明的降滤失体系中，不仅仅体系了硫酸铝的促凝作用，更重要的是膨润土-硫酸铝-水混合之后，膨润土微粒表面电荷的变化，铝离子取代钠离子使得土的表面电荷变得更负。其次是铝盐与水形成al—oh键，部分插入钠基膨润土层间，产生片层翻起的现象，而大部分取代了钠，连接在了膨润土表面，经过与水泥浆的搅拌，离子交换，钠基膨润土的裂缝与孔隙增多。表面电荷的变化，裂缝及层间距的增加，能够更好的体现膨润土的物理、化学吸附能力，使聚合物紧密吸附在颗粒表面，形成桥联作用。桥联作用，减少了泥浆中的自由水，改变了泥浆的性能参数，达到降低滤失率的目的。3）超细碳酸钙添加到水泥当中，能够提高强度，但是在本发明中并不是仅仅是使用超细碳酸钙提高强度的性能，主要是超细碳酸钙还能够改善降失水剂的抗盐性能，由于碳酸钙能够吸收盐水中cl-，降低cl-的含量，同时降低盐水浓度，能够在一定程度增加降失水剂的抗盐性能。

附图说明

图1为实施例7的水泥浆的稠化实验结果。

具体实施方式

实验条件：水泥浆配方：水泥浆配方均采用水泥浆配方为嘉华g级高抗油井水泥+2%缓凝剂sd210+0.2%消泡剂sd52+降失水剂，水灰比为0.44。降失水剂根据不同比例关系适配，根据不同的温度调整掺量，缓凝剂、消泡剂，降失水剂均采用固定外掺百分比。

实验方法：水泥石强度、失水量采用gb/t19139-2012进行实验。使用静切力法测定水泥浆的触变性。按照实验标准gb/t19139-2012配制水泥浆，配制完成后放入常压稠化仪中进行预制。水泥浆预制完成后，使用静切力法进行测试。

静切力法：用特殊形状的叶片，在剪切速率接近零时（约1s-1），测定水泥浆静止10s和10min，浆体开始流动的静切力τ1和τ10，用其差值δτ=τ10-τ1表示水泥浆的触变性大小。

具体实施例如下：

实施例1

amps/am共聚物45%，膨润土15%，超细碳酸钙35%，硫酸铝5%，试验温度温度40℃，降失水剂掺量1.5%。

实施例2

amps/am共聚物45%，膨润土8%，超细碳酸钙42%，硫酸铝5%，试验温度温度60℃，降失水剂掺量1.5%。

实施例3

amps/am共聚物40%，膨润土20%，超细碳酸钙37%，硫酸铝3%，试验温度温度60℃，降失水剂掺量1.5%。

实施例4

amps/am共聚物65%，膨润土8%，超细碳酸钙20%，硫酸铝7%，试验温度温度80℃，降失水剂掺量1.5%。

实施例5

amps/am共聚物55%，膨润土4%，超细碳酸钙36%，硫酸铝5%，试验温度温度80℃，降失水剂掺量1.5%。

实施例6

amps/am共聚物65%，超细碳酸钙25%，硫酸铝10%，试验温度温度100℃，降失水剂掺量2.0%。

实施例7

amps/am共聚物50%，膨润土18%，超细碳酸钙22%，硫酸铝10%，试验温度温度100℃，降失水剂掺量2.0%。

实验数据如下表：

由实验数据可知，本申请的降失水剂按照一定的比例加入水泥当中，在40℃-95℃范围内，24h强度较高，失水量＜100ml，能够提高水泥浆的静切力，水泥浆触变性能较好，完全能够满足现场固井的需求。

参照附图1，附图1是本实施例水泥浆的稠化实验结果，实验温度为100℃，实验压力为60.5mpa，升温时间为48min。由图可知，水泥浆的稠化曲线平滑，稠化时间为265min且稠化时间可调，过渡时间较短，近直角稠化，表明水泥浆泵送至井筒后的候凝时间段，强度发展快，有利于快速封固井眼。