一种油气井固井用低水化热早强水泥降失水剂及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种油气井固井用低水化热早强水泥降失水剂及制备方法，属于油气 井固井用水泥外加剂技术领域。
【背景技术】
[0002] 天然水合物的存在给深水固井和永冻地层固井提出了新的挑战，要求固井水泥浆 必须具有低水化热和低温强度发展快的特点，为此，工业界开发了低水化热早强水泥。在固 井施工时，低水化热早强水泥浆在压力下经过高渗透地层时将发生"渗滤"，引起水泥浆失 水，导致水泥浆的流动度变差，危及施工安全；此外，水泥浆滤液还会对储层形成不同程度 的伤害。因此，通常在固井作业时需要使用降失水剂。
[0003] 本申请所述的低水化热早强水泥（按照美国石油协会（API)标准：7d水化热为 244. 33J/g，同条件下API G级水泥7d水化热为399. 26J/g)是一种非硅酸盐基的特种胶凝 材料，其组成为：早强水泥40%、火山灰质材料60%。其中，早强水泥的矿物含量为：Si0 2 7%，A1203 41%，Fe203 3%，Ca0 36%，S03 13%;火山灰质材料矿物含量为：Si02 42%， A1203 23 %，Fe203 15 %，MgO 0· 9 %，CaO 2· 8 %，其它 K、Na、S 氧化物及杂质约为 16. 3 %。 常见的适用于硅酸盐水泥的降失水剂在较低温度下（20°C )不能很好地控制上述水泥浆的 失水。如含有常见的油井用降失水剂羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酰胺/2-丙 烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酸三元共聚物、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 /丙烯酸/马来酸酐四元共聚物水泥浆的失水量均超过l〇〇〇ml/30min。而在固井作业中， 一般要求水泥浆的失水量不超过250ml/30min，特殊情况下（如尾管固井），要求水泥浆的 失水量不超过50ml/30min。
[0004] 在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有技术 中的水泥降失水剂不能使低水化热早强水泥在20°c下的失水量达到50ml/30min以下。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可以使低水化热早强水泥在20°C下的 失水量达到50ml/30min以下的降失水剂。
[0006] 具体而言，包括以下技术方案：
[0007] 本发明提供一种油气井固井用低水化热早强水泥降失水剂，所述降失水剂为：所 述降失水剂为：以丙烯酰胺、2_丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、（甲基）丙烯酰氧乙基 三甲基氯化铵以及烯丙基聚氧乙烯醚为单体的共聚物；
[0008] 所述烯丙基聚氧乙烯醚的分子结构如下：
[0009] CH2 = CHCH20(CH2CH20)nH〇
[0010] 优选地，所述烯丙基聚氧乙烯醚分子结构中的η的值为6、12、18。
[0011] 优选地，所述烯丙基聚氧乙烯醚分子结构中的η的值为18。
[0012] 进一步地，在所述降失水剂中，丙烯酰胺的重量比例为30-40份，2-丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸的重量比例为30-50份，丙烯酸的重量比例为2-8份，（甲基）丙烯酰氧 乙基三甲基氯化铵的重量比例为5-15份，烯丙基聚氧乙烯醚的重量比例为3-10份。
[0013] 进一步地，在所述降失水剂中，丙烯酰胺的重量比例为35-40份，2-丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸的重量比例为35-45份，丙烯酸的重量比例为5-8份，（甲基）丙烯酰氧 乙基三甲基氯化铵的重量比例为10-15份，烯丙基聚氧乙烯醚的重量比例为6-10份。
[0014] 进一步地，所述降失水剂的数均分子量为80000-120000。
[0015] 进一步地，所述降失水剂的数均分子量为90000-110000。
[0016] 上述的降失水剂由以下方法制备得到：
[0017] 步骤（1)，将重量比例为30-40份的丙烯酰胺，重量比例为30-50份的2-丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸的，重量比例为2-8份的丙烯酸，重量比例为5-15份的（甲基）丙烯酰 氧乙基三甲基氯化铵以及重量比例为3-10份的烯丙基聚氧乙烯醚溶于去离子水中，单体 完全溶解后加入氢氧化钠固体，将溶液pH值调节为6. 5-7. 5 ;所述烯丙基聚氧乙烯醚的分 子结构为：CH2 = CHCH20(CH2CH20)nH，其中 η 的值为 6、12、18 ;
[0018] 步骤（2)，将步骤（1)所得溶液加入到反应容器中，在氮气保护下升温至75°C后， 加入过硫酸铵溶液引发聚合反应；
[0019] 步骤（3)，将反应体系温度升至85°C反应2. 5-3. 5h后，得到所述降失水剂的溶液， 经过冷却、干燥、粉碎后得到所述降失水剂的粉剂。
[0020] 优选地，所述烯丙基聚氧乙烯醚分子结构中的η的值为18。
[0021] 具体地，所述丙烯酰胺的重量比例为35-40份，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺 酸的重量比例为35-45份，所述丙烯酸的重量比例为5-8份，所述（甲基）丙烯酰氧乙基三 甲基氯化铵的重量比例为10-15份，所述烯丙基聚氧乙烯醚的重量比例为6-10份。
[0022] 具体地，所述制备方法中所述过硫酸铵的重量比例为0. 5-1. 5份。
[0023] 具体地，所述降失水剂制备过程中搅拌速度为140-160转/分。
[0024] 本发明的技术方案的有益效果是：本发明对传统2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 共聚物油气井固井用水泥降失水剂的成分进行改进，在共聚物组成中添加了（甲基）丙烯 酰氧乙基三甲基氯化铵以及烯丙基聚氧乙烯醚，其中（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵 为阳离子单体，因此最终所得共聚物为阳离子聚合物，阳离子可以更好的吸附在低水化热 早强水泥颗粒上，进而减少水泥在固化过程中的失水量。当烯丙基聚氧乙烯醚分子结构 中的η的值为6和12时，所得降失水剂可以使低水化热早强水泥在20°C下的失水量达到 250ml/30min以下；当烯丙基聚氧乙烯醚分子结构中的η的值为18时，所得降失水剂可以 使低水化热早强水泥在20°C下的失水量达到50ml/30min以下。
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细 描述。
[0026] 本发明提供一种油气井固井用低水化热早强水泥降失水剂，该降失水剂是以丙 烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵 以及烯丙基聚氧乙烯醚为单体的共聚物，所述烯丙基聚氧乙烯醚的分子结构为：CH 2 = CHCH20 (CH2CH20) nH〇
[0027] 低水化热早强水泥是一种特种水泥，其成分与使用环境和普通水泥相比有差别， 因此普通的水泥降失水剂，例如羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酰胺/2-丙烯酰 胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酸三元共聚物、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙 烯酸/马来酸酐四元共聚物等，不能满足低水化热早强水泥在使用过程中对失水量的要 求。目前，对于降失水剂的作用机理还没有明确的解释，一般机理认为：降失水剂分子吸附 在水泥颗粒上，改善水泥浆的颗粒级配，在压差下容易形成致密的滤饼，减少失水量；同时， 降失水剂需要一定的分子量，增大水泥浆的粘度，从而增大渗流阻力，减小水泥浆向地层的 滤失量，从而到降失水的作用。因此，提高降失水剂分子在水泥颗粒上的吸附能力和具有一 定的分子量可以提高降失水效果。根据低水化热早强水泥的成分，发明人对传统丙烯酰胺 /2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酸共聚物降失水剂的成分进行改进，在共聚物组成中 添加了（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵以及烯丙基聚氧乙烯醚。（甲基）丙烯酰氧乙 基三甲基氯化铵为阳离子单体，因此所得共聚物为阳离子聚合物，阳离子基团与低水化热 早强水泥中的某些组分发生相互作用，从而使降失水剂分子在水泥颗粒上产生较强的吸附 作用。烯丙基聚氧乙烯醚也可以提高降失水剂分子的吸附能力，与降失水剂分子中其他组 分共同作用，有效减少低水化热早强水泥在固化过程中的失水量。此外，需要降失水剂具有 一定分子量，分子量过低，则水泥浆控制失水能力较差，而分子量过高，则导致水泥浆的流 变性差，不利于施工。
[0028] 在上述降失水剂中，当烯丙基聚氧乙烯醚分子结构中的η的值为6和12时，所得 降失水剂可以使低水化热早强水泥在20°C下的失水量达到250ml/30min以下，满足一般情 况下的固井要求。当烯丙基聚氧乙烯醚分子结构中的η的值为18时，由于其吸附能力比η 为6和12时更强，因此所得降失水剂的性能更好，可以使低水化热早强水泥在20°C下的失 水量达到50ml/30min以下，满足尾管固井等特殊情况下的固井要求。
[0029] 在上述降失水剂中，丙烯酰胺的重量比例为30-40份，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙 磺酸的重量比例为30-