专利名称：干粉速溶型水泥降失水剂的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种石油钻井固井用降失水剂的制备方法，属于干粉速溶型水泥降失水剂的制备方法。
背景技术：
目前国内各油田应用的降失水剂多为高分子聚合物，使用方式有干混和湿混之分，干混使用的降失水剂为固体粉末，常温下很难溶于水，必须有干混设备，混配工艺较复杂；湿混使用的降失水剂多为液体，加量大，不利于长途运输，同时冬季保温问题也比较突出。目前国内外能够湿混使用的固体降失水剂很少，且混拌功率要求较高，溶解时间长。为了满足外围油田勘探、开发的需要，有必要开发一种降失水剂，既混配工艺简单，方便运输，又有利于储存。
在国内各油田应用干粉湿混型降失水剂不多，尤其是干粉速溶型降失水剂更少，有些固体降失水剂虽然能湿混在水中，但降失水剂实质上是以颗粒形式悬浮于水中或沉在容器底部，并非真正溶解，溶胀时间长，且稳定性差，影响水泥浆性能的均匀性，不可能以湿混的方式进行施工。有些产品如WT103虽然能够溶解于水中形成溶液，但溶液粘度高，稳定性差，配浆存在困难。
国外(如哈里伯顿、菲利蒲斯)对干粉速溶型降失水剂开发研究也不多，且在应用工艺中存在问题，如哈里伯顿的HALAD9(干粉)虽然能够湿混，但对混拌条件要求苛刻，需泵车或其他大功率混拌设施辅助，且需要较长的搅拌时间，现场应用有一定的难度。
发明内容
为了解决外围井使用干混型降失水剂时必须有干混设备，混配工艺较复杂，以及湿混使用的降失水剂为液体，加量大，不利于长途运输，同时冬季保温问题也比较突出的问题，本发明提供一种干粉速溶型水泥降失水剂的制备方法，该降失水剂具有使水泥浆速凝、低失水、过渡时间短，防止和控制水、气窜的发生，提高油水井的一次封固质量的特点。
本发明是这样实现的首先将丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、乙烯基吡咯烷酮在45-70℃温度下按质量比为60-85∶5-20∶10-25的比例溶于水中进行水溶液聚合，同时分别加入总单体质量的0.75-1.2％的过硫酸钾及0-18％的尿素，反应三小时，待反应完毕后，真空干燥。
上述所说的首先将丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、乙烯基吡咯烷酮在55℃温度下按质量比为70∶5∶25的比例溶于水中进行水溶液聚合，同时分别加入单体总质量的1％的过硫酸钾及10％的尿素，反应三小时，待反应完毕后，真空干燥。
本发明所述的干粉速溶型降失水剂由三种单体共聚而成，此降失水剂为固体粉末，既可干混又可湿混。
作用机理酰胺类单体可以有效控制失水，但酰胺基在水泥浆碱性环境及一定温度条件下不稳定，易水解为羧基。酰胺基与羧基虽有较好的亲水性，但对水泥颗粒有强烈的吸附作用，常常带来超缓凝和闪凝等不利后果，即使在较低掺量下，施工时也下灰困难。乙烯基吡咯烷酮水溶性好、结构稳定，但本身成本高、降失水效果不太理想，但通过与其他单体共聚可以有效降低成本并改善聚合物的滤失性、耐温、抗盐、抗剪切性能。而通过本实验合成的三元共聚物由于在大分子侧链上引入磺酸基(-SO3)及链刚性结构的吡咯烷酮基，提高了聚合物的耐盐性及热稳定性，无明显后缓凝现象，且使其水溶性增强。另外，对于此三元共聚物而言，各单体侧链基团较大，空间位阻的因数使聚合物倾向于形成直链型结构，该结构能完全地生成氢键，使水分子很快地进入全部聚合结构中，也有利于提高其水溶性。
本发明所研制的丙烯酰胺-乙烯吡咯烷酮-丙烯磺酸钠共聚物属于高分子聚合物(平均分子量35-45万)，由于其含有大量的-CONH2、-CH-SO3-、-COOH等基团，-CH-SO3-、-COOH基有较强的水化及吸附作用，-CONH2则主要通过氢键吸附大量水。由于大分子在水泥颗粒表面吸附作用，使其能在水泥颗粒表面形成较厚的吸附膜，可以将自由水包裹起来，同时大分子间相互作用形成布满水泥浆本系的网状结构就避免了水泥颗粒的接触，防止水泥颗粒聚结，改变了其级配并形成致密泥饼，从而圈闭自由水，表现很好的降失水效果，而水泥颗粒上的水化基团的水化层在压力差作用下变形堵塞滤饼颗粒之间的孔道，降低了水泥饼的渗透率，从而降低失水。聚合物的粘度对控制失水也起到一定的辅助作用。
实验证明该方法生产的干粉速溶型水泥降失水剂的特点是1、降失水剂水溶性好。2、降失水剂混配工艺简单，既方便运输，又有利于储存。3、水泥浆体系性能可靠，低失水，较高的抗压强度和较高的抗污染能力，有利于保护油气层，能够满足现场施工及固井质量的要求。
具体实施例方式以下结合实施例做详述，但不作为对本发明的限定。
本发明所述的干粉速溶型水泥降失水剂的制备是首先将丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、乙烯基吡咯烷酮在45-70℃温度下按质量比为60-85∶5-20∶10-25的比例溶于水中进行水溶液聚合，同时分别加入总单体质量的0.75-1.2％的过硫酸钾及0-18％的尿素，反应约三小时，待反应完毕后，真空干燥，其中，过硫酸钾作为引发剂，加入量占三种原料单体总质量的0.75-1.2％；尿素作为链转移剂，加入量占三种原料单体总质量的0-18％。
(一)反应温度的影响聚合温度对产物的降失水性能有着较为明显的影响，在丙烯酰胺∶丙烯磺酸钠∶乙烯基吡咯烷酮＝70∶10∶20；引发剂用量为单体总质量的1％，链转移剂用量为单体总质量的10％条件下，考查温度对其降失水效果的影响。试验结果如下表1表1 温度影响
注水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.90g/cm3，降失剂占整个纯水泥质量的1.1％。
上述实验表明，温度控制在45-70℃时均能达到设计要求，但合成温度过低或高，对于聚合反应不利，温度较低，聚合反应在较短时间内难以完成，并造成单体引发不完全；温度太高，不利于引发剂的引发。试验进一步证明在55℃进行聚合较为适宜。
(二)单体配比对产物性能的影响改变投料配比就可以得到不同的反应产物，在反应温度为55℃，引发剂用量为单体重量的1％，链转移剂用量为单体重量的10％条件下通过水泥浆性能测定来获得最佳投料比。试验结果见表2。
表2 投料配比对水泥浆性能的影响
注A为丙烯酰胺，B为丙烯磺酸钠，C为乙烯基吡咯烷酮，水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52℃、7.0MPa，水泥浆密度1.90g/cm3，降失剂占整个纯水泥质量的1.1％。
由表2数据可以看出不同配比的产品其对水泥浆性能的影响是不同的，上述配比均能达到设计要求，但从综合各方面的性能得以确定，A∶B∶C＝70∶5∶25为最佳配比。
(三)引发剂及链转移剂用量对降失水性能的影响引发剂及链转移剂的用量对产物的组成、分子量大小及分布有直接影响，从而影响产物的滤失、稠度等性能。在反应温度55℃，A∶B∶C＝70∶5∶25，降失水剂掺量占纯水泥质量1.1％，反应时间为3h的条件下，考察这一因素对降失水性能的影响。试验结果见表3。
表3 引发剂及链转移剂用量对降失水性能的影响
注A为丙烯酰胺，B为丙烯磺酸钠，C为乙烯基吡咯烷酮，水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52℃、7.0Mpa，水泥浆密度1.90g/cm3。
试验结果表明引发剂与调节剂用量在较宽的范围内都能够满足其对失水效果的要求，但其用量对初始稠度影响较显著，综合考虑各方面因素得以确定引发剂与链转移剂用量之比＝1∶8-1∶10效果较理想，其最佳比为1∶10。
(四)降失水剂性能测试(1)降失水剂用量对失水量和流动度的影响降失水剂掺量对API失水量和流动度的影响结果如表4所示表4 降失水剂用量对失水量和流动度的影响
注水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52℃、7.0MPa，水泥浆密度1.90g/cm3。
从上表数据可得出降失水剂加量在占纯水泥1.0-1.5％(质量百分比)之间，均能有效控制失水，且水泥浆综合性能优良，加量在1.2％以上可使API失水＜50ml，用量与失水量具有良好的线性关系，随着加量的增加，失水量降低，但是水泥浆流动度进一步下降，考虑流动性和现场施工DSJ最佳加量在1.0-1.3％之间较为理想。干粉速溶型水泥降失水剂体系水泥浆的性能见下表5。
表5 降失水剂体系水泥浆性能
注试验采用嘉华G级油井水泥，W/C＝0.44，降失水剂加量1.1％(占纯水泥质量)。
(2)降失水剂的加入温度对失水量的影响温度对水泥浆失水量的影响结果如表6所示表6 温度对水泥浆失水量的影响
注水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.90g/cm3，降失水剂用量1.1％(占纯水泥质量)。
从上表数据可看出随温度的升高，水泥浆失水量有所增加，但趋势不明显，表明该降失水性剂有良好的热稳定性。
该产品经过室内试验和地面模拟试验基础上，在海拉尔盆地贝尔湖坳陷乌尔逊凹陷乌西断阶带乌23井，贝尔湖坳陷乌尔逊凹陷苏仁诺尔构造带苏33井，贝尔湖坳陷乌尔逊凹陷乌北次洼带苏35井，扎赉诺尔坳陷巴彦呼凹陷尧道必构造群楚2井进行了四口井现场试验。该四口井均为长封井固井，为了防止压漏地层，乌23井、苏33井、苏35井采用上部低密度，下部原浆的固井方案，楚2井采用全井低密度的固井方案。取现场水配浆，进行水泥浆常规性能试验，水泥浆常规性能见表7。
表7 水泥浆常规性能表
注水泥浆密度1.90g/cm3的水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.60g/cm3的水泥为四川嘉化高强低密度水泥，降失水剂(DSJ)用量为占纯水泥的质量百分比。
从室内试验数据看出，水泥浆的各项性能指标，能够满足低失水，较高的抗压强度和较高的抗污染能力且低密度具有较好的沉降稳定性的要求。现场施工基础数据见表8。
表8 现场施工数据统计表
由现场应用情况说明(1)该降失水剂体系具有较低的失水、较高的抗压强度，稠化时间可调。
(2)固井现场施工情况下灰顺利，可泵性好，密度控制较均匀，达到了设计要求，替压比计算值低，主要是DSJ可以降低摩擦阻力，从而降低了顶替压力，防止井漏的发生，保证了固井质量。
(3)该降失水剂水溶性好，现场混配简单，可用于海拉尔等外围的开发井和探评价井，又可应用于油田内部的调整井、开发井、探井、特殊井等，能够满足长期发展的需要。
通过上述各项实验数据表明该方法生产的干粉速溶型水泥降失水剂的特点是1、降失水剂水溶性好。2、降失水剂混配工艺简单，既方便运输，又有利于储存。3、水泥浆体系性能可靠，低失水，较高的抗压强度和较高的抗污染能力，有利于保护油气层，能够满足现场施工及固井质量的要求。
权利要求
1.一种干粉速溶型水泥降失水剂的制备方法，其特征在于首先将丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、乙烯基吡咯烷酮在45-70℃温度下按质量比为60-85∶5-20∶10-25的比例溶于水中进行水溶液聚合，同时分别加入总单体质量的0.75-1.2％的过硫酸钾及0-18％的尿素，反应三小时，待反应完毕后，真空干燥。
2.根据权利要求1所述的一种干粉速溶型水泥降失水剂的制备方法，其特征在于首先将丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、乙烯基吡咯烷酮在55℃温度下按质量比为70∶5∶25的比例溶于水中进行水溶液聚合，同时加入单体总质量的1％的过硫酸钾及单体总质量的10％的尿素，反应三小时，待反应完毕后，真空干燥。
全文摘要
本发明涉及一种干粉速溶型水泥降失水剂的制备方法。其特征在于首先将丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、乙烯基吡咯烷酮在45－70℃温度下按质量比为60－85∶5－20∶10－25的比例溶于水中进行水溶液聚合，同时加入过硫酸钾及尿素，反应三小时，待反应完毕后，真空干燥。本发明制备方法简便，工艺合理，制备出的降失水剂具有使水泥浆速凝、低失水、过渡时间短，防止和控制水、气窜的发生，提高油水井的一次封固质量的特点。
文档编号C09K8/487GK101029221SQ20071008926
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月18日 优先权日2007年3月18日
发明者肖海东, 杨智光, 和传健, 徐 明, 弓玉杰, 李世梅, 李晓琦 申请人:大庆石油管理局