專利名稱：一種改性磷鋁酸鹽水泥緩凝劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油田固井改性磷鋁酸鹽水泥木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑，屬于油田化學(xué)及油氣井固井領(lǐng)域。采用該方法制備的緩凝劑用于石油、天然氣固井作業(yè)中延長改性磷鋁酸鹽水泥漿稠化時間。
背景技術(shù)：
油氣井固井使用的水泥多為硅酸鹽水泥體系。近年來，固井硅酸鹽水泥石的CO2腐蝕問題倍受關(guān)注。井下高溫、高壓和潮濕環(huán)境下，高濃度的CO2在短時間內(nèi)就會對硅酸鹽水泥石產(chǎn)生嚴重腐蝕，導(dǎo)致油氣采收率降低、CO2埋存失敗等嚴重后果。可見，硅酸鹽水泥石已不能滿足含高濃度CO2地層中的油氣井長期封固的要求。
往磷鋁酸鹽水泥中摻入一定量偏磷酸鹽制成的改性磷鋁酸鹽水泥具有早強、高強的特點，具有很強的耐CO2腐蝕特性，可用于高含CO2井固井。大量的可溶性磷酸鹽的加入加速了磷灰石的形成，改性磷鋁酸鹽水泥在75°c、常壓下的稠化時間僅為5min，且IOmin時就會硬化。
合理的稠化時間 是確保注水泥作業(yè)成功的關(guān)鍵。適當?shù)某砘瘯r間可以保證水泥漿在泵送頂替過程中一直保持液體可泵狀態(tài)，避免水泥漿在泵送過程中發(fā)生橋堵，保證固井施工的安全。經(jīng)室內(nèi)試驗研究，木質(zhì)素磺酸鈉對改性磷鋁酸鹽水泥具有明顯的緩凝作用，但結(jié)構(gòu)上的天然差異會造成木質(zhì)素磺酸鈉作為緩凝劑使用的性能不穩(wěn)定。有理論指出，采用不飽和單體接枝木質(zhì)素磺酸鹽而得到的接枝聚合物可改善木質(zhì)素磺酸鹽的分子量分布，擴大了應(yīng)用范圍。因此，適用于改性磷鋁酸鹽水泥的木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑的研制成為該水泥能夠用于油氣井固井工程的關(guān)鍵。
木質(zhì)素磺酸鹽接枝反應(yīng)常用的不飽和單體主要有丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、苯乙烯、衣康酸以及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烯酸等。目前，木質(zhì)素磺酸鹽接枝聚合物分別作為減水劑、降濾失劑用于建筑水泥和油氣鉆井液中。
“AM/AMPS/木質(zhì)素磺酸接枝共聚物降濾失劑的合成與性能”(《精細石油化工進展》期刊)涉及一種木質(zhì)素磺酸接枝聚合物降濾失劑，但該降濾失劑適用于油氣鉆井液，共聚物接枝使用了丙烯酸不飽和單體，用于水泥漿中具有增稠的負面影響。
“木質(zhì)素降濾失劑和絮凝劑的合成及性能測試”(天津大學(xué)碩士學(xué)位論文)涉及一種木質(zhì)素絮凝劑，該絮凝劑使用丙烯酰胺與木質(zhì)素磺酸鈉接枝共聚，耐鹽效果良好，耐溫性能較差。
利用本發(fā)明的木質(zhì)素接枝聚合物緩凝劑配制的水泥漿，稠化時間在同一溫度下隨著緩凝劑摻量的增減而增減，稠化時間容易調(diào)節(jié)，稠化曲線規(guī)律，“直角效應(yīng)”良好，且對水泥漿失水、漿體穩(wěn)定性以及強度發(fā)展性能沒有影響，可以保證固井施工的安全和質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種油田固井用改性磷鋁酸鹽水泥木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑。該聚合物緩凝劑在延長水泥漿稠化時間的同時還可以改善水泥漿的流變特性，與降失水劑等外加劑配伍，具有良好的相容性，對水泥漿綜合性能沒有影響。
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑及制備方法:a)配制原料水溶液，所述原料水溶液包括木質(zhì)素磺酸鈉(SL)和兩種不飽和單體:2_丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和衣康酸(IA)，兩種單體的重量份數(shù)為:2_丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS) 70份 99份，衣康酸(IA) I份 30份，將兩種單體溶于去離子水中；木質(zhì)素磺酸鈉(SL)的重量份數(shù)為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)與衣康酸(IA)重量份數(shù)的總和；
b)將溶液加入到反應(yīng)容器中，將反應(yīng)容器放入65°C的恒溫水浴中，用攪拌器恒速攪拌，并向反應(yīng)容器中通入氮氣排除氧氣，待反應(yīng)容器內(nèi)水溶液的溫度達到65°C以后，加入占單體質(zhì)量總和0.5% 1.5%的過硫酸鉀用以引發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)時間為3.5小時，制成木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物溶液，經(jīng)干燥、粉碎得到木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑。
反應(yīng)單體的總濃度影響聚合反應(yīng)速率和產(chǎn)物緩凝性能。單體總濃度過大，易發(fā)生暴聚或產(chǎn)物粘度過大；反之，單體總濃度過小則易造成反應(yīng)速率過低，產(chǎn)品有效濃度降低。因此本發(fā)明優(yōu)選的單體重量總和占去離子水重量的28% 33%。
所述的木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑合成方法采用水溶液聚合法。一個典型的聚合方法為:將不飽和單體及木質(zhì)素磺酸鹽溶解在去離子水中，將溶液加入到三口燒瓶中，將三口燒瓶放入50°C 75°C的恒溫水浴中，向三口燒瓶中通入氮氣排除氧氣，待三口燒瓶內(nèi)水溶液的溫度達到設(shè)定溫度后，加入占單體質(zhì)量總和0.5% 1.5%的過硫酸鉀用以引發(fā)反應(yīng)，使反應(yīng)持續(xù)3.5小時，制成接枝聚合物溶液，經(jīng)干燥、粉碎制成粉劑，獲得接枝聚合物緩凝劑。
本發(fā)明從以下三個方面解決了木質(zhì)素磺酸鈉作為改性磷鋁酸鹽水泥緩凝劑的不足。(I)通過在木質(zhì)素磺酸鈉分子中引入具有分散、緩凝作用的磺酸基團、羧酸基團，改善了分子量分布，避免了改性磷鋁酸鹽水泥漿因加入木質(zhì)素磺酸鈉而出現(xiàn)較強的觸變現(xiàn)象。(2)木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物加量為0.5% (以水泥灰分重量計)時，改性磷鋁酸鹽水泥漿稠化時間為286min, 2d水泥石抗壓強度為19.6MPa,解決了木質(zhì)素磺酸鈉對水泥石抗壓強度影響過大的問題。(3)解決了木質(zhì)素磺酸鈉不具“直角效應(yīng)”的問題，摻入0.5%木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物的改性磷鋁酸鹽水泥漿，30Bc IOOBc過渡時間為15min，“直角效應(yīng)”明顯。


圖1是木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合前后的紅外光譜圖對比，上圖為接枝后，下圖為接枝前；具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例1，說明接枝聚合物緩凝劑的制備方法
稱取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS) 98.7重量份，衣康酸(IA) 1.3重量份，木質(zhì)素磺酸鈉的重量份數(shù)等于AMPS與IA之和。溶于480重量份去離子水中，將溶液加入到三口燒瓶中，將三口燒瓶放入65 °C的恒溫水浴中，用攪拌器恒速攪拌，并向三口燒瓶中通入氮氣排除氧氣，待三口燒瓶內(nèi)水溶液的溫度達到65°C以后，加入質(zhì)量濃度為10%的過硫酸鉀溶液，其中含有I重量份的過硫酸鉀，引發(fā)聚合反應(yīng)，反應(yīng)時間為3.5小時，制成木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物溶液，經(jīng)干燥、粉碎得到木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑。代號為樣品I。如圖1所示為木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合前后的紅外光譜圖對比，3100CHT1的吸收峰為酰胺基團的-NH伸縮振動，2927CHT1特征峰為亞甲基對稱伸縮振動，2853CHT1特征峰為亞甲基反對稱伸縮振動，1648CHT1為酰胺基團的C = O伸縮振動，UHcnT1為酰胺基團的C-N伸縮振動，1157CHT1特征峰為C-S伸縮振動，1043CHT1為磺酸基團的S = O伸縮振動，873CHT1和772CHT1為苯環(huán)的C-H面外彎曲振動，630CHT1為磺酸基團的S-O伸縮振動。
實施例2，本發(fā)明接枝聚合物緩凝劑的緩凝性能評價
在改性磷鋁酸鹽水泥中加入一定質(zhì)量分數(shù)(以水泥質(zhì)量為基準)的接枝聚合物粉末樣品I。按標準GB10238-88制備水灰比為0.5的水泥漿，按中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T5546-92 “油井水泥應(yīng)用性能試驗方法”測定加入樣品I的改性磷鋁酸鹽水泥漿在指定溫度下的稠化時間。測試條件為常壓，750C。
表I不同樣品I加量下的改性磷鋁酸鹽水泥漿稠化時間
權(quán)利要求
1.一種改性磷鋁酸鹽水泥緩凝劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:a)配制原料水溶液，所述原料水溶液包括木質(zhì)素磺酸鈉(SL)和兩種不飽和單體:2_丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和衣康酸(IA)，兩種單體的重量份數(shù)為:2_丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS) 70份 99份，衣康酸(IA) I份 30份，將兩種單體溶于去離子水中；木質(zhì)素磺酸鈉(SL)的重量份數(shù)為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)與衣康酸(IA)重量份數(shù)的總和； b)將溶液加入到反應(yīng)容器中，將反應(yīng)容器放入65°C的恒溫水浴中，用攪拌器恒速攪拌，并向反應(yīng)容器中通入氮氣排除氧氣，待反應(yīng)容器內(nèi)水溶液的溫度達到65°C以后，加入占單體質(zhì)量總和0.5% 1.5%的過硫酸鉀用以引發(fā)反應(yīng)，反應(yīng)時間為3.5小時，制成木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物溶液，經(jīng)干燥、粉碎得到木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，兩種單體重量總和占去離子水重量的 28% 33%。
3.根據(jù)權(quán)利要求 1或2所述的制備方法得到的改性磷鋁酸鹽水泥緩凝劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改性磷鋁酸鹽水泥緩凝劑及制備方法，采用該方法制備的緩凝劑用于石油、天然氣固井作業(yè)中延長改性磷鋁酸鹽水泥漿稠化時間。采用該方法制備的緩凝劑是一種木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物，接枝單體為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)，被接枝組分為木質(zhì)素磺酸鈉(SL)，引發(fā)劑為過硫酸鉀溶液。本發(fā)明所提供的木質(zhì)素磺酸鈉接枝聚合物緩凝劑可大幅延長改性磷鋁酸鹽水泥漿的稠化時間，改善水泥漿流變性，與多種外加配伍，用此緩凝劑配制的水泥漿漿體穩(wěn)定，稠化過渡時間短，稠化時間可調(diào)，綜合性能良好。
文檔編號C09K8/467GK103184041SQ201310072028
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者步玉環(huán), 馬聰, 郭辛陽, 郭勝來, 柳華杰 申請人:中國石油大學(xué)(華東)