三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途
【專利摘要】提出了包含5-95mol％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸，5-95mol％的N,N-二甲基丙烯酰胺以及5-12mol％的丙烯酸的三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途。丙烯酸作為固井中的降失水劑。
【專利說(shuō)明】三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途
[0001]本發(fā)明涉及2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸、丙烯酸和N，N- 二甲基丙烯酰胺的三元共聚物作為固井(well cementing)中的降失水劑(fluid loss additive)的用途。
[0002]在建筑化學(xué)領(lǐng)域，多種共聚物通常用作保水助劑，其也稱作“降失水劑”。本文中用途的特定領(lǐng)域?yàn)樵诘叵碌V物油和天然氣儲(chǔ)藏的開(kāi)發(fā)、開(kāi)采和完井中以及深井中的固井。
[0003]保水助劑或降失水劑具有降低水由水泥漿中釋放的功能。這在礦物油和天然氣勘探領(lǐng)域中尤其重要，原因在于主要由水泥和水組成的水泥漿在固井過(guò)程中通過(guò)套管和井壁之間的環(huán)形空間泵送。在這一過(guò)程中，大量的水可以從水泥漿釋放到地下巖層中。在固井過(guò)程中，當(dāng)水泥漿流經(jīng)多孔巖石地層時(shí)尤其如此。然后，源自水泥漿的堿性水可以引起地層中粘土膨脹，并與來(lái)自天然氣或礦物油中的二氧化碳形成碳酸鈣沉積物。這些效應(yīng)降低了沉積物的滲透性，因此對(duì)生產(chǎn)速率也有不利的影響。
[0004]此外，由于水釋放至多孔的地下巖層，水泥漿不再均勻固化，其結(jié)果是可透過(guò)氣體、液態(tài)烴和水。這隨后可導(dǎo)致化石能源載體通過(guò)填充有多孔水泥的環(huán)狀空間逸出。
[0005]因此，長(zhǎng)期以來(lái)，已致力于將所使用的水泥漿中的水損失降低至可容忍的最小值。
[0006]例如，EP O 116 671 Al記載了用于深井的水泥衆(zhòng)，其中據(jù)記載共聚物的含量可降低水損失。所使用的共聚物的重要的組份由丙烯酰胺且特別是2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS?)形成。根據(jù)該文獻(xiàn)，水泥漿應(yīng)包含0.1至3重量％的合適的共聚物。
[0007]EP I 375 818 Al也討論了固井及適合于固井的組合物。在該情況下，為控制失水量，使用聚合物添加劑，其除了包含AMPS?以外還包含額外的馬來(lái)酸、N-乙烯基己內(nèi)酰胺和4-羥基丁基乙烯基醚。
[0008]US 4，015，991的共聚物同樣基于AMPS?:和部分水解的丙烯酰胺。據(jù)記載該發(fā)明中描述的共聚物同樣可改善水泥基復(fù)合材料中的保水能力(water retent1ncapacity)。所提及使用的主要領(lǐng)域是固井。
[0009]在US 4，515，635中，還記載了 2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸和N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)的共聚物用作固井中的降失水劑的用途。相似的共聚物還可見(jiàn)于US4，555，269 中。
[0010]US 6, 395,853 BI的水溶性共聚物尤其包含丙烯酰胺和AMPS?。該文獻(xiàn)的前面記載的內(nèi)容為用于降低用來(lái)獲得礦物油的漿料中水損失的方法。關(guān)于此，特別提及固井和完井，以及特別提及實(shí)施這些方法步驟的井漿料。
[0011]US 4，700, 780的中間部分記載了用于降低水泥基復(fù)合材料中的水損失的方法，所述水泥基復(fù)合材料還包含特定的鹽濃度。該保水助劑仍是AMPS?訥聚合物或聚合物鹽，在這種情況下，還應(yīng)存在苯乙烯和丙烯酸單元。
[0012]2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸、丙烯酸和N，N-二甲基丙烯酰胺的三元共聚物也構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的一部分。例如，US 4，554，081討論了這些三元共聚物及其在石油和天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域中在具有高密度的完井液、鉆井泥漿和修井液中作為降失水劑的用途，所述三元共聚物優(yōu)選由16.8mol%AMPS?、73.2mol% DMAA和1mol %丙烯酸組成。
[0013]此外，Plank等(J.Appl.Polym.Sc1.106，3889-3894，2007-D01:10.1002/app.26897)描述了具有低比例丙烯酸(約I重量％或約3.6mol% )的三元共聚物。在該出版物中，比較了 AMPS?和DMAA的共聚物與所述三元共聚物在固井中作為降失水劑的效果。發(fā)現(xiàn)所述共聚物的效果與具有低比例丙烯酸的三元共聚物的效果沒(méi)有差別。
[0014]這些已知的共聚物和三元共聚物各自具有不同性能特點(diǎn)，即具有特定優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。多數(shù)這些離子聚合物的固有的共同缺點(diǎn)在于，在高鹽濃度存在下(在海水中通常發(fā)生這種情況)其保水作用下降，而海水通常用于制備海上油井和氣井中的水泥漿。對(duì)于二價(jià)陽(yáng)離子如Mg2+和Ca2+的鹽尤其如此。
[0015]因此，長(zhǎng)期以來(lái)，已經(jīng)致力于提供保水容量穩(wěn)定的新的分子或聚合物，尤其是提供在高鹽濃度下、特別是在油氣開(kāi)采領(lǐng)域和深井中保水容量穩(wěn)定的新的分子或聚合物。
[0016]該目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求中的特征實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求涉及優(yōu)選的實(shí)施方案。
[0017]現(xiàn)出人意料地發(fā)現(xiàn)，具有約5至12m0l%丙烯酸含量的2_丙烯酰胺_2_甲基丙烷磺酸、N，N- 二甲基丙烯酰胺和丙烯酸的三元共聚物就作為固井中的降失水劑的效果而言具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
[0018]本發(fā)明提供一種三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途，所述三元共聚物包含5-95mol %的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸，5_95mol %的N，N- 二甲基丙烯酰胺以及5-12mol %的丙烯酸。
[0019]所述三元共聚物優(yōu)選包含8-12m0l%且更優(yōu)選包含1-1lmol %的丙烯酸。
[0020]盡管2-丙烯酰胺- 2-甲基丙烷磺酸與N，N- 二甲基丙烯酰胺的摩爾比不特別關(guān)鍵，但本發(fā)明的上下文中優(yōu)選2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸與N，N- 二甲基丙烯酰胺的摩爾比在50:50至80:20之間，特別是在60:40至70:30之間。
[0021]本發(fā)明的三元共聚物可適合地通過(guò)上述共聚單體的自由基共聚而制備。由于所述共聚單體的離子特性和親水特性，共聚可適合地在水溶液中進(jìn)行。2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸與丙烯酸可以完全或部分地以堿金屬鹽、堿土金屬鹽或其混合物的形式存在，特別是以Na鹽、K鹽、Mg鹽和/或Ca鹽的形式存在。這些鹽可直接用于共聚。這些鹽還可以僅在所形成的三元共聚物的后續(xù)中和中形成。用于將所述鹽引入三元共聚物中的這兩種路徑可彼此單獨(dú)地采用或彼此結(jié)合地采用。
[0022]本發(fā)明的三元共聚物的分子量?jī)?yōu)選在500 000至4 000 000g/mol的范圍內(nèi)且特別是在I 000 000至2 000 000g/mol的范圍內(nèi)。
[0023]在礦物油和天然氣開(kāi)采領(lǐng)域以及在深井中，如在開(kāi)篇已提及的，用于固井的主要由水泥和水組成的水泥漿通過(guò)套管和井壁之間的環(huán)形空間泵送。目前，為實(shí)現(xiàn)這一目的，仍通常使用娃酸鹽水泥(Portland cement)。因此,本發(fā)明的用途選優(yōu)地特征在于,所述三元共聚物用作包含硅酸鹽水泥的水泥漿中的降失水劑。
[0024]由于本發(fā)明的三元共聚物的高耐鹽性,這些三元共聚物可有利地用作包含海水或由海水制備的水泥漿中的降失水劑。
[0025]在礦物油生產(chǎn)領(lǐng)域中，通常使用所謂的增重液(weighting fluid),這些通常由濃縮的堿金屬和/或堿土金屬的鹽的水溶液構(gòu)成。因此，在固井過(guò)程中，可至少部分地混合增重液和水泥漿。由于發(fā)明三元共聚物的高耐鹽性，即使在這種水泥漿中，其作用也不會(huì)消失。
[0026]總之，可表明，本發(fā)明的三元共聚物適合且有利地在地下礦物油和天然氣礦藏的開(kāi)發(fā)、開(kāi)采和完井中以及深井中的固井中用作降失水劑，而且，鑒于現(xiàn)有技術(shù)，出人意料的是，本發(fā)明的三元共聚物尤其對(duì)于高鹽濃度的耐受性是顯著的。
[0027]現(xiàn)通過(guò)以下實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]在攪拌下，將2200g自來(lái)水和158g20% NaOH初始進(jìn)料至帶有鋼攪拌器的玻璃反應(yīng)器中。隨后，邊冷卻邊加入135g AMPS?，使溫度不超過(guò)30°C。此后，混入95g DMAA和
13.5g丙烯酸(相當(dāng)于約10.6mol % )并在10ml自來(lái)水中洗漆。在下一步中，使用NaOH或AMPS?調(diào)節(jié)pH至7.6。在一小時(shí)之內(nèi)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將反應(yīng)混合物加熱至62°C。一達(dá)到恒定溫度，通過(guò)加入溶解在約1ml H2O中的0.65g四亞乙基五胺(TEPA)和5g Na2S2O8引發(fā)聚合反應(yīng)。觀察到放熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中溫度升至70-74°C。反應(yīng)已開(kāi)始之后，在沒(méi)有任何其他外部加熱下攪拌混合物I小時(shí)。終產(chǎn)物為淺黃色、粘稠溶液，PH為7-7.5，固體含量為 10-12 重量％且 fcookfield 粘度為 6000mPa*s。
[0030]實(shí)施例2:
[0031]根據(jù)API推薦的方法10B，在190° F(88°C )下測(cè)定實(shí)施例1的三元共聚物在以下加入或不加入鹽的水泥漿中的液體損失(“LL”)和流變性，并與市售的AMPS?/DMAA共聚物(購(gòu)自 BASF Construct1n Polymers GmbH 的 Polytrol? FL34)比較:
[0032]800g G 類水泥(購(gòu)自 Dyckerhoff)
[0033]352g 水
[0034]0.6bwoc %的降失水劑
[0035]1.0g消泡劑(三異丁基磷酸酯)
[0036]在表1和2中列出結(jié)果，表1涉及Polytrol? FL34，表2涉及實(shí)施例1的三元共聚物。鹽的量以克和重量百分比(基于水含量計(jì))記錄；“bwoc”意指基于水泥計(jì)的重量百分比。
[0037]表1 ( Polytrol? FL34):
[0038]
【權(quán)利要求】
1.三元共聚物作為固井中的降失水劑的用途，所述三元共聚物包含: 5-95mol %的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸， 5-95mol %的N，N- 二甲基丙烯酰胺以及 5-12mol %的丙烯酸。
2.權(quán)利要求1的用途，其特征在于，所述三元共聚物包含8-12m0l%的丙烯酸且優(yōu)選包含1-1lmol%的丙烯酸。
3.權(quán)利要求1或2的用途，其特征在于，2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸與N，N-二甲基丙烯酰胺的摩爾比在50:50至80:20之間，優(yōu)選在60:40至70:30之間。
4.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的用途，其特征在于，2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸和丙烯酸完全地或部分地以堿金屬鹽、堿土金屬鹽或其混合物的形式存在，特別是以Na鹽、K鹽、Mg鹽和/或Ca鹽的形式存在。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的用途，其特征在于，所述三元共聚物的分子量在500000至4 000 000g/mol的范圍內(nèi)且特別是在I 000 000至2000 000g/mol的范圍內(nèi)。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的用途，其特征在于，所述三元共聚物用作包含硅酸鹽水泥的水泥漿中的降失水劑。
7.權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的用途，其特征在于，所述三元共聚物用作包含海水的水泥漿中的降失水劑。
8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的用途，其特征在于，所述三元共聚物用作地下礦物油和天然氣礦藏的開(kāi)發(fā)、開(kāi)采和完井中以及深井中的固井中的降失水劑。
【文檔編號(hào)】C09K8/12GK104136571SQ201380009095
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月13日
【發(fā)明者】R·賴歇貝奇-克林科, M·沃爾法特 申請(qǐng)人:巴斯夫歐洲公司