一種預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑及制備方法和包含它的水泥漿的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種油田固井水泥降失水劑及制備方法和包含它的水泥漿，屬于油田 化學及油氣井固井領域。采用該方法制備的預螯合降失水劑用于石油、天然氣井的一種固 井鋁酸鹽水泥基耐C02腐蝕水泥體系，可有效降低失水量。
【背景技術】
[0002] 油氣井鉆井完成后，需要下入套管并栗入水泥漿來封固套管與地層之間的環(huán)形空 間。正常條件下注水泥采用正循環(huán)的方法，即將水泥漿通過套管栗達井底、然后從環(huán)形空間 上返至設計的高度。由于地層條件復雜，井下環(huán)境惡劣，加之注水泥過程以及候凝過程中壓 穩(wěn)地層的要求，使得環(huán)空漿柱結構形成的靜液壓力稍大于地層壓力，在此壓差的作用下，水 泥漿中的自由水會從水泥漿中濾出，進入地層，通常將這種過程稱為水泥漿的失水。如果水 泥漿的失水得不到很好地控制，隨著水泥漿液相含量的降低，水泥漿的流動性變差，稠化時 間縮短，嚴重時導致水泥漿失去流動能力，變得不可栗送，造成嚴重的事故；大量的水泥漿 濾液進入油氣層，會對油氣層產生傷害，不利于油氣層的保護；在固井的候凝階段，如果水 泥漿失水量得不到控制，會引起嚴重的水泥漿失重，而引發(fā)環(huán)空氣竄。為此，需要在水泥漿 中加入降失水劑來保證固井施工安全和改善固井質量。
[0003] 在油氣井固井領域，耐C02腐蝕的油井水泥是當今熱點。鋁酸鹽水泥具有優(yōu)異的抗 腐蝕性能，國外學者Benge(BengeG·，2009.ImprovingwellboresealintegrityinC02 injectionwells.EnergyProcedia1:3523-3529.)在錯酸鹽水泥，通過加入多聚磷酸鹽 開發(fā)出了耐〇)2腐蝕的鋁酸鹽固井水泥。但是由于多聚磷酸鹽的加入使水泥漿濾液礦化度 急劇增高，而且多聚磷酸鹽對水泥顆粒表面具有較強的吸附作用，使得傳統(tǒng)的油井水泥降 失水劑在該體系中達不到控制失水量的效果。本研究團隊在2013年也開發(fā)了一種固井用 鋁酸鹽基耐二氧化碳腐蝕水泥體系（授權專利號：ZL201310030129. 2, 2015年6月3日）， 由于體系中主要的成分為鋁酸鹽水泥，使得傳統(tǒng)的油井水泥（硅酸鹽水泥）降失水劑在該 體系中達不到控制失水量的效果。
[0004] 傳統(tǒng)的油井水泥降失水劑主要作用機理主要包括兩種，一是成膜機理，該種降失 水劑主要是聚乙烯醇類降失水劑，但是該類降失水劑不耐高溫不耐鹽；二是封堵機理，包括 物理封堵和吸附化學封堵，物理封堵主要是在水泥中加入微顆粒進行封堵，該種方法目前 已經(jīng)基本不采用，吸附化學封堵主要是通過聚合物吸附在水泥顆粒表面，同時聚合物親水 基團水化膨脹，封堵滲流孔隙。在鋁酸鹽水泥中加入多聚磷酸鹽，多聚磷酸鹽會對降失水劑 在水泥顆粒表面產生競爭吸附作用，同時高礦化度壓縮聚合物親水基團水化層厚度。在雙 重不利作用下，傳統(tǒng)降失水劑喪失作用。針對這一問題，Bilic(Bilicn)，TiemeyerC，Plank J. ? 2011.Studyonadmixturesforcalciumaluminatephosphatecementusefulto sealCCSwells.SPEInternationalSymposiumonOilfieldChemistry，Societyof PetroleumEngineers.)提出來（NNDMA-co-CaAMPS)型降失水劑在鋁酸鹽固井水泥中具有 很好的降失水效果。這主要是因為，由于AMPS中的磺酸基團螯合鈣離子，使聚合物大分子 之間彼此交聯(lián)，封堵滲流孔隙。（NNDMA-co-CaAMPS)型降失水劑最早在專利EP0192447A2 中被提出，后經(jīng)JohannPlank(PlankJ，BrandiA，ZhaiY，etal.，2006.Adsorption behaviorandeffectivenessofpoly(N,N-dimethylacrylamide-c〇-Ca2-acrylamido -2-methylpropanesulfonate)ascementfluidlossadditiveinthepresenceof acetone-formaldehyde-sulfitedispersant.JApplPolymSci102:4341-7.)完善合成 工藝。（NNDMA-co-CaAMPS)型降失水劑開發(fā)的關鍵技術是如何引進鈣離子。JohannPlank 采用首先合成（NNDMA-co-AMPS)聚合物，然后將聚合物用氫氧化鈣中和的方法，引進鈣離 子。西南石油大學的李早元，郭小陽CN103881021A等人提出首先使AMPS與氫氧化鈣反應， 然后將CaAMPS與NNDMA進行聚合制備（NNDMA-co-CaAMPS)型降失水劑。JohannPlank和 李早元都采用氫氧化鈣對聚合物進行處理，但是氫氧化鈣在水中微溶，處理過程中需要大 量的氫氧化鈣溶液，并且CN103881021A中提出的處理方式，在聚合過程中引入了鈣離子， 由于采用的引發(fā)劑是過硫酸根和亞硫酸氫組成的氧化還原體系，引發(fā)過程中有硫酸根的生 成，而硫酸鈣微溶，這會對聚合過程不利。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對專利"一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體 系"，專利號為"ZL201310030129. 2"中的水泥體系一種預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑及制 備方法和包含它的水泥漿。利用本發(fā)明的方法合成的降失水劑可以有效的控制水泥漿API 失水量在50mL/30min以內。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0007] -種預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑，其包括以下重量份的原料：2_丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸（AMPS) 40份~45份，N，Ν' -二甲基丙烯酰胺（DMAA) 10份~15份，丙烯 酸（ΑΑ) 1份~3份，螯合劑20份~25份，引發(fā)劑0. 1~5份，余量為水；所述螯合劑為氯化 鋇、氫氧化鋇和氯化鈣中的一種或幾種；所述引發(fā)劑包括過硫酸銨和/或亞硫酸氫鈉。
[0008] 本發(fā)明還包括以下附加技術特征：
[0009] 優(yōu)選的，所述螯合劑為氯化鋇、氫氧化鋇和氯化鈣中的一種。
[0010] 優(yōu)選的，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、Ν，Ν' -二甲基丙烯酰胺 (DMAA)和丙烯酸（ΑΑ)的重量總和占水重量的25%~35%。
[0011] 反應單體即2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、Ν，Ν'-二甲基丙烯酰胺（DMAA) 和丙烯酸（ΑΑ)的總濃度影響聚合反應速率和產物降失水性能。單體總濃度過大，易發(fā)生暴 聚或產物粘度過大；反之，單體總濃度過小則易造成反應速率過低，產品有效濃度降低。因 此本發(fā)明優(yōu)選的單體重量總和占水重量的25%~35%。
[0012] 優(yōu)選的，所述引發(fā)劑的重量占2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、Ν，Ν'-二甲 基丙烯酰胺（DMAA)和丙烯酸（ΑΑ)的重量總和的0.2%~1%。
[0013] 優(yōu)選的，所述引發(fā)劑為質量比為4:1的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉。
[0014] 優(yōu)選的，所述預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑包括以下重量份的原料：2_丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸（AMPS) 40份，Ν，Ν'-二甲基丙烯酰胺（DMAA) 12份，丙烯酸（AA) 1.8份，螯 合劑22份，引發(fā)劑1. 5份，水216份；所述螯合劑為氯化鋇；所述引發(fā)劑為質量濃度為10 % 的水溶液。
[0015] 優(yōu)選的，所述預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑包括以下重量份的原料：2-丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸（AMPS)45份，N，N' -二甲基丙烯酰胺（DMAA)13份，丙烯酸（AA)2份，螯 合劑22份，引發(fā)劑2份，水230份；所述螯合劑為氯化鋇；所述引發(fā)劑為質量濃度為10%的 水溶液。
[0016] 本發(fā)明的一種預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑的制備方法，包括以下步驟：
[0017] 將2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、Ν，Ν' -二甲基丙烯酰胺（DMAA)和丙烯 酸（AΑ)加水溶解成溶液，置于50°C~70°C的恒溫水浴，待溶液溫度上升后于無氧條件下 加入引發(fā)劑，持續(xù)反應2~4小時，待溶液變?yōu)檎吵頎詈蠹尤腧蟿^續(xù)攪拌2~3小時 制成共聚物溶液，經(jīng)干燥、粉碎制成粉劑，得到適用于鋁酸鹽水泥基耐〇) 2腐蝕水泥體系的 油井水泥降失水劑。
[0018] 優(yōu)選的，包括以下步驟：
[0019] 將2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、Ν，Ν' -二甲基丙烯酰胺（DMAA)和丙烯 酸（AΑ)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70°C的恒溫水浴 中，向三口燒瓶中通入氮氣排除氧氣，待三口燒瓶內水溶液的溫度達到50°C后，加入過硫酸 銨和亞硫酸氫鈉混合水溶液用以引發(fā)反應，使反應持續(xù)2~4小時，待溶液變?yōu)檎吵頎詈笸?三口燒瓶加入螯合劑，繼續(xù)攪拌2~3小時制成共聚物溶液，經(jīng)干燥、粉碎制成粉劑，得到適 用于鋁酸鹽水泥基耐〇) 2腐蝕水泥體系的油井水泥降失水劑。
[0020] 本發(fā)明的一種水泥漿，包含上述的一種預螯合鋁酸鹽基水泥降失水劑。
[0021] 有益效果：本發(fā)明提出的（NNDMA-C〇-Z2+AMPS) (z2+表示堿土金屬離子）類聚合物 制備工藝，首先在JohannPlank合成（NNDMA-CO-AMPS)的基礎上引入丙稀酸單體（AA)，開 發(fā)出NNDMA/AMPS/AA，三元聚合物，然后引入螯合離子，在引入螯合離子時，摒棄氫氧化鈣， 采用氯化鈣或氯化鋇或氫氧化鋇。引入AA是增強聚合物水化能力，而磺酸基團對鋇離子具 有更強的螯合能力。經(jīng)過試驗證明本發(fā)明開發(fā)出的預螯合降失水劑很好的解決了鋁酸鹽水 泥體系的失水量控制問題，具有較好的控制本發(fā)明所針對的專利"一種固井用鋁酸鹽水泥 基耐二氧化碳腐蝕水泥體系"，專利號為"ZL201310030129. 2"中的水泥體系的失水性能。
【具體實施方式】[0022] 實施例1
[0023] 稱取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)40份，N，Ν'-二甲基丙烯酰胺（DMAA) 12 份，丙烯酸（AA) 1. 8份。溶于216份去離子水中。將溶液加入到三口燒瓶內，將三口燒瓶放 入70 °C的恒溫水浴中，開始攪拌，并向三口燒瓶中通入氮氣排除氧氣，待三口燒瓶內水溶液 的溫度達到50°C以后，加入1. 5份過硫酸銨和亞硫酸氫鈉（質量比為4:1)的質量濃度為 10%的混合溶液引發(fā)反應，反應持續(xù)3個小時，待溶液變?yōu)檎吵頎詈笸跓考尤?2份 螯合劑氯化鋇（BaCl2)，繼續(xù)攪拌3小時制成共聚物溶液，經(jīng)干燥、粉碎得到與