用于制备缓凝剂的组合物以及缓凝剂的制作方法

1.本发明涉及一种用于制备缓凝剂的组合物及缓凝剂。


背景技术：

2.为了满足固井施工的需要，控制水泥浆的凝结时间，需要在水泥浆中添加一定比例的缓凝剂，适应不同的井底温度的要求，缓凝剂通常分为低温、中温和高温缓凝剂，目前中温缓凝剂存在着：
①
中温缓凝剂产品匮乏且比较单一，通常都是把高温条件下性能比较好的缓凝剂拿过来用，高温具有优异性能的缓凝剂在中温下极易出现过缓凝的现象，导致水泥石早期强度发展困难；
②
中温缓凝剂对于不同的水泥适应性差，不同的水泥，缓凝剂的加量千差万别，且对水泥不同成分抑制水化能力弱，水化初期极易出现鼓包和起台阶现象；
③
一些钻探新区对井底循环温度无法精准取得，现有缓凝剂存在较强的加量敏感和温度敏感性，往往温度波动化5℃左右，水泥浆稠化时间就会发生很大变化，同时温差大也会影响低水泥浆强度发展，因此研制一款新型中温缓凝剂至关重要。
3.对于中温缓凝剂的研发，主要有两种思路：一种是通过化学合成的方法，brothers等开发了amps/aa二元共聚缓凝剂，适用温度66-118℃，稠化时间易于调节。斯伦贝谢公司的accuset缓凝剂，是一种可以满足长封固段、大温差固井的缓凝剂，它对温度不敏感，快凝，通用性好，但其适用温度为49-121℃，但合成类缓凝剂工业化应用困难，反应物容易出现爆聚或者不聚的情况。另一种是将具有缓凝作用的单体进行复配，哈里伯顿hr-800是一种非木质素水泥固体缓凝剂，能在20-105℃的温度下延缓水泥。这种缓凝剂色白，为环境友好型，并且与现有的api水泥添加剂相容性好，且对不同级别的水泥具有很强的适应性，但影响水泥石的强度的发展。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种新型油井水泥浆缓凝剂，其在制备过程中采用复配和化学合成相结合的方法，适用温度范围：60-130℃，能够解决中温缓凝剂耐温能力差、加量没有线性关系、影响水泥石强度的发展和中试工业化困难的问题。
5.本发明的第一方面提供了一种用于制备缓凝剂的组合物，其包括水、稳定剂、衣康酸、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、硅烷偶联剂、碱性物质和引发剂。
6.根据本发明的一些实施方式，所述组合物包括水100重量份、稳定剂0.1-1重量份、衣康酸3-8重量份、丙烯酸3-8重量份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸20-38重量份、硅烷偶联剂1-5重量份、碱性物质4-6重量份和引发剂10-15重量份。
7.根据本发明的一些实施方式，所述稳定剂选自白炭黑。
8.根据本发明的一些实施方式，所述稳定剂选自亲水白炭黑。
9.根据本发明的优选实施方式，所述亲水白炭黑的比表面积为100-1000m2/g。
10.根据本发明的优选实施方式，所述亲水白炭黑的比表面积为100-500m2/g。
11.根据本发明的一些实施方式，所述硅烷偶联剂选自kh550、kh560和kh570中的至少
一种。
12.根据本发明的优选实施方式，所述硅烷偶联剂为kh550。
13.根据本发明的一些实施方式，所述碱性物质选自氢氧化钠。
14.根据本发明的一些实施方式，所述引发剂选自过硫酸钠。
15.本发明的第二方面提供了一种缓凝剂，其由根据第一方面所述的组合物作为原料制备得到。
16.根据本发明提供的缓凝剂耐温能力好，能满足60-130℃的要求；并且缓凝剂的加量线性关系好，不影响水泥石强度，和油井水泥其他外加剂相容性好。
17.本发明的第三方面提供了一种根据第一方面所述的缓凝剂的制备方法，其包括：
18.步骤s1：依次将衣康酸、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、硅烷偶联剂加入含有稳定剂的水中，得到第一混合液；
19.步骤s2：将所述第一混合液与所述碱性物质混合，得到第二混合液；
20.步骤s3：在所述第二混合液中加入引发剂，进行反应，得到所述缓凝剂。
21.根据本发明的优选实施方式，步骤s1中，将衣康酸、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、硅烷偶联剂依次加入含有稳定剂的水中，得到第一混合液。此处，“依次加入”是指衣康酸溶于水之后，再将丙烯酸溶解之后，再将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸溶解之后，再将硅烷偶联剂溶解。本发明的发明人经研究发现，将衣康酸、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、硅烷偶联剂依次加入含有稳定剂的水中相比于将这些组分同时加入含有稳定剂的水中，所制备得到的缓凝剂的效果更好。
22.根据本发明的一些实施方式，步骤s1中，所述含有稳定剂的水的温度为40-50℃，例如45℃。
23.根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述混合的温度为65-75℃。
24.根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述混合的时间为20-60min。
25.根据本发明的一些实施方式，步骤s3中，所述反应的时间为65-75℃。
26.根据本发明的一些实施方式，步骤s3中，所述反应的时间为2-10小时，优选为3-5小时。
27.根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述第二混合液的ph为6.5-7.5。本发明的发明人经研究发现，将第二混合液的ph在6.5-7.5范围内所制备得到的缓凝剂的效果更好。
28.根据本发明的一些实施方式，所述制备方法中，以重量份计，水100重量份、稳定剂0.1-1重量份、衣康酸3-8重量份、丙烯酸3-8重量份、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸20-38重量份、硅烷偶联剂1-5重量份、碱性物质4-6重量份和引发剂10-15重量份。
29.根据本发明的一些实施方式，所述稳定剂选自白炭黑。
30.根据本发明的一些实施方式，所述稳定剂选自亲水白炭黑。
31.根据本发明的优选实施方式，所述亲水白炭黑的比表面积为100-1000m2/g。
32.根据本发明的优选实施方式，所述亲水白炭黑的比表面积为100-500m2/g。
33.根据本发明的一些实施方式，所述硅烷偶联剂选自kh550、kh560和kh570中的至少一种。
34.根据本发明的优选实施方式，所述硅烷偶联剂为kh550。
35.根据本发明的一些实施方式，所述碱性物质选自氢氧化钠。
36.根据本发明的一些实施方式，所述引发剂选自过硫酸钠。
37.根据本发明提供的缓凝剂耐温能力好，能满足60-130℃的要求；并且缓凝剂的加量线性关系好，不影响水泥石强度，和油井水泥其他外加剂相容性好。
38.本发明的第四方面提供了一种油井水泥浆体系，其包括水泥、硅粉、降失水剂、水以及第二方面所述的缓凝剂或第三方面所述的制备方法得到的缓凝剂。
39.根据本发明的一些实施方式，所述降滤失剂的质量为所述水泥质量的0.1-5wt％。
40.根据本发明的一些实施方式，所述降滤失剂的质量为所述水泥质量的0.5-2wt％。
41.本发明的第五方面提供了一种根据第二方面所述的缓凝剂或根据第三方面所述的缓凝剂或第四方面所述的油井水泥将体系在固井中的应用。
42.本发明的有益技术效果为：
43.(1)合成工艺简单，按照步骤依次投料并控制好反应温度即可；
44.(2)耐温能力好，能满足60-130℃的要求；
45.(3)缓凝剂的加量线性关系好，不影响水泥石强度，和油井水泥其他外加剂相容性好。
具体实施方式
46.以下对本发明的具体实施方式进行详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
47.一、实施例
48.实施例中所用原料均为市售。其中，稳定剂为亲水白炭黑，硅烷偶联剂为kh550，引发剂为过硫酸钠。
49.实施例1
50.缓凝剂的制备过程如下。
51.100重量份的去离子水，稳定剂0.3重量份，衣康酸(ia)5重量份，丙烯酸(aa)5重量份和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)25重量份、硅烷偶联剂2.5重量份、naoh5.5重量份和引发剂10.5重量份。
52.将稳定剂投入去离子水中，边搅拌边升温至45℃，恒温30min，待稳定剂均匀分散到去离子水后，然后依次将ia、aa、amps和kh550投入加有稳定剂的去离子水中，待上述原料都均匀分散后缓慢投入naoh，边搅拌边观察温度变化，待温度恒定后加热至70℃，恒温30min，此时混合液的溶液ph为7。将引发剂溶于去离子水中，重量为初始100重量份的去离子水的十分之一，缓慢滴加引发剂，反应4个小时，冷却至室温收料，得到所述缓凝剂。
53.实施例2
54.缓凝剂的制备过程如下。
55.100重量份的去离子水，稳定剂0.3重量份，衣康酸(ia)8重量份，丙烯酸(aa)8重量份和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)35重量份、硅烷偶联剂2.5重量份、naoh 8重量份和引发剂10.5重量份。
56.制备方法与实施例1相同，得到所述缓凝剂。
57.实施例3
58.缓凝剂的制备过程如下。
59.100重量份的去离子水，稳定剂0.3重量份，衣康酸(ia)3重量份，丙烯酸(aa)3重量份和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)20重量份、硅烷偶联剂2.5重量份、naoh 3重量份和引发剂10.5重量份。
60.制备方法与实施例1相同，得到所述缓凝剂。
61.对比例1
62.缓凝剂的制备过程如下。
63.100重量份的去离子水，衣康酸(ia)5重量份，丙烯酸(aa)5重量份和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)25重量份、硅烷偶联剂2.5重量份、naoh5.5重量份和引发剂10.5重量份。
64.制备方法与实施例1相同，得到所述缓凝剂。
65.对比例2
66.缓凝剂的制备过程如下。
67.100重量份的去离子水，稳定剂0.3重量份，衣康酸(ia)5重量份，丙烯酸(aa)5重量份和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)25重量份、naoh5.5重量份和引发剂10.5重量份。
68.制备方法与实施例1相同，得到所述缓凝剂。
69.二、测试例
70.参照油井水泥测试标准gbt19139-2012制备油井水泥浆体系，其中，降失水剂为amps共聚物，分散剂为缩醛类分散剂。
71.测试例1
72.油井水泥浆体系包括：
73.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例1制备的缓凝剂(0份)，自来水(53份)。
74.测试例2
75.油井水泥浆体系包括：
76.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例1制备的缓凝剂(0.5份)，自来水(53份)。
77.测试例3
78.油井水泥浆体系包括：
79.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例1制备的缓凝剂(0.8份)，自来水(53份)。
80.测试例4
81.油井水泥浆体系包括：
82.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例1制备的缓凝剂(1份)，自来水(53份)。
83.测试例5
84.油井水泥浆体系包括：
85.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例1制备的缓凝剂(1份)，自来水(53份)。
86.测试例6
87.油井水泥浆体系包括：
88.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例2制备的缓凝剂(1份)，自来水(53份)。
89.测试例7
90.油井水泥浆体系包括：
91.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，实施例3制备的缓凝剂(1份)，自来水(53份)。
92.测试例8
93.油井水泥浆体系包括：
94.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，对比例1制备的缓凝剂(1份)，自来水(53份)。
95.测试例9
96.油井水泥浆体系包括：
97.g级水泥(100份)，硅粉(35份)，降失水剂(5份)，分散剂(0.5份)，对比例2制备的缓凝剂(1份)，自来水(53份)。
98.参照油井水泥测试标准gbt19139-2012测试油井水泥浆体系的稠化时间和抗压强度，测试结果如表1所示。
99.表1
100.测试例实验条件稠化时间/min48h抗压强度*/mpa1120℃
×
60min
×
60mpa80242120℃
×
60min
×
60mpa200213120℃
×
60min
×
60mpa230184120℃
×
60min
×
60mpa290145130℃
×
65min
×
65mpa230126120℃
×
60min
×
60mpa220187120℃
×
60min
×
60mpa240168120℃
×
60min
×
60mpa68229120℃
×
60min
×
60mpa8025
101.*养护条件：120℃
×
21mpa
×
48h
102.通过该发明可以发现：在同样的实验条件下，测试例2较测试例1稠化时间有明显的延长，且在同样的温度条件下稠化时间具有线性关系如测试例2-4所示；对于同样的配方在不同温度下如测试例4和5，也和现有的缓凝剂评价规律一致。本发明提供的缓凝剂不影响水泥石的强度，48小时抗压强度满足现场固井施工的需要。
103.应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不对本发明构成任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性的词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出
修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可以扩展至其它所有具有相同功能的方法和应用。