本發(fā)明涉及石油勘探開發(fā)化工助劑領(lǐng)域，具體是一種適用于水泥漿體系的大溫差緩凝劑的制備方法及其在水泥漿中的應(yīng)用方法和性能評(píng)價(jià)。
背景技術(shù)：
隨著勘探開發(fā)技術(shù)不斷向深井、超深井的深入，常會(huì)遇到長封固段大溫差固井施工，由于封固段長，為保證高溫條件下的施工安全，通常加入大量緩凝劑。目前國內(nèi)外常用的緩凝劑主要有木質(zhì)素磺酸鹽及其衍生物，羥基羧酸及其鹽（酒石酸、檸檬酸等），纖維素衍生物，糖類化合物，有機(jī)磷酸鹽，合成聚合物等，然而現(xiàn)有緩凝劑不能完全消除溫差效應(yīng)對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響，易造成水泥漿在井段頂部低溫區(qū)域抗壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢，甚至無法凝結(jié)，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量及后續(xù)施工進(jìn)度。因此，亟需研發(fā)出一種適用于大溫差油井的緩凝劑，以滿足高溫深井長封固段大溫差固井高溫下緩凝、低溫下水泥石早期抗壓強(qiáng)度發(fā)展快的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種適用于水泥漿體系的大溫差需要的油井水泥緩凝劑制備方法和應(yīng)用方法，以達(dá)到高溫緩凝，并且能夠解決大溫差施工環(huán)境下頂部水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢的問題。
基于此，本發(fā)明結(jié)合緩凝機(jī)理及分子設(shè)計(jì)理論，合理運(yùn)用聚合物的“包埋”特性以及溫度感應(yīng)伸縮性，合成了一種新型高溫緩凝劑。該緩凝劑是一種兩性離子三元共聚物，對(duì)溫度不敏感，在高溫下具有良好的緩凝作用，在低溫下具有一定促凝作用，且與其他外加劑配伍性好。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案為：
一種油井水泥緩凝劑的制備方法是，將2～6質(zhì)量份的帶有陰離子磺酸基團(tuán)的烯類單體，1～6質(zhì)量份的帶有銨根陽離子的烯類單體，8～15質(zhì)量份的含有羧酸基團(tuán)的不飽和單體，溶于去離子水中并調(diào)整體系pH值至5～7，通氮30～60分鐘,加入占單體總質(zhì)量百分比0.3%～1%的引發(fā)劑，在30～50℃恒溫水浴中連續(xù)反應(yīng)4-6小時(shí)，所得油井水泥緩凝劑的烏氏粘度計(jì)測定換算的分子量為1.41×104～1.58×104。
上述方案中：所述帶有陰離子磺酸基團(tuán)的烯類單體包括甲基丙烯磺酸鈉、對(duì)苯乙烯磺酸鈉、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的任一種或幾種；所述帶有銨根陽離子的烯類單體包括丙烯酰胺乙基三甲基氯化銨、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、二甲基二烯丙基氯化銨的任一種或幾種；所述含有羧酸基團(tuán)的不飽和單體包括馬來酸酐、衣康酸、丙烯酸的任一種或幾種；所述引發(fā)劑為(NH4)2S2O8/K2S2O8,n[(NH4)2S2O8]/n[K2S2O8]=1～1.5。
基于上述油井水泥緩凝劑制備方法所得的油井水泥緩凝劑應(yīng)用方法是，將重量百分比為 12-18%微硅和45-55%玻璃微珠、2.0-2.5%降失水劑、0.8-1.2%分散劑、1.0%~2.0%所述油井水泥緩凝劑與余量為水泥的配比混合，加入水配成水泥漿體系。
其中：所述降失水劑為SZ1-2型降失水劑，所述分散劑為SXY型分散劑。
本發(fā)明具有以下有益效果：（1）高溫環(huán)境下穩(wěn)定性好、耐降解，耐高溫性能好；（2）適用溫差范圍大，可達(dá)50℃-150℃；（3）在水泥體系中可達(dá)到理想的緩凝效果，未出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，頂部水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，滿足大溫差固井的要求。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明。
（1）油井水泥緩凝劑的制備方法：依次稱取2g～6g帶有陰離子磺酸基團(tuán)的烯類單體，如甲基丙烯磺酸鈉（SMAS）、對(duì)苯乙烯磺酸鈉（SSS）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）等；1g～6g帶有銨根陽離子的烯類單體，如丙烯酰胺乙基三甲基氯化銨（DAC），甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）等；8g～15g含有羧酸基團(tuán)的不飽和單體，如馬來酸酐，衣康酸，丙烯酸等溶于去離子水中，用NaOH溶液調(diào)整體系pH至5～7，在攪拌下通N2 30min～60min, 加入0.3%～1%（占單體總量的重量百分比）引發(fā)劑(NH4)2S2O8/K2S2O8,n[(NH4)2S2O8]/n[K2S2O8]=1～1.5。在30～50℃恒溫水浴中連續(xù)反應(yīng)5小時(shí)左右，即可制得兩性離子共聚物緩凝劑初產(chǎn)品。
（2）緩凝劑分子量的測定：通過烏氏粘度計(jì)測定共聚物緩凝劑的特性粘數(shù)，通過[η]=KMα計(jì)算緩凝劑CYZ分子量，其中K=6.31×10-3，α=0.8。所得油井水泥緩凝劑的烏氏粘度計(jì)測定換算的分子量為1.41×104～1.58×104
（3）依照前述固井水泥緩凝劑的制備方法制備的緩凝劑的應(yīng)用方法是：以固井用水泥漿中水泥含量為100重量份數(shù)計(jì)，稱取所需量的固體外加劑（微硅和玻璃微珠）一起混合均勻，稱取一定量水及液態(tài)添加劑（分散劑和降失水劑）和固井水泥緩凝劑，將水倒入瓦楞攪拌器中，啟動(dòng)攪拌器以低速4000r/min攪拌，在15s內(nèi)加入水泥混合材料，即可配成水泥漿體系。
按API《油井水泥材料和試驗(yàn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)測定加有緩凝劑的低密度水泥漿體系稠化時(shí)間。
針對(duì)油井水泥緩凝劑（代號(hào)ZY）的制備方法實(shí)施例
實(shí)施例1：
稱取15g馬來酸酐，3g對(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)，2g丙烯酰胺乙基三甲基氯化銨（DAC）溶于80g去離子水中至完全溶解，后將單體溶液放置于50℃恒溫水浴中的三口燒瓶，在攪拌條件下通N2 30min，加入0.3%（占單體總量）引發(fā)劑(NH4)2S2O8/K2S2O8，n[(NH4)2S2O8]/n[K2S2O8]=1，反應(yīng)溫度30℃，連續(xù)反應(yīng)5小時(shí)左右，即可得到三元共聚物溶液ZY1，該溶液有效含量為18.9%，緩凝劑分子量Mη為1.57×104。
實(shí)施例2：
稱取8g馬來酸酐，6g對(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)，6g丙烯酰胺乙基三甲基氯化銨（DAC）溶于80g去離子水中至完全溶解，后將單體溶液放置于50℃恒溫水浴中的三口燒瓶，在攪拌條件下通N2 60min，加入1%（占單體總量）引發(fā)劑(NH4)2S2O8/K2S2O8，n[(NH4)2S2O8]/n[K2S2O8]=1.5，反應(yīng)溫度50℃，連續(xù)反應(yīng)5小時(shí)左右，即可得到三元共聚物溶液ZY2，該溶液有效含量為18.5%，緩凝劑分子量Mη為1.42×104。
實(shí)施例3：
稱取12g馬來酸酐，6g對(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)，2g丙烯酰胺乙基三甲基氯化銨（DAC）溶于80g去離子水中至完全溶解，后將單體溶液放置于30℃恒溫水浴中的三口燒瓶，在攪拌條件下通N2 60min，加入0.7%（占單體總量）引發(fā)劑(NH4)2S2O8/K2S2O8，n[(NH4)2S2O8]/n[K2S2O8]=1.2，反應(yīng)溫度40℃，連續(xù)反應(yīng)5小時(shí)左右，即可得到三元共聚物溶液ZY3，該溶液有效含量為17.6%，緩凝劑分子量Mη為1.41×104。
實(shí)施例4：
稱取12g馬來酸酐，2g對(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)，6g丙烯酰胺乙基三甲基氯化銨（DAC）溶于80g去離子水中至完全溶解，后將單體溶液放置于30℃恒溫水浴中的三口燒瓶，在攪拌條件下通N2 60min，加入0.5%（占單體總量）引發(fā)劑(NH4)2S2O8/K2S2O8，n[(NH4)2S2O8]/n[K2S2O8]=1.2，反應(yīng)溫度50℃，連續(xù)反應(yīng)5小時(shí)左右，即可得到三元共聚物溶液ZY4，該溶液有效含量為19.2%，緩凝劑分子量Mη為1.58×104。
針對(duì)油井水泥緩凝劑（代號(hào)ZY）的應(yīng)用方法實(shí)施例
通過以下實(shí)施例來評(píng)價(jià)緩凝劑ZY對(duì)水泥漿稠化時(shí)間以及24h抗壓強(qiáng)度的影響。
所用水泥漿配方：
嘉華G級(jí)水泥+15%微硅+50%玻璃微珠+2.2%降失水劑SZ1-2+1%分散劑SXY +油井水泥緩凝劑ZY（水灰比 0.6，密度1.45g/cm3）
實(shí)施例5：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例1所制備的ZY1，加量為1.0%，試驗(yàn)條件為20MPa、50℃。
實(shí)施例6：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例1所制備的ZY1，加量為1.2%，試驗(yàn)條件為20MPa、70℃。
實(shí)施例7：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例1所制備的ZY1，加量為1.5%，試驗(yàn)條件為40MPa、110℃。
實(shí)施例8：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例1所制備的ZY1，加量為2.0%，試驗(yàn)條件為40MPa、150℃。
實(shí)施例9：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例2所制備的ZY2，加量為1.0%，試驗(yàn)條件為20MPa、50℃。
實(shí)施例10：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例2所制備的ZY2，加量為1.2%，試驗(yàn)條件為20MPa、70℃。
實(shí)施例11：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例2所制備的ZY2，加量為1.5%，試驗(yàn)條件為40MPa、110℃。
實(shí)施例12：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例2所制備的ZY2，加量為2.0%，試驗(yàn)條件為40MPa、150℃。
實(shí)施例13：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例3所制備的ZY3，加量為1.0%，試驗(yàn)條件為20MPa、50℃。
實(shí)施例14：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例3所制備的ZY3，加量為1.2%，試驗(yàn)條件為20MPa、70℃。
實(shí)施例15：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例3所制備的ZY3，加量為1.5%，試驗(yàn)條件為40MPa、110℃。
實(shí)施例16：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例3所制備的ZY3，加量為2.0%，試驗(yàn)條件為40MPa、150℃。
實(shí)施例17：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例4所制備的ZY4，加量為1.0%，試驗(yàn)條件為20MPa、50℃。
實(shí)施例18：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例4所制備的ZY4，加量為1.2%，試驗(yàn)條件為20MPa、70℃。
實(shí)施例19：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例4所制備的ZY4，加量為1.5%，試驗(yàn)條件為40MPa、110℃。
實(shí)施例20：
制備上述水泥漿配方時(shí)，加入的緩凝劑為實(shí)施例4所制備的ZY4，加量為1.5%，試驗(yàn)條件為40MPa、150℃。
按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各實(shí)施例進(jìn)行稠化時(shí)間以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1.
表1不同溫度下水泥漿的稠化時(shí)間
由表1可以看出， 50℃、70℃、110℃、150℃條件下的稠化時(shí)間相差不大，說明其受溫度變化影響不明顯，在高溫下具有良好的緩凝作用，在低溫下具有一定促凝作用，且與其他外加劑配伍性好，緩凝劑性能更穩(wěn)定；24h水泥石強(qiáng)度低溫的條件下也能夠較快發(fā)展，均達(dá)到14MP以上，滿足施工要求，克服了“大溫差效應(yīng)”對(duì)水泥漿帶來的“超緩凝”的問題。