油井水泥分散剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种油井水泥分散剂及其制备方法，由烯基磺酸、烯基酰胺、烯基羧酸和烯基酸酐聚合反应生成的共聚物，其四种组分的质量分数组成分别为：烯基磺酸60-80%、烯基酰胺15-35%、烯基羧酸1-5%和烯基酸酐1-15%。本发明的油井水泥分散剂对油井水泥分散性优异、使用温度可达180℃、抗盐性能良好、无缓凝副作用并且与油井水泥其他外加剂有良好的相容性。

权利要求

1.一种油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按质量分数将

60-80%烯基磺酸、15-35%烯基酰胺、1-5%烯基羧酸和1-15%烯基酸酐加入装有溶剂的反应釜中，用碱调节pH到5-7，对反应釜加热，按反应物重量的0.09-1%加入引发剂；聚合反应温度为75-90℃，反应1-3小时，终止反应，得到液体分散剂，将液体分散剂干燥粉碎得粘均分子量为50万-250万粉末状固体分散剂。

2.根据权利要求1所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述烯基磺酸是

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸；所述烯基酰胺是丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺或N,N-二乙基丙烯酰胺；所述烯基羧酸是丙烯酸或甲基丙烯酸；所述烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

3.根据权利要求2所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述烯基磺酸是

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述烯基酰胺是丙烯酰胺，所述烯基羧酸是丙烯酸，所述烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

4.根据权利要求3所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述组分的质量分数为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸65-80%，丙烯酰胺15-30%，丙烯酸1-5%和顺丁烯二酸酐1-10%，粘均分子量为50万-200万。

5.根据权利要求2所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述烯基磺酸是

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述烯基酰胺是N,N-二甲基丙烯酰胺，所述烯基羧酸是甲基丙烯酸，所述烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

6.根据权利要求5所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述组分的质量分数为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸60-75%，N,N-二甲基丙烯酰胺20-30%，甲基丙烯酸

1-5%和顺丁烯二酸酐3-15%，粘均分子量为60万-250万。

7.根据权利要求1中所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂是水，反应物重量占形成溶液总重量的15-25%；所述聚合引发剂是过硫酸铵、过硫酸钾或过氧化苯甲酰中的一种。

8.根据权利要求1中所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述终止反应是通过加入终止剂亚硫酸氢钠，加入量是反应物重量的0.5-1.5%。

9.根据权利要求1中所述的油井水泥分散剂的制备方法，其特征在于，所述碱是氢氧化钠或碳酸钠。

10.一种如权利要求1所述的方法制备的油井水泥分散剂。

说明书

油井水泥分散剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水泥分散剂及其制备方法，特别是一种油井水泥分散剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 油井水泥浆是以水为连续相以水泥颗粒为分散相的高浓度的悬浮体系。固含量（质量分数）最高可达70%。水泥浆体系中的絮状结构和较大的粒子聚集体均使水泥浆粘度增大，流动性变差。在封固井壁和套管间的环隙时，一般是在套管中泵入水泥浆，水泥浆再从环隙中返出，这就要求水泥浆具有良好的流变性能。通过向水泥中加入分散剂，可使絮凝结构和粒子聚集体破坏，甚至碎裂成碎片，将包裹的水释放出来，降低了分散相的有效体积，并因此降低了体系粘度，改善了水泥浆的流动性能。

[0003] 使用分散剂可降低水泥浆的流动阻力，减少固井施工压力，防止井漏，同时，能使水泥浆在较低的泵送速度下达到紊流，提高了对井壁和套管壁的冲洗效果，延长了冲洗驱替的“接触时间”，从而提高对钻井液的顶替效率，有利于提高固井质量。

[0004] 目前已有许多类型的分散剂用于固井水泥浆体系中。如醛酮类分散剂对油井水泥有很好的分散性，但是在现场应用时存在某些缺陷：粉体粉尘大引起毒性大、不耐盐、对水泥的适应性不好等；木质素磺酸盐、聚萘磺酸盐是目前油井水泥最通用的分散剂，这类物质却对水泥有较强的缓凝作用，并且使用温度较低，不耐盐。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种适用温度范围广，且无论是在淡水还是盐水中都有很好的分散性能的具有耐高温性能和抗盐性能的油井水泥分散剂及其制备方法。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：一种新型的油井水泥分散剂，是由烯基磺酸、烯基酰胺、烯基羧酸和烯基酸酐反应生成的共聚物，所述组分的质量分数烯基磺酸60-80%、烯基酰胺15-35%、烯基羧酸1-5%和烯基酸酐1-15%，粘均分子量为50万-250万。

[0007] 其中烯基磺酸是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸；烯基酰胺是丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺或N,N-二乙基丙烯酰胺；烯基羧酸是丙烯酸或甲基丙烯酸；烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

[0008] 在本发明的一个具体实施方式中，提供一种油井水泥用耐温抗盐聚合物分散剂，是由A组分2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、B组分丙烯酰胺、C组分丙烯酸和D组分顺丁烯二酸酐聚合而成的共聚物。发明组分的质量分数分别为：A组分65-80%，B组分15-30%，C组分1-5%和D组分1-10%。这个聚合物的粘均分子量为50万-200万。其结构式如下：

[0009]

[0010] 在本发明的另一个具体实施方式中，提供一种油井水泥用耐温抗盐聚合物分散剂,是由A组分2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，E组分是N,N-二甲基丙烯酰胺，F组分是甲基丙烯酸，D组分是顺丁烯二酸酐聚合而成的共聚物。发明组分的质量分数分别为A组分60-75%，E组分20-30%，F组分1-5%和D组分3-15%，这个聚合物分子的粘均分子量为60万-250万。其结构式如下：

[0011]

[0012] 本发明还提供上述抗高温聚合物分散剂的制备方法，包括如下步骤：将烯基磺酸、烯基酰胺、烯基羧酸和烯基酸酐加入装有溶剂的反应釜中，用碱调节pH，对反应釜加热，在一定的温度下加入引发剂，反应一段时间后终止反应。其溶剂是水，聚合引发剂是过硫酸铵、过硫酸钾或过氧化苯甲酰；反应物重量占形成溶液总重量的15-25wt%，优选18-20wt%；引发剂加入量是反应物重量的0.09-1wt%，优选0.1-0.3wt%；聚合反应温度为30-90℃，优选60-75℃；聚合时间为1-3小时，优选2-3小时；碱是氢氧化钠或碳酸钠，pH调节到5-7。

[0013] 本发明的优点和特点：

[0014] 1、 能显著降低水泥浆稠度、提高流动性、改善流变性能。

[0015] 2、适用温度范围广，使用温度最高可达180℃。

[0016] 3、耐盐性能高，在淡水和半饱和盐水中都具有良好的分散性能。

[0017] 4、与其他油井水泥外加剂的相容性好。

[0018] 5、对油井水泥无缓凝作用，强度发展快。

[0019] 6、与水泥的适应性好。

具体实施方式

[0020] 本发明的油井水泥分散剂，是由烯基磺酸、烯基酰胺、烯基羧酸和烯基酸酐反应生成的共聚物，所述组分的质量分数烯基磺酸60-80%、烯基酰胺15-35%、烯基羧酸1-5%和烯基酸酐1-15%，粘均分子量为50万-250万。

[0021] 所述烯基磺酸是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸；所述烯基酰胺是丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺或N,N-二乙基丙烯酰胺；所述烯基羧酸是丙烯酸或甲基丙烯酸；所述烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

[0022] 所述烯基磺酸是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述烯基酰胺是丙烯酰胺，所述烯基羧酸是丙烯酸，所述烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

[0023] 所述组分的质量分数为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸65-80%，丙烯酰胺15-30%，丙烯酸1-5%和顺丁烯二酸酐1-10%，粘均分子量为50万-200万。

[0024] 所述烯基磺酸是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，所述烯基酰胺是N,N-二甲基丙烯酰胺，所述烯基羧酸是甲基丙烯酸，所述烯基酸酐是顺丁烯二酸酐。

[0025] 所述组分的质量分数为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸60-75%，N,N-二甲基丙烯酰胺20-30%，甲基丙烯酸1-5%和顺丁烯二酸酐3-15%，粘均分子量为60万-250万。

[0026] 所述的油井水泥分散剂的制备方法，包括如下步骤：将烯基磺酸、烯基酰胺、烯基羧酸和烯基酸酐加入装有溶剂的反应釜中，用碱调节pH，对反应釜加热，加入引发剂，反应一段时间，终止反应，得到液体分散剂，将液体分散剂干燥粉碎可得粉末状固体分散剂。

[0027] 所述溶剂是水，反应物重量占形成溶液总重量的15-25%；所述聚合引发剂是过硫酸铵、过硫酸钾或过氧化苯甲酰中的一种，引发剂加入量是反应物重量的0.09-1%。

[0028] 所述终止反应是通过加入终止剂亚硫酸氢钠，加入量是反应物重量的0.5-1.5%。

[0029] 所述聚合反应温度为30-90℃；聚合时间为1-3小时；碱是氢氧化钠或碳酸钠，pH调节到5-7。

[0030] 为了理解本发明，下面以实施例进一步说明本发明，但不限制本发明。

[0031] 实施例1

[0032] 取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸150g、丙烯酰胺65g、丙烯酸5g、顺丁烯二酸酐10g、水800g，开启搅拌，将四种单体依次加入到水中，搅拌均匀后加入一定量的氢氧化钠调节溶液pH=6.0，边搅拌边加热，在温度为75℃时加入质量浓度为3%的过硫酸铵溶液15g，持续升温至84℃后恒温100分钟，进行聚合物反应，然后加入质量浓度为5%的亚硫酸氢钠溶液35g，继续搅拌30分钟，反应结束，得到淡黄色液态分散剂，干燥粉碎后得到固体粉末状分散剂产品。

[0033] 实施例2

[0034] 取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸150g、N,N-二甲基丙烯酰胺68g、甲基丙烯酸5g、顺丁烯二酸酐20g、水800g，调节溶液pH=6.5，在温度为70℃时加入质量浓度为3%的过硫酸铵溶液20g。

[0035] 按照实施例1所述方法进行操作，得到本发明分散剂。

[0036] 实施例3

[0037] 取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸150g、丙烯酰胺34g、甲基丙烯酸6g、顺丁烯二酸酐10g、水800g，调节溶液pH=5.5，在温度为68℃时加入过硫酸铵溶液质量浓度为3%的15g。

[0038] 按照实施例1所述方法进行操作，得到本发明分散剂。

[0039] 实施例4

[0040] 取苯乙烯磺酸150g、N,N-二甲基丙烯酰胺36g、丙烯酸6.5g、顺丁烯二酸酐20g、水800g，调节溶液pH=6.5，在温度为60℃时加入质量浓度为3%的过硫酸铵溶液15g。

[0041] 按照实施例1所述方法进行操作，得到本发明分散剂。

[0042] 实施例5

[0043] 取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸150g、N,N-二乙基丙烯酰胺45g、甲基丙烯酸4.5g、顺丁烯二酸酐15g、水800g，调节溶液pH=5.5，在温度为72℃时加入质量浓度为3%的过硫酸铵溶液20g。

[0044] 按照实施例1所述方法进行操作，得到本发明分散剂。

[0045] 实施例6

[0046] 取苯乙烯磺酸150g、N,N-二乙基丙烯酰胺60g、甲基丙烯酸7g、顺丁烯二酸酐24g、水800g，调节溶液pH=6.0，在温度为65℃时加入质量浓度为3%的过硫酸铵溶液15g。

[0047] 按照实施例1所述方法进行操作，得到本发明分散剂。

[0048] 上述实施例1-6中得到的本发明分散剂的粘均分子量经测试，在50万-250万范围内。

[0049] 实施例7 本发明油井水泥分散剂的分散性能评价

[0050] 按API规范，取嘉华G级油井水泥制备水泥浆，在常压稠度仪中恒温85℃搅拌20分钟，然后按中国人民共和国石油天然气行业标准SY-T5504.3-2008“油井水泥外加剂评价方法”测定水泥浆的流变性，评价实施例1和实施例2合成样品的分散性能。选用幂律模式计算流变参数：

[0051] n= K=

[0052] n——流性指数，量纲为1；

[0053] K——稠度系数，Pa·Sn；

[0054] ——水泥浆在旋转粘度计300转速下的读数；

[0055] ——水泥浆在旋转粘度计100转速下的读数。

[0056] 一般认为，水泥浆的n值越大越好，K值越小越好，这样的水泥浆稀、流动度大，易于泵送，实现紊流顶替。

[0057] 按上述方法评价实施例1和实施例2样品对水泥浆的分散性能，结果见表1。

[0058] 表1 分散剂流变性能评价

[0059]