專利名稱：一種油井水泥中高溫粉體緩凝劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及油田完井技術固井領域所用的水泥外加劑，屬于中高溫緩凝劑。
背景技術：
在油氣井注水泥作業和其它地下注水泥作業中常通要求通過地面泵送設備將含有水泥、水和外加劑的水泥漿注入地下預定的地層中，以封固地層和套管之間的環空。典型的水泥漿被泵進套管內并且通過套管和地層之間的空隙上返到環空。水泥漿在環空中凝固，形成一個堅硬的水泥環柱，這個水泥環柱能與地層、與套管之間形成膠結。為達到令人滿意的注水泥作業，實現一個高強度的膠結以防止流體沿著水泥環柱或在其內部竄通是必要的，竄通的后果是污染產層或使資源流失。
注水泥作業的最主要的目的是阻止地層流體的移動并形成膠結以支撐套管。另夕卜，注水泥的目的還包括保護套管不被腐蝕、在鉆深井時套管不受震動負荷、封堵漏失層。注水泥作業最重要的設計參數之一是稠化時間。它大體上是水泥漿保持液體、可泵狀態的時間，因此是實施注水泥作業的有效時間。當以合適的水灰比混配，用G級水泥配制的無緩凝水泥漿能安全地注入1800米左右的深度。隨著溫度的升高，水泥的水化速度也加快。因此在較高的溫度下，緩凝劑被用來減緩水化速度，使水泥漿保持可泵狀態。隨著井底循環溫度增高，這些緩凝劑的性能變得關鍵了。許多因素影響水泥緩凝劑的性能，水泥本身的類型、細度、化學組成在獲得足夠的泵送時間性能方面發揮重要作用。即使在使用同一牌號的水泥時，由于原材料和窯的條件有差異，也能看到不同批號水泥之間的變化。顯然緩凝劑的化學成分有主要的作用，當緩凝劑與水泥的變化綜合起來時，這就可能在水泥漿設計中出現問題。在水泥漿設計中緩凝劑與其它外加劑的相互作用也是很重要的。在許多情況下，緩凝劑可能對降失水劑有不利的影響，尤其是在高溫設計中。也能觀察到緩凝劑對稠度的不利影響，使得水泥漿稠度變得極稠或極稀。對于很稠的水泥漿來說，需要過高的泵送壓力，這可能壓裂地層，而稀水泥漿可能產生沉降和游離液。在水平井完井中獲得無沉降水泥漿已變得極其重要，這些不利的影響通常在稠化時間試驗期間以過早膠凝的形式出現。在極端情況下它可能出現水泥漿凝結成硬塊，而它實際上只是剛剛形成硬的凝膠體。在有些情況下這種膠凝的水泥漿可以攪拌變回到原始的稠度，隨后因凝結使稠度增大。這種凝膠體可能引起如上所述的過高泵送壓力，甚至可能在環空中產生水泥漿橋堵，以及完全中止注水泥作業。理想的情況是水泥漿在稠化時間試驗或泵送作業期間保持合適的稠度，接著稠度快速增大，凝結，并形成有效的抗壓強度。水泥緩凝劑的另一理想性能是隨著緩凝劑含量的增大，稠化時間可重現地增大，在許多情況下，一旦緩凝劑含量達到某一定量時就會觀察到稠化時間急劇增長。因為在稱量緩凝劑過程中，出錯可能會造成水泥漿超緩凝或欠緩凝，所以這種敏感性是不希望的。欠緩凝水泥漿顯然是最壞的情況，因為它可能在水泥完全頂替入環空之前發生凝結。但是超緩凝水泥漿也是不希望的，因為它可能導致極大地延遲油井的進一步作業。
目前在市場上可以買到很多水泥緩凝劑。其中有些緩凝劑包含木質磺酸鹽、烴乙基纖維素、羥甲基羥乙基纖維素和弱有機酸。合成有機聚合物只是在近20年才用作水泥緩凝劑。最常用的水泥緩凝劑可能是木質磺酸鈉或木質磺酸鈣。這些材料是硫酸鹽木質漿化過程的付產品，是由存在于木材中的天然木質素的磺化作用產生的。由于這些材料生產的量大，所以它們很容易買到，價格不貴，作為緩凝劑在循環約90°C的溫度下能夠很好地發揮作用。其缺點之一是不一致性。取決于來源是硬木還是軟木，甚至可能樹木砍伐的時間不同都能夠觀察到它們的差別。人們認為這些分子是以苯基丙烷骨架為基礎的聚合物，除了漿化過程中引入磺酸基外，還含有大量的羥基和甲氧基。木質磺酸鹽可能還含有相當大量的會影響它們的緩凝性質的雜質，由于性能不穩定和存在雜質，使用木質磺酸鹽需要做大量的試驗來確定稠化時間，因此人們更樂意使用在試驗上少花時間的性能較為穩定的緩凝劑。如上所述，木質磺酸鹽能夠使用的最大溫度約為115°C，通過摻入有機酸或水溶性硼酸鹽之類的緩凝增強劑可以使最大溫度高達200°C以上。通常使用的有機酸為酒石酸或葡萄糖酸，這種做法的一個缺點是有機酸往往會破壞某些降失水劑的效果，即使木質磺酸鹽在很多情況下相當有效，與它們有關聯的問題再一次吸引人們要制造出一種更為均勻 的、具有重復性的緩凝劑。解決這些問題的有效方法之一是使用一種合成聚合物作為水泥緩凝劑。這樣的外加劑很容易一批一批地生產，并能使它們滿足包括所期望的性能要求。最早披露這種緩凝劑的人是Brothers等人,他們利用一種2-丙烯酰胺-2-甲基丙燒磺酸(AMPS)共聚物,這種聚合物是一種很有效的緩凝劑，但是在淡水中溫度上限約為120°C。象木質磺酸鹽一樣在更高的溫度下需要某種緩凝增強劑。這種緩凝劑確確實實提供可重現的結果并產生一種稠化時間隨濃度增大而延長的線性關系。眾所周知，含有羧基的聚合物有助于延緩水泥的凝結。像丙烯酰胺共聚物那樣，在水泥漿的PH值環境中經歷水解作用的聚合物可能就地產生羧基。如果共聚物中存在明顯數量的丙烯酰胺，在接近50°C以上的溫度下，丙烯酰胺將會水解，將會使水泥嚴重緩凝。人們可能利用這個性能使水解產物產生緩凝作用。但在實踐中這將是極其困難的。因此人們寧可利用不會水解成羧基或具有抗這種水解作用的單體。作為緩凝劑的一種明顯選擇是一種丙烯酸的共聚物，象AMPS (中文)/丙烯酸那樣的共聚物。丙烯酸是含羧基的市場上能夠買到的最簡單單體。而且，AMPS單體具有很高的抗水解性，作為水泥的聚合物外加劑已證明是很有用的。例如，丙烯酸均聚合物會使水泥緩凝，但也會嚴重地使水泥漿膠凝。一種AMPS/丙烯酸共聚物也會使水泥緩凝，但幾乎沒有膠凝作用。烯基磷酸和它的鹽類，近來常用作緩凝劑。這類材料有優異的水化穩定性，使用溫度可高達204°C。其高溫穩定性主要取決于主鏈結構。磷酸甲基酯分子中，含有許多胺基，這是它的活性基團。有機磷酸鹽緩凝劑的優點是它對水泥成分的微小變化不敏感，并且可使高密度水泥漿的粘度降低。這類緩凝劑的作用機理還未完全搞清楚，但就目前的研究結果來看，緩凝作用可能是磷酸鹽基團，如下式所示被吸附在水泥顆粒表面上之后，阻止了水泥分子的水化，這與其它緩凝劑的作用機理是相似的。
權利要求
1.一種油井水泥中高溫粉體緩凝劑，其特征在于利用曼希尼反應，用乙二胺制備亞甲基膦酸鹽，并復配O. 10-0. 30重量份的檸檬酸、O. 05-0. 10重量份的酒石酸和O. 10-0. 20重量份的葡萄糖酸。
2.根據權利要求I所述的油井水泥中高溫緩凝劑，其特征在于該亞甲基磷酸鹽分子結構式中含有O=P - OH, CH2 一 N基團。
3.根據權利要求I所述的油井水泥中高溫緩凝劑，其特征在于亞甲基膦酸鹽分子結構如下式 式中 R 代表 PO3H Na、PO3Na2。
全文摘要
本發明涉及一種油井水泥中高溫粉體緩凝劑；利用曼希尼反應，用乙二胺制備亞甲基膦酸鹽，復配0.10-0.30重量份的檸檬酸、0.05-0.10重量份的酒石酸和0.10-0.20重量份的葡萄糖酸；該緩凝劑適用溫度為60℃~130℃，可應用于各種密度的水泥漿體系，與多種外加劑體系配伍性強，不影響水泥漿性能，用此緩凝劑配制的水泥漿漿體穩定，稠化過渡時間短，稠化時間可調；水泥石抗壓強度發展快，適用于中深井固井工程的需要。
文檔編號C09K8/467GK102775971SQ20121020685
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者常艷, 李立榮, 湯少兵, 滕兆健, 謝承斌, 邢秀萍 申請人:天津中油渤星工程科技有限公司