本發(fā)明涉及油氣井固井及油田化學(xué)助劑領(lǐng)域的降濾失劑，更進(jìn)一步說，涉及一種油井水泥降濾失劑及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：目前，油田現(xiàn)場常用的油井水泥降濾失劑主要有纖維素類及其改性產(chǎn)品，聚乙烯醇及其改性產(chǎn)品，以上兩類基本無抗鹽能力且抗溫能力有限，主要應(yīng)用于110℃以下固井作業(yè)。第三類是以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)為主要單體的多元共聚物產(chǎn)品，此類降濾失劑耐溫抗鹽能力更強(qiáng)，最高抗溫達(dá)180℃，可抗飽和鹽水。申請?zhí)枮?00810051338.4的中國專利公布了一種多元共聚物油井水泥降濾失劑及其制備方法，共聚單體為2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸10～120份、丙烯酸1～5份、丙烯酰胺10份；絡(luò)合劑EDTA0.1～1份，鏈轉(zhuǎn)移劑(異丙醇或苯甲酸鈉)0.01～1份；去離子水15～50份；引發(fā)劑(過硫酸銨或過硫酸鈉)0.01～0.5份。該降濾失劑，配成抗高溫隔離液在180℃靜止5小時，取出后沉積、無析水，180℃按照鉆井液標(biāo)準(zhǔn)失水量為零，180℃按照水泥漿標(biāo)準(zhǔn)失水量為48mL。該產(chǎn)品中使用單體丙烯酰胺，其酰胺基團(tuán)在溫度大于70℃會發(fā)生水解，易導(dǎo)致水泥漿過度緩凝，因此不適于高溫底層。2013年，中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院的李曉嵐等人(三元共聚物油井水泥降濾失劑的室內(nèi)研究[J].鉆井液與完井液,2013,30(1):56-58)發(fā)布了一種三元共聚物降濾失劑，該共聚物選用第一單體丙烯酰胺(AM)，第二單體為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，第三單體為N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，三者摩爾配比為AM:AMPS:NVP＝8.5：1.0：0.5。合成的三元共聚物重均分子量26萬，分子量分布1.94，加量0.7％(BWOC)可將水泥漿在170℃失水量控制在50mL以內(nèi)，且以該三元共聚物為主劑的水泥漿穩(wěn)定性好，初始稠度低，過渡時 間短，對水泥石無副作用。但該三元共聚物降濾失劑中含有較大比例的丙烯酰胺，仍存在抗溫性差的問題，嚴(yán)重時會引起水泥漿稠化時間“倒掛”現(xiàn)象(指同一水泥漿配方溫度越高水泥漿稠化時間越長)，無法滿足長封固段固井作業(yè)要求。現(xiàn)有油井水泥降濾失劑普遍選用單體2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酰胺(AM)為第一、第二單體，配合其他第三、第四單體例如丙烯酸、甲基丙烯酸、二元羧酸等富含吸附基團(tuán)的單體，采用水溶液聚合法進(jìn)行合成。其中存在的主要問題有：(1)單體組合中富含羧基、氨基等吸附基團(tuán)的單體如丙烯酸、二元羧酸的使用對增強(qiáng)降濾失劑的降失水效果明顯，但過量吸附基團(tuán)的引入會延遲水泥漿稠化時間，甚至產(chǎn)生超緩凝現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的正常使用，對固井設(shè)計造成干擾。(2)單體組合中含有較大比例的丙烯酰胺，其酰胺基團(tuán)在溫度大于70℃會發(fā)生水解，易導(dǎo)致水泥漿過度緩凝，甚至稠化時間“倒掛”現(xiàn)象(指同一水泥漿配方溫度越高水泥漿稠化時間越長)，無法滿足長封固段固井作業(yè)要求。(3)現(xiàn)有油井水泥降濾失劑難以滿足低密度固井作業(yè)需求?，F(xiàn)有共聚物類降濾失劑都存在一定的緩凝作用，有些是因?yàn)閱误w的使用，例如丙烯酰胺、丙烯酸等，有些是因?yàn)閷禐V失劑分散性能的設(shè)計，造成產(chǎn)品對水泥顆粒多度分散吸附。而在低密度固井作業(yè)中，水灰比往往從常規(guī)固井的0.44～0.55調(diào)高至0.90～1.20，甚至1.40，水灰比的提高會延遲水泥漿的稠化時間，加之低溫條件水泥水化速度變慢，水泥漿稠化時間進(jìn)一步延長，任何調(diào)凝外加劑情況下，稠化時間往往超過設(shè)計時間，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過。從目前固井工藝技術(shù)看，延長水泥漿稠化時間技術(shù)比縮短更加成熟穩(wěn)定，且對水泥石強(qiáng)度無副作用。當(dāng)前固井用降濾失劑普遍存在抗溫、抗鹽能力差以及與其他外加劑配伍性差等問題，而隨著油氣勘探進(jìn)一步向深部復(fù)雜地層發(fā)展，對固井降濾失劑在抗溫、抗鹽方面提出更高的要求。AMPS類共聚物固井降濾失劑是近幾年開發(fā)的新一代降濾失劑，具有較好的降失水效果，但此類降濾失劑均不同程度存在緩凝作用，使產(chǎn)品或難以滿足固井需求尤其是長封固段固井作業(yè)，或中低溫固井， 尤其是低密度固井等特殊作業(yè)需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明致力于提供一種油井水泥降濾失劑及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明的油井水泥降濾失劑可用于石油、天然氣鉆采固井作業(yè)中降低水泥漿中液相向地層的滲透。該降濾失劑對水泥漿無緩凝作用，可應(yīng)用于30℃～200℃固井作業(yè)中，抗鹽可達(dá)飽和，尤其可同時滿足高溫超高溫以及低溫低密度固井作業(yè)需求。本發(fā)明的目的之一是提供一種油井水泥降濾失劑，所述降濾失劑包含按重量份數(shù)計的以下組分：其中，N，N-二甲基丙烯酰胺優(yōu)選15～40份。所述油井水泥降濾失劑的相對分子質(zhì)量可為300000～1000000。本發(fā)明的油井水泥降濾失劑產(chǎn)品配方中用單體N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)取代容易導(dǎo)致高溫下過度緩凝甚至稠化時間“倒掛”的丙烯酰胺(AM)，從而使用溫度范圍更廣，并同時引進(jìn)了N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的抗溫性能，抗溫可達(dá)200℃且無緩凝作用。本發(fā)明的目的之二是提供所述油井水泥降濾失劑的制備方法，所述制備方法可為水溶液聚合方法。本發(fā)明采用單因素變量法分別考察總單體濃度、引發(fā)劑加量、反應(yīng)pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對所得四元共聚物表觀粘度和降失水性能的影響。其中，引發(fā)劑加量和反應(yīng)pH值對于四元共聚物的表觀粘度以及降失水性能影響最大，進(jìn)而保持其他反應(yīng)條件不變，同時改變引發(fā)劑加量和反應(yīng)pH值，分別制得一系列具有相同表觀粘度的四元共聚物產(chǎn)品若干，以分子量以及水泥漿稠化時間為 評價指標(biāo)，最終得到表觀粘度適宜且無緩凝作用的四元共聚物。最佳四元共聚物10％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液表觀粘度在6～16mPa·s，最佳相對分子質(zhì)量位于300000～1000000。具體地，所述水溶液聚合方法可包括以下步驟：將包含所述四種組分在內(nèi)的組分溶解于水(所述水可為去離子水或蒸餾水)中，將該溶液pH值調(diào)為4～10(可用本領(lǐng)域常用的pH調(diào)節(jié)劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，如氫氧化鈉溶液)，此過程控制溶液溫度小于50℃(控制溫度的方法可為恒溫水浴)；再加熱溶液至50～55℃時，通氮?dú)?0～60min后加入引發(fā)劑，繼續(xù)升溫至70～80℃，保溫3～5h，制得四元共聚物無色液體，即為所述油井水泥降濾失劑。其中，所述四種組分的加入步驟可為：先在水中加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸，將溶液pH值調(diào)至5.0～6.5，再加入N-乙烯基吡咯烷酮和N，N-二甲基丙烯酰胺，攪拌后調(diào)pH值至6.0～8.0。所述引發(fā)劑為氧化還原體系，包含氧化劑和還原劑；所述氧化劑可選自過硫酸銨或過硫酸鈉中的至少一種，所述還原劑可選自亞硫酸氫鈉或亞硫酸鈉中的至少一種；其中，以所述油井水泥降濾失劑的總重量份數(shù)(指所述四種組分的總重量份數(shù))為100重量份計，所述氧化劑加入量為0.1～1.0重量份，優(yōu)選0.4～1.0重量份，還原劑加量(重量)與氧化劑加量(重量)相同。本發(fā)明的目的之三是所述油井水泥降濾失劑在石油、天然氣鉆采固井作業(yè)中的應(yīng)用。本發(fā)明的油井水泥降濾失劑相比現(xiàn)有的油井水泥漿降濾失劑，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1.從官能團(tuán)種類與數(shù)量分布入手，分別進(jìn)行單體優(yōu)選和聚合反應(yīng)條件的控制，本發(fā)明產(chǎn)品對水泥漿無緩凝作用，可滿足中低溫固井作業(yè)要求，尤其可用于低溫低密度固井作業(yè)需求。2.剛性結(jié)構(gòu)如含有大側(cè)鏈、環(huán)狀結(jié)構(gòu)的單體的引入提高了本發(fā)明產(chǎn)品的抗溫能力，最高使用溫度可達(dá)200℃。3.分子量及其分布的合理設(shè)計，使本發(fā)明產(chǎn)品不會對水泥顆粒產(chǎn)生多度吸附且兼具一定分散性能，使用時可不添加分散劑，水泥漿依然具備良好流變性。本發(fā)明的效果本發(fā)明的降濾失劑在高溫(200℃)、飽和(NaCl)鹽水條件下降濾失效果仍然優(yōu)良，且對水泥漿無緩凝影響。對于淡水水泥漿，本發(fā)明產(chǎn)品加量超過3.0％時，在120℃以內(nèi)可將濾失量控制在100mL以內(nèi)，且水泥漿初始稠度低，過渡時間短，稠化線形良好，抗壓強(qiáng)度適中；對于飽和NaCl鹽水水泥漿，當(dāng)本發(fā)明的降濾失劑加量超過4.0％時，可將濾失量控制在80mL以內(nèi)。附圖說明附圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的降濾失劑產(chǎn)品A1的熱失重曲線圖，由圖中可以看出，隨著溫度升高，當(dāng)溫度到達(dá)100℃時，由于水分蒸發(fā)，出現(xiàn)了明顯的熱失重。當(dāng)水分全部蒸發(fā)后，固體共聚物質(zhì)量趨于平穩(wěn)，直到380℃，固體共聚物出現(xiàn)了明顯的熱失重，這說明該降濾失劑共聚物在溫度高于380℃以后才發(fā)生明顯質(zhì)量損失，因此其分解溫度高于380℃，具有很強(qiáng)的耐熱性能。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。實(shí)施例中所用的化學(xué)試劑均為市售。實(shí)施例1本發(fā)明油井水泥降濾失劑的制備向反應(yīng)釜內(nèi)加入400kg蒸餾水，在攪拌的條件下，向釜內(nèi)依次加入稱量好的62.4kg2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、18.7kg衣康酸(IA)，用20％氫氧化鈉溶液將釜內(nèi)溶液pH值調(diào)至6.5，然后向釜內(nèi)加入準(zhǔn)確計量的單體組分26.8kgN-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和24.9kgN，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)，此過程中釜內(nèi)溶液溫度保持低于50℃，攪拌均勻后將釜內(nèi)混合液pH值調(diào)至7.5。然后進(jìn)行升溫，待釜內(nèi)溶液溫度升至55℃，通氮?dú)?0min后，將26.5L過硫酸銨溶液(50g/L)和26.5L亞硫酸氫鈉溶液(50g/L)同時加入反應(yīng)釜內(nèi)。繼續(xù)升溫至80℃，保溫3h后，降溫，制得無色透明液體，即為本發(fā)明的油井水泥降濾 失劑，編號為A1。實(shí)施例2本發(fā)明油井水泥降濾失劑的制備向反應(yīng)釜內(nèi)加入400kg蒸餾水，在攪拌的條件下，向釜內(nèi)依次加入稱量好的89.3kg2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、8.9kg衣康酸(IA)，用20％氫氧化鈉溶液將釜內(nèi)溶液pH值調(diào)至5.0，釜內(nèi)溶液溫度保持低于50℃。然后向釜內(nèi)加入準(zhǔn)確計量的單體組分24.1kgN-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和13.4kgN，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)，此過程中釜內(nèi)溶液溫度保持低于50℃，攪拌均勻后將釜內(nèi)混合液pH值調(diào)至6.0。然后進(jìn)行升溫，待釜內(nèi)溶液溫度升至50℃，通氮?dú)?0min后，將13.3L過硫酸銨溶液(50g/L)和13.3L亞硫酸氫鈉溶液(50g/L)同時加入反應(yīng)釜內(nèi)。繼續(xù)升溫至70℃，保溫5h后，降溫，制得無色透明液體，即為本發(fā)明的油井水泥降濾失劑，編號為A2。實(shí)施例3本發(fā)明油井水泥降濾失劑產(chǎn)品A1的降失水性能評價按水泥漿配方(G級水泥+35％硅粉+(1～8.0)％A1+44％自來水，按水泥重量百分?jǐn)?shù)計算)分別測試淡水水泥漿和飽和NaCl鹽水水泥漿失水量，測試方法按照GB/T19139—2003《油井水泥試驗(yàn)》進(jìn)行，測定條件按照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5504.2—2005《油井水泥外加劑評價方法第2部分:降濾失劑》測試120℃條件下的API失水量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表1。表1實(shí)施例1的產(chǎn)品A1的降失水性能由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，淡水水泥漿的失水量隨著降濾失劑加量的增加先急 劇降低隨后趨于平緩。當(dāng)降濾失劑加量大于3.0％時，失水可控制在100mL以內(nèi)；當(dāng)加量分別為4.0％、5.0％、6.0％、8.0％時，淡水水泥漿失水量分別為51mL、46mL、34mL、26mL，說明此降濾失劑在加量大于3.0％時對淡水水泥漿具有良好的降濾失能力。飽和NaCl鹽水水泥漿體系與淡水泥漿表現(xiàn)出相同的失水趨勢，但飽和NaCl鹽水體系的失水量均高于淡水體系。當(dāng)降濾失劑加量大于4.0％時，飽和NaCl鹽水水泥漿失水量可控制在80mL以內(nèi)；當(dāng)加量分別為5.0％、6.0％、8.0％時，飽和NaCl鹽水水泥漿失水量分別為62mL、50mL、30mL。說明此降濾失劑在加量大于4.0％時對飽和NaCl鹽水水泥漿具有良好的降濾失能力，抗鹽性能優(yōu)異。實(shí)施例4本發(fā)明油井水泥降濾失劑產(chǎn)品A1的抗溫性能評價針對A1的抗溫性能評價從兩方面開展，一方面針對A1自身四元共聚物的熱分解溫度，即采用TGA/DSC1型同步熱分析儀測定降濾失劑的熱分解溫度，測試溫度范圍為30～500℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見附圖1；另一方面，將A1按照水泥漿配方(G級水泥+35％硅粉+6.0％A1+44％自來水，按水泥重量百分?jǐn)?shù)計算)分別測試在不同溫度下水泥漿的失水量，測試方法按照GB/T19139—2003《油井水泥試驗(yàn)》進(jìn)行，測定條件按照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5504.2—2005《油井水泥外加劑評價方法第2部分:降濾失劑》測試120℃、140℃、160℃、180℃、200℃條件下的API失水量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表2。表2實(shí)施例1的產(chǎn)品A1的抗溫性能實(shí)驗(yàn)溫度(℃)120140160180200API失水量(mL)3440485876由附圖1可知，產(chǎn)品A1四元共聚物的熱分解溫度為380℃。由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著實(shí)驗(yàn)溫度升高，水泥漿失水量逐漸增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為200℃、降濾失劑加量為G級水泥的6.0％時，水泥漿失水量僅為76mL，表現(xiàn)出很好的抗溫性能。實(shí)施例5本發(fā)明油井水泥降濾失劑產(chǎn)品A1對稠化時間影響評價將產(chǎn)品A1與油田常用的AMPS/AM類降濾失劑DZJ-1(此商品系中國石化石油工程技術(shù)研究院第一代油井水泥降濾失劑產(chǎn)品DZJ-1)進(jìn)行對比，測試對稠化時間的影響評價，按同一水泥漿配方(G級水泥+6％降濾失劑+44％自來水，按水泥重量百分?jǐn)?shù)計算)，測試方法按照GB/T19139—2003《油井水泥試驗(yàn)》進(jìn)行，測試條件按照SY/T5504.1—2005《油井水泥外加劑評價方法第1部分:緩凝劑》，分別測試兩種降濾失劑在同一水泥漿配方，隨著測試溫度升高，稠化時間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表3。表3不同降濾失劑對稠化時間的影響評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果表3表明，加入本發(fā)明產(chǎn)品A1的水泥漿基本無緩凝作用，與不含任何降濾失劑的水泥漿的稠化時間基本一致，并且隨著溫度的升高，稠化時間隨之縮短。然而AMPS/AM類共聚物的加入，不但對水泥漿產(chǎn)生一定緩凝效果，而且隨著溫度的升高，出現(xiàn)了稠化時間隨之延長的水泥漿稠化時間“倒掛”現(xiàn)象。當(dāng)前第1頁1 2 3