用于固井水泥浆的发泡剂及其制备方法与流程

本发明涉及油气井固井工程，尤其涉及一种用于固井水泥浆的发泡剂及其制备方法。

背景技术：

1、随着石油勘探开发的进程，越来越多的遇到低压地层、薄弱地层等容易发生漏失的地层。低密度水泥浆体系是解决低压易漏层固井问题的有效手段。目前，低密度水泥浆体系主要通过掺入常规需水材料、空心减轻材料、泡沫等来降低密度。其中，泡沫相比于其他减轻材料具有减重效果显著、成本低等优点，利用泡沫得到的水泥浆要比用需水材料、空心减轻材料降低密度得到的水泥浆具有更高的抗压强度，且泡沫水泥具有一定弹性，可压缩，可膨胀，导热系数低，已在低压地层、低压枯竭油藏、深水等领域进行了广泛应用。泡沫水泥浆的制备方式有2种：一种是化学发泡，它是利用化学剂在水泥浆中反应产生氧气、氢气、氨气、氮气等而形成泡沫水泥；另一种是机械充气法，它是利用发泡剂的表面活性作用，通过机械搅拌或机械充氮在水泥浆中引入均匀细小的泡沫。相比之下，化学发泡工艺简单、设备要求低，但发气量较小，降低密度受到限制，而且氧气、氢气、氨气等易燃易爆，不适用于对防爆等级要求很高的油气井固井现场。虽然机械充气所需设备较庞大，工艺设计和施工都相对复杂，但注气量大、施工连续性好，且安全性强，因此机械充气法更适合于固井现场，目前国内外均主要采用机械充气法制备泡沫固井水泥浆。

2、发泡剂是配制泡沫低密度固井水泥浆的关键，表面活性剂是目前最常用的一种发泡剂类型。然而，目前现有的表面活性剂在油气井高温高压高排量等复杂环境下，发泡能力弱、泡沫稳定性差，无法满足作业需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于固井水泥浆的发泡剂及其制备方法，以解决目前现有的表面活性剂在油气井高温高压高排量等复杂环境下，发泡能力弱、泡沫稳定性差，无法满足作业需求的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

3、第一方面，本发明提供的用于固井水泥浆的发泡剂，所述发泡剂的分子结构式如下：

4、

5、其中，m＝8～15，m为正整数，n＝0或3～5，n为0或正整数，x为br或cl，s为苯基或二联苯基或亚奈基；

6、制备所述发泡剂的原料包括：试剂a、n,n-二甲基-1,3-二氨基丙烷和试剂b；

7、其中，试剂b为二卤代连苯或二卤代萘；

8、其中，当n＝0时，试剂a为含有甲酯基团的长链羧酸；含有甲酯基团的长链羧酸与n,n-二甲基-1,3-二氨基丙烷的物质量之比为1:1.1～1:1.25；

9、当n＝3～5时，试剂a为同时含有甲酯基团和聚乙二醇链的长链羧酸，同时含有甲酯基团和聚乙二醇链的长链羧酸与n,n-二甲基-1,3-二氨基丙烷的物质量之比为1:1.2～1:1.5；

10、试剂a与n,n-二甲基-1,3-二氨基丙烷反应得到中间体，中间体与试剂b的物质量之比为2.2:1～2.4:1。

11、在可选的实施方式中，

12、当n＝0时，m的范围为11～15。

13、在可选的实施方式中，

14、当n＝3～5时，m的范围为8～10。

15、第二方面，本发明提供的所述的用于固井水泥浆的发泡剂的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤1：将试剂a与n,n-二甲基-1,3-二氨基丙烷，以无水乙醇作为溶剂，在催化剂的催化作用下，回流反应、减压蒸馏得到中间体甲酯基酰胺丙基二甲基胺；

17、步骤2：将中间体、试剂b与有机溶剂混合，回流反应、去除有机溶剂，重结晶后真空干燥，得到目标产物发泡剂。

18、在可选的实施方式中，

19、步骤2中，采用所述重结晶的方法进行提纯，使用乙醇与乙酸乙酯体积比为1:5的混和溶剂结晶3-5次。

20、在可选的实施方式中，

21、步骤1中，当n＝0时，m的范围为11～15，步骤1中的反应温度为110～120℃，步骤1中的回流反应时间为14～16h；

22、步骤1中，当n＝3～5时，m的范围为8～10，步骤1中的反应温度为120～140℃，步骤1中的回流反应时间为16～18h。

23、在可选的实施方式中，

24、步骤2中的反应温度为120～140℃，步骤2中的回流反应时间为20～30h。

25、在可选的实施方式中，

26、所述有机溶剂为醇溶剂。

27、在可选的实施方式中，

28、所述有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇中的至少一种。

29、在可选的实施方式中，

30、所述催化剂为nah和al2o3的混合物。

31、综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：

32、(1)本发明提供的用于固井水泥浆的发泡剂中的间隔基为连苯基或萘基，属于刚性间隔基团，使得分子链具有更高的耐温能力，使得水泥浆在井下高温条件下仍具有良好的稳定性。

33、(2)特殊的双子结构使得兼具较低的krafft温度和良好的水溶性，有利于减少掺量浓度和在地面温度下配制水泥浆。

34、(3)相比于传统长链烷烃表面活性剂，表面活性优异，具有良好的起泡能力和泡沫稳定性。

35、(4)相比于传统长链烷烃表面活性剂型发泡剂，可降解酰胺基团的引入提高了本发明发泡剂生物或化学降解性能，属于环境友好型材料。

技术特征：

1.一种用于固井水泥浆的发泡剂，其特征在于，所述发泡剂的分子结构式如下：

2.根据权利要求1所述的用于固井水泥浆的发泡剂，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的用于固井水泥浆的发泡剂，其特征在于，

4.一种如权利要求1-3任一项所述的用于固井水泥浆的发泡剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

技术总结本发明涉及油气井固井工程技术领域，尤其涉及一种用于固井水泥浆的发泡剂及其制备方法。本发明提供的用于固井水泥浆的发泡剂，发泡剂的分子结构式如下：其中，m＝8～15，n＝0或3～5，X为Br或Cl，S为苯基或二联苯基或亚奈基；原料包括：试剂a、N,N‑二甲基‑1,3‑二氨基丙烷和试剂b；试剂b为二卤代连苯或二卤代萘；当n＝0时，试剂a为含有甲酯基团的长链羧酸；含有甲酯基团的长链羧酸与N,N‑二甲基‑1,3‑二氨基丙烷的物质量之比为1:1.1～1:1.25；当n＝3～5时，试剂a为同时含有甲酯基团和聚乙二醇链的长链羧酸，同时含有甲酯基团和聚乙二醇链的长链羧酸与N,N‑二甲基‑1,3‑二氨基丙烷的物质量之比为1:1.2～1:1.5；试剂a与N,N‑二甲基‑1,3‑二氨基丙烷反应得到中间体，中间体与试剂b的物质量之比为2.2:1～2.4:1。技术研发人员：任强,高飞,费中明,李进,冯冠雄,刘景丽,彭松,刘艳军,姚明,任路,张晔,陈斌,聂伟,马骏,杨豫杭,曹洪昌,田宝振,明祥贵,程海林,杨增民,宋剑鸣,张小建,贺兴伟,张艳萍,王菁,张静林,姜鹏,李立华,刘泸萍受保护的技术使用者：中国石油集团渤海钻探工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/19