适用超宽温差固井的油井水泥高温缓凝剂组成及其制备方法

本发明涉及油气井，具体涉及一种适用超宽温差固井的油井水泥高温缓凝剂组成，一种高温缓凝剂的制备方法。

背景技术：

1、随着我国常规油气资源的不断开采，目前超深层勘探开发的迫切性日益凸显，深井超深井开采已成为中国石油增储上产、效益增长的主体和未来上游业务发展的重要战略领域。目前深井超深井固井作业不仅面临着突出的高温问题而且随着当前进一步简化井身结构、节约成本、提高钻井效率的新要求，深井固井面临着越来越多的一次性长封固段固井难题。长封固段固井时，由于一次性上返封固井段较长，封固段的顶部和底部的温差大。这对固井水泥浆的设计提出了进一步的挑战，由于水泥浆体系均以井底温度为准进行设计，为了保证高温条件下水泥浆的安全泵送，通常加入了大量的高温缓凝剂以起到延长稠化时间、延长可泵送时间的目的，但在缓凝剂适应高温高压环境的同时，在固井过程随着水泥浆“升温升压—高温高压保持—降温降压”阶段的转换，常规高温缓凝剂在封固段顶部的低温环境下易出现缓凝甚至超缓凝现象，导致水泥浆在侯凝过程中上部水泥强度形成缓慢，有时甚至长时间不能凝固，或形成凝胶状态，由于不传递液柱压力，从而导致液窜等复杂情况发生。因此如何在超宽温差固井中有效控制不同温度压力条件下固井水泥浆的合理稠化时间显得非常关键。

2、cn101967371a公开了一种抗高温油井水泥缓凝剂，该缓凝剂组成包括2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(amps)、衣康酸(ia)、丙烯酰胺(am)和n,n-二甲氨基丙基丙烯酰胺(dmapaa)，质量比为82-91:10-26:8-30:31-38，该高温缓凝剂抗温能力可达180℃，在中低温条件下水泥石强度发展较为迅速但强度较低，不能满足超宽温差固井中上部低温水泥强度形成缓慢甚至超缓凝的问题。

3、cn117624468a公开了一种有机-无机复合型大温差强度调节剂，由于含有机物螯合钙离子和羧基，同时具有缓凝和促进低温段水泥石早期强度发展的优点，有效解决了大温差固井顶部水泥浆强度发展缓慢的问题。但是该大温差强度调节剂在使用过程中还需要加入一定量的缓凝剂对高温段稠化时间进行调节，现场使用还需要考虑与高温缓凝剂之间配伍性的问题，且混浆比较繁琐。

4、文献“油井水泥大温差缓凝剂的合成及性能研究”中，以2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(amps)、丙烯酸(aa)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(dmc)和长链季铵盐(dbrc)为单体，合成了一种油井水泥大温差缓凝剂，其具有可靠的抗温及调凝效果,加入该缓凝剂的水泥浆体系在150℃高温条件下保持良好的稠化性能，在60℃下养护的水泥石抗压强度发展快强度高。但该缓凝剂适用温度范围偏小，不能充分满足超宽温差固井中上部与下部之间的温度范围要求。

5、目前为了解决超宽温差固井中高温大温差固井稠化时间与候凝时间之间无法有效协调的矛盾，重点凸显在上部水泥强度形成缓慢甚至超缓凝这一问题上，通常从缓凝剂或强度调节剂性能出发，研发了种类繁多的聚合物类大温差缓凝剂及强度调节剂。这些外加剂调凝效果虽然较好，但应用适用温度范围普遍偏小，或存在应用制备及使用过程繁杂等问题。因此，本发明提供了一种适用超宽温差固井的复合型油井水泥高温缓凝剂，该缓凝剂为一种有机-无机复合型高温缓凝剂，有效解决了超宽温差固井时稠化时间与候凝时间难以协调的矛盾，可显著缩短固井施工候凝时间，减少施工风险，降低施工成本。

技术实现思路

1、本发明展示了一种适用超宽温差固井的油井水泥高温缓凝剂组成及其制备方法，在确保高温稠化性能良好的同时，最大程度提升上部水泥低温早强性能，显著缩短固井施工候凝时间，该复合型聚合物缓凝剂不仅可以确保水泥浆直角稠化性能，而且可以避免低温环境下的超缓凝现象的出现，对水泥浆体系的其他性能也没有较大的干扰影响，能够有效突破超宽温差固井缓凝剂发展的技术瓶颈。

2、为了完美实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：一种适用超宽温差固井的油井水泥高温缓凝剂组成单体有：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、衣康酸(ia)，阳离子型疏水单体，无机吸附材料为自制有机插层改性膨胀蛭石。所述合成单体及有机插层改性膨胀蛭石重量份为：amps：40-60份、ia：15-35份、阳离子型疏水单体：20-30份、有机插层改性膨胀蛭石：40-60份。

3、所述的一种适用超宽温差固井的油井水泥高温缓凝剂制备过程如下：首先排除反应容器三颈烧瓶中的氧气，称取40-60重量份2-丙烯基酰胺基-2-甲基丙磺酸(amps)、10-30重量份阳离子型疏水单体加入到150-200重量份去离子水中，用搅拌器混合均匀，得到混合反应溶液，将混合反应溶液全部倒入磨口三颈烧瓶；使用5mol/l的naoh溶液将反应溶液ph值调平至3-5，保持搅拌转速在200-400r/min，并将水浴箱温度调节至60-70℃；再将15-35重量份衣康酸(ia)溶解于50重量份去离子水中搅拌均匀后，待烧杯内溶液状态稳定，用滴管快速滴加混合；接着配置引发剂溶液，引发剂溶液需要以5-10ml/min的滴加速率滴加至磨口三颈烧瓶内，保持55℃-65℃反应温度，搅拌一定时间后出现微黏稠液体，得到聚合物凝胶；在搅拌速率为200-300r/min恒速搅拌下，待上述反应进行一定时间后，最后再将40-60重量份有机插层改性膨胀蛭石溶解于60-90重量份去离子水中，再均速缓慢移入三颈烧瓶中，水浴箱温度调节至80-90℃，搅拌反应6-12h，直至无明显沉淀，得到深黄色微黏稠液体，即为超宽温差固井高温缓凝剂。

4、所述超宽温差固井高温缓凝剂有机部分含有式1所示的构成单元a、式2所示的构成单元b、式3所示的构成单元c。

5、

6、所述构成单元a、构成单元b、构成单元c中的r1、r2、r3相同或不同，可以为h、甲基、乙基、异丙基或者构成单元a、b、c，所述构成单元b中的n为16、18、20、或22。所述合成单体总质量去离子水用量的30-55重量％，无机物质量为去离子水用量的30-50重量％。

7、所述有机插层改性膨胀蛭石制备包括以下步骤：使用配制质量浓度为10-15％的双氧水溶液100重量份；称取2重量份柠檬酸粉末，加入上述双氧水溶液中，充分搅拌至完全溶解。称取60-80目蛭石样品30重量份，倒入上述柠檬酸-双氧水溶液中，用玻璃棒充分搅拌均匀后盖上保鲜膜，30℃条件下静置6-12h，获得预膨胀蛭石样品。将获得的样品在钢制容器中均匀铺平，置于600℃高温马弗炉中瞬时焙烧膨胀，5分钟后取出，然后使用去离子水洗涤3-5次后烘干，获得膨胀蛭石；再将获得的样品放入1mol/l的nacl溶液进行钠化处理30min，再放入0.003mol/lhcl溶液进行酸化处理，浸泡处理的时间为1-2h，然后使用去离子水洗涤3-5次至ph值大于6.5，放入烘箱低温烘干；之后在锥形瓶中加入将获得的样品与去离子水的质量比为1:5配制成的悬浮液，使蛭石充分润湿、分散；以以上样品固含量为基准，将有机插层剂十六烷基三甲基溴化铵(ctab)5-10重量份，快速滴入锥形瓶中，搅拌速率200-300r/min，恒速搅拌2h后，再加入硅烷偶联剂kh-550，3-6重量份，反应温度85-90℃，搅拌反应2h，然后洗涤，低温烘干，获得有机插层改性膨胀蛭石，烘干筛选100-150目颗粒备用。

8、所述引发剂溶液为氧化还原体系组合，其中，氧化剂为过硫酸钾或过硫酸铵，还原剂为亚硫酸钠或亚硫酸氢钠，氧化剂与还原剂用量的重量比为3-5:2-4。所述引发剂的用量为合成单体总用量的0.8-2重量％。

9、就目前超宽温差固井缓凝剂技术而言，本发明有以下优势：

10、1、本发明是以含磺酸基团的水溶性阴离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(amps)作为主单体，以含大量羧酸官能团的有机酸和含长链烷基的阳离子疏水单体为次单体，聚合形成耐高温且不易分解的三元共聚物缓凝剂前躯体，再引入有机插层改性膨胀蛭石，接枝聚合形成一种超宽温差固井有机-无机复合型高温缓凝剂。磺酸基、酰胺基团的引入使该缓凝剂有机部分分子结构稳定，在高温下不易分解且具有两亲性。引入综合结构修饰后的具有高比表面积、优异孔径分布、大量接枝位点、和静电吸附特性的蛭石材料与水泥颗粒之间对缓凝剂分子存在竞争吸附关系，经系列优化实验，使得共聚物分子与蛭石材料随温度变化具有动态“解吸—吸附”特性。

11、2、利用蛭石层间域内阳离子具有可交换的特性，使用一种阳离子插层剂，该插层剂提供的阳离子可通过离子交换插入蛭石层间域内。低温环境下，聚合物主链在静电吸附作用下紧密贴合在吸附材料表面，高温环境下，缓凝剂分子链热运动加剧，聚合物侧链基团逐渐显露出更多缓凝基团，从而保证缓凝剂在高温条件下的缓凝性能，实现“高温缓释，低温吸附”效果。

12、3、本发明通过制备一种适用超宽温差固井的油井水泥高温缓凝剂来对超宽温差固井水泥浆高温稠化性能及低温早强性能进行调控。其既满足高温大温差长封固段固井施工较长的缓凝时间需求，同时又有显著的低温早强性能。

13、4、合成该复合型聚合物缓凝剂的原材料来源广泛丰富，成本低，合成条件成熟，使用方便，具有非常好的推广应用前景。