[发明专利]一种改性磷铝酸盐水泥缓凝剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种油田固井改性磷铝酸盐水泥木质素磺酸钠接枝聚合物缓凝剂，属于油田化学及油气井固井领域。采用该方法制备的缓凝剂用于石油、天然气固井作业中延长改性磷铝酸盐水泥浆稠化时间。

背景技术

油气井固井使用的水泥多为硅酸盐水泥体系。近年来，固井硅酸盐水泥石的CO₂腐蚀问题倍受关注。井下高温、高压和潮湿环境下，高浓度的CO₂在短时间内就会对硅酸盐水泥石产生严重腐蚀，导致油气采收率降低、CO₂埋存失败等严重后果。可见，硅酸盐水泥石已不能满足含高浓度CO₂地层中的油气井长期封固的要求。

往磷铝酸盐水泥中掺入一定量偏磷酸盐制成的改性磷铝酸盐水泥具有早强、高强的特点，具有很强的耐CO₂腐蚀特性，可用于高含CO₂井固井。大量的可溶性磷酸盐的加入加速了磷灰石的形成，改性磷铝酸盐水泥在75℃、常压下的稠化时间仅为5min，且10min时就会硬化。

合理的稠化时间是确保注水泥作业成功的关键。适当的稠化时间可以保证水泥浆在泵送顶替过程中一直保持液体可泵状态，避免水泥浆在泵送过程中发生桥堵，保证固井施工的安全。经室内试验研究，木质素磺酸钠对改性磷铝酸盐水泥具有明显的缓凝作用，但结构上的天然差异会造成木质素磺酸钠作为缓凝剂使用的性能不稳定。有理论指出，采用不饱和单体接枝木质素磺酸盐而得到的接枝聚合物可改善木质素磺酸盐的分子量分布，扩大了应用范围。因此，适用于改性磷铝酸盐水泥的木质素磺酸钠接枝聚合物缓凝剂的研制成为该水泥能够用于油气井固井工程的关键。

木质素磺酸盐接枝反应常用的不饱和单体主要有丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、苯乙烯、衣康酸以及2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烯酸等。目前，木质素磺酸盐接枝聚合物分别作为减水剂、降滤失剂用于建筑水泥和油气钻井液中。

“AM/AMPS/木质素磺酸接枝共聚物降滤失剂的合成与性能”(《精细石油化工进展》期刊)涉及一种木质素磺酸接枝聚合物降滤失剂，但该降滤失剂适用于油气钻井液，共聚物接枝使用了丙烯酸不饱和单体，用于水泥浆中具有增稠的负面影响。

“木质素降滤失剂和絮凝剂的合成及性能测试”(天津大学硕士学位论文)涉及一种木质素絮凝剂，该絮凝剂使用丙烯酰胺与木质素磺酸钠接枝共聚，耐盐效果良好，耐温性能较差。

利用本发明的木质素接枝聚合物缓凝剂配制的水泥浆，稠化时间在同一温度下随着缓凝剂掺量的增减而增减，稠化时间容易调节，稠化曲线规律，“直角效应”良好，且对水泥浆失水、浆体稳定性以及强度发展性能没有影响，可以保证固井施工的安全和质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油田固井用改性磷铝酸盐水泥木质素磺酸钠接枝聚合物缓凝剂。该聚合物缓凝剂在延长水泥浆稠化时间的同时还可以改善水泥浆的流变特性，与降失水剂等外加剂配伍，具有良好的相容性，对水泥浆综合性能没有影响。

为达到上述目的，本发明提供了一种木质素磺酸钠接枝聚合物缓凝剂及制备方法：a)配制原料水溶液，所述原料水溶液包括木质素磺酸钠(SL)和两种不饱和单体：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和衣康酸(IA)，两种单体的重量份数为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)70份～99份，衣康酸(IA)1份～30份，将两种单体溶于去离子水中；木质素磺酸钠(SL)的重量份数为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)与衣康酸(IA)重量份数的总和；

b)将溶液加入到反应容器中，将反应容器放入65℃的恒温水浴中，用搅拌器恒速搅拌，并向反应容器中通入氮气排除氧气，待反应容器内水溶液的温度达到65℃以后，加入占单体质量总和0.5％～1.5％的过硫酸钾用以引发反应，反应时间为3.5小时，制成木质素磺酸钠接枝聚合物溶液，经干燥、粉碎得到木质素磺酸钠接枝聚合物缓凝剂。

反应单体的总浓度影响聚合反应速率和产物缓凝性能。单体总浓度过大，易发生暴聚或产物粘度过大；反之，单体总浓度过小则易造成反应速率过低，产品有效浓度降低。因此本发明优选的单体重量总和占去离子水重量的28％～33％。