一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法，采用该方法制备的缓凝剂是一种四元共聚物，共聚单体为2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、苯乙烯磺酸钠(SSS)、衣康酸（IA）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢钠。本发明专利技术制备的缓凝剂可明显延长改性铝酸盐水泥浆的稠化时间，并且使改性铝酸盐水泥浆在稠化过程中无闪凝、“包心”现象，40Bc～100Bc过渡时间短，稠化时间可调，对改性铝酸盐水泥石的抗压强度影响较小。

【技术实现步骤摘要】
一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法
本专利技术涉及一种水泥缓凝剂及其制备方法，尤其涉及一种改性铝酸盐水泥(即一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳水泥体系：专利号为ZL201310030129.2，2015年6月3号授权)缓凝剂及其制备方法。
技术介绍
目前，油气井固井使用的水泥大多为常规硅酸盐类水泥。作为油气伴生气之一的二氧化碳在各种油气藏中普遍存在，并且随着二氧化碳埋存与二氧化碳驱油等技术的发展，大量的二氧化碳需要往地层中注入，地层中的二氧化碳浓度逐渐升高。在井下高压、高温、潮湿的环境下，高浓度的二氧化碳会严重腐蚀硅酸盐水泥环，其腐蚀表现为渗透率升高、水泥石的强度降低等，导致固井水泥环丧失其封固性，最终造成油气井的采收率下降、二氧化碳埋存失败等严重后果。所以，硅酸盐水泥石已不能满足高含二氧化碳地层中油气井长期封固的要求，需要研究新型的耐二氧化碳腐蚀固井水泥体系来替代硅酸盐水泥体系，以改善水泥石的耐二氧化碳腐蚀性能。铝酸盐水泥是一种特种胶凝材料，具有优异的耐二氧化碳腐蚀性能，但其水泥石后期强度会出现严重倒缩。课题组前期已经研制出一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，也称为改性铝酸盐水泥，并于2015年6月3号授权，其专利号为ZL201310030129.2。经测试该水泥体系消除了水泥石的后期强度倒缩问题，并具有优良的耐腐蚀性能。合理的稠化时间是确保注水泥作业成功的关键。但未添加缓凝剂的改性铝酸盐水泥的稠化时间只有4min，远远满足不了固井工程的需要，故需要添加缓凝剂来调节该水泥体系的稠化时间。前期研究中从常用的硅酸盐油井水泥的缓凝剂中进行了优选，但都不能满足固井作业的需求，因此，研制一种适用于改性铝酸盐水泥的缓凝剂成为该水泥体系能够用于油气井固井工程的关键。目前，已有许多种类的油井水泥缓凝剂用于硅酸盐水泥的固井作业中，而针对于改性铝酸盐水泥缓凝剂的研究还未见报道。硅酸盐水泥与改性铝酸盐水泥的矿物成分差别较大，硅酸盐水泥的主要矿物成分为硅酸三钙(3CaO·SiO2)和硅酸二钙(2CaO·SiO2)，改性铝酸盐水泥的主要矿物成分为铝酸一钙(CA)和铝酸二钙(CA2)，从而导致现有的缓凝剂对改性铝酸盐水泥的适应性较差。经室内试验研究发现，AMPS共聚物类缓凝剂对改性铝酸盐水泥具有显著缓凝剂作用，但容易造成水泥浆的“包心”现象。通过理论分析以及缓凝剂的复配研究得出，在AMPS共聚物中引入阳离子基团可以消除改性铝酸盐水泥浆的“包心”，但需要严格控制阳离子基团的比例，当阳离子基团的比例较大时，将严重影响改性铝酸盐水泥石的抗压强度。公开号为CN104403056A的专利《一种耐高温共聚物油井水泥缓凝剂及制备方法》公开了一种针对硅酸盐水泥研制带有阳离子基团的耐高温缓凝剂，用于硅酸盐水泥中各方面综合性能良好，但由于硅酸盐水泥与改性铝酸盐水泥的矿物成分差别较大，并且该缓凝剂在合成过程中阳离子单体的加量过大(5～17份)，导致该缓凝剂对改性铝酸盐水泥石的抗压强度影响很大。
技术实现思路
：针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种水泥缓凝剂及其制备方法。该水泥缓凝剂可用于油田固井用改性铝酸盐水泥。利用该方法合成的缓凝剂可以大幅度延长改性铝酸盐水泥体系的稠化时间，消除有机物类缓凝剂引起的水泥浆“包心”问题，对其水泥石的抗压强度影响较小。为达到上述目的，本专利技术提供了一种水泥缓凝剂及其制备方法。本专利技术提供的一种水泥缓凝剂的制备方法为：按照质量配比称取四种单体分别为40～55份2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，25～35份苯乙烯磺酸钠(SSS)，20～30份衣康酸(IA)，2～4份二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，将四种单体全部溶于去离子水中，搅拌均匀形成混合液，在20～25℃条件下，调节混合液pH4～6，将调好pH值的混合液置于反应容器中，将反应容器置于恒温水浴中，同时排除反应容器中的氧气并用搅拌器搅拌，待反应容器内混合液的温度达到恒温，滴加引发剂溶液，恒温反应后，得到粘稠液体，经提纯、干燥得到缓凝剂。优选的，所述的4种单体及其质量配比为：45份2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)；30份苯乙烯磺酸钠(SSS)；22份衣康酸(IA)；3份二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)。优选的，所述的四种单体总质量为去离子水质量的25％～35％。优选的，所述的排除反应容器中的氧气为向反应容器中充入氮气排除。优选的，所述的恒温反应为在60～70℃条件下反应3～6h。优选的，所述的引发剂溶液为由质量配比为1：1的过硫酸铵和亚硫酸氢钠溶解而成的水溶液，其质量分数为1％～10％。优选的，所述的滴加引发剂溶液为向所述混合液中加入总质量为所述四种单体总质量的0.5％～1.5％的过硫酸铵和亚硫酸氢钠。优选的，所述的提纯为用无水乙醇提纯3～6次。本专利技术还提供了由以上制备方法制备的水泥缓凝剂。优选的，所述的水泥缓凝剂为一种改性铝酸盐水泥缓凝剂；具体的，所述的改性铝酸盐水泥为专利号为ZL201310030129.2，名称为“一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳水泥体系”所提供的水泥。改性铝酸盐水泥其重量份比组成为：铝酸盐水泥100份，水40份，磷酸钠盐8～12份，油井水泥消泡剂0.4～0.6份；所述铝酸盐水泥重量份比组成为：铝酸一钙50～60份，二铝酸一钙10～15份，钙铝黄长石8～15份，和铝酸三钙3～5份。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的改性铝酸盐水泥缓凝剂制备方法在合成AMPS共聚物缓凝剂过程中，降低了阳离子基团的比例，并引入苯乙烯磺酸钠(SSS)单体，苯乙烯磺酸钠(SSS)分子结构中含有苯环，苯环可以提高改性铝酸盐水泥石的抗压强度，从而削弱阳离子基团对水泥石抗压强度产生的负面影响。本专利技术解决了现有缓凝剂对改性铝酸盐水泥石抗压强度影响大的问题，掺入本专利技术缓凝剂的改性铝酸盐水泥浆，40Bc～100Bc过渡时间短，“直角效应”明显。(2)解决了AMPS共聚物缓凝剂容易造成改性铝酸盐水泥浆“包心”的问题。(3)合成方法简便可行，易于操作，产率较高。附图说明图1是本专利技术制备的聚合物缓凝剂的红外光谱图。图2是样品1加量为1.5％、2％水泥浆的稠化曲线。具体实施方式以下结合具体实例，对本专利技术进行详细说明。实施例1，说明本专利技术的聚合物缓凝剂的制备方法称取2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)45重量份，苯乙烯磺酸钠(SSS)30重量份，衣康酸(IA)22重量份，二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)3重量份，溶于300份去离子水中形成混合液，搅拌均匀，加入适量的氢氧化钠溶液，将pH值调整为5。将调好pH值的混合液加入到反应容器内，将反应容器放入到65℃的恒温水浴中，向反应容器中通入氮气排除氧气，并开始搅拌，待反应容器内水溶液的温度达到65℃后，加入质量浓度为1％的过硫酸铵和亚硫酸氢钠的混合溶液，其中含有1重量份的过硫酸铵和亚硫酸氢钠，用以引发反应，反应时间为5小时，最终得粘稠液体，用无水乙醇提纯3次，经恒温干燥箱干燥后粉碎得粉末状聚合物缓凝剂。代号为样品1。如图1，是样品1的红外光谱图，3440.32cm-1和620.11cm-1是AMPS分子结构中酰胺基团所含有N-H的特征峰，669.25cm-1和1034.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，按照质量配比称取四种单体分别为40～55份2‑丙烯酸胺基‑2‑甲基丙磺酸（AMPS），25～35份苯乙烯磺酸钠(SSS)，20～30份衣康酸（IA），2～4份二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），将四种单体全部溶于去离子水中，搅拌均匀形成混合液，在20～25℃条件下，调节混合液pH4～6，将调好pH值的混合液置于反应容器中，将反应容器置于恒温水浴中，同时排除反应容器中的氧气并用搅拌器搅拌，待反应容器内混合液的温度达到恒温，滴加引发剂溶液，恒温反应后，得到粘稠液体，经提纯、干燥得到缓凝剂。

【技术特征摘要】
1.一种水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，按照质量配比称取四种单体分别为40～55份2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），25～35份苯乙烯磺酸钠(SSS)，20～30份衣康酸（IA），2～4份二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），将四种单体全部溶于去离子水中，搅拌均匀形成混合液，在20～25℃条件下，调节混合液pH4～6，将调好pH值的混合液置于反应容器中，将反应容器置于恒温水浴中，同时排除反应容器中的氧气并用搅拌器搅拌，待反应容器内混合液的温度达到恒温，滴加引发剂溶液，恒温反应后，得到粘稠液体，经提纯、干燥得到缓凝剂。2.根据权利要求1所述的一种水泥缓凝剂的制备方法，其特征在于，所述的四种单体及其质量配比为：45份2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）；30份苯乙烯磺酸钠(SSS)；22份衣康酸（IA）；3份二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）。3.根据权利要求1所述的一种水泥缓凝剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭胜来，步玉环，魏万奇，王银东，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37