一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂、其制备方法和应用技术

本申请提供了一种无机‑有机聚合物油井水泥缓凝剂、其制备方法和应用，该方法包括：提供单体水溶液，所述单体水溶液包括衣康酸、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸和水；将所述单体水溶液与无机非金属材料和硅烷偶联剂混合，在引发剂存在的条件下进行反应，得到无机‑有机聚合物油井水泥缓凝剂。本发明专利技术通过在现有有机聚合物缓凝剂基础上引入无机非金属粒子，且硅烷偶联剂的使用使聚合物具有微交联结构，两方面因素综合作用能显著提高聚合物缓凝剂的抗高温能力，从而解决了现有有机聚合物在高温强碱条件下易降解、官能团水解、解吸附等导致的缓凝效果下降问题。本发明专利技术油井水泥缓凝剂所用原料价格适中、制备工艺简单，该缓凝剂适用温度范围宽。

A inorganic-organic polymer retarder for oil well cement, its preparation method and Application

This application provides an inorganic organic polymer oil well cement retarder, its preparation method and application. The method includes: providing a monomer aqueous solution, which includes itaconic acid, 2 acrylamide 2 methylpropionic acid and water; mixing the monomer aqueous solution with inorganic non-metallic materials and silane coupling agent to react in the presence of initiator. Inorganic and organic polymer oil well cement retarder was obtained. The invention introduces inorganic non-metallic particles on the basis of the existing organic polymer retarder, and the use of silane coupling agent makes the polymer have micro-crosslinking structure. The comprehensive action of two factors can significantly improve the high temperature resistance of the polymer retarder, thereby solving the retardation caused by the degradation of the existing organic polymer under high temperature and strong alkali conditions, hydrolysis of functional groups, desorption, etc. The problem of diminishing effectiveness. The oil well cement retarder has the advantages of moderate raw material price, simple preparation process and wide temperature range.

【技术实现步骤摘要】
一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂、其制备方法和应用
本专利技术属于油井水泥外加剂
，涉及一种油井水泥缓凝剂，具体地涉及一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂、其制备方法和应用。
技术介绍
固井施工是开采油气前的一项重要准备工作，施工质量的好坏决定着油井的寿命长短和开采量等。固井施工主要包括下套管、注水泥；固井质量的好坏除与水泥浆的失水、流态有关外，还与其凝结时间有关。为了满足深井固井施工的时限要求，往往要在水泥浆中添加延长稠化时间的缓凝剂，以延长水泥浆的可泵送时间、降低粘度、改善流变性能等。目前，国内使用的缓凝剂主要为木质素磺酸盐、羟基羧酸盐、糖类化合物等。虽然这些材料价廉易得，且具有较好的缓凝作用，但因其结构的非均性而导致使用效果的差异多变，存在过于缓凝或过于敏感、不抗高温的弊病，难以适应苛刻的现场施工条件。因此，对于深井和超深井固井水泥浆来说，抗高温缓凝剂已成为其必不可少的成分之一。其中，有机聚合物缓凝剂成为了抗高温缓凝剂的主要研究方向。比如，申请号为201510251145.3的中国专利文献公开了，采用马来酸酐、烯磺酸基单体和带有亲水基长链的烯类单体为原料，制备得到耐200℃的油井水泥缓凝剂。申请号为200910218007.X的中国专利文献中，采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯基磺酸和顺丁烯二酸进行共聚，得到油井用聚合物缓凝剂，其可抗200℃的高温。但是，上述现有有机聚合物缓凝剂的抗高温能力仍有待进一步提高。
技术实现思路
有鉴于此，本申请提供一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂、其制备方法和应用，本专利技术提供的油井水泥缓凝剂具有更好的抗高温性能。本专利技术提供一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂的制备方法，包括以下步骤：1)提供单体水溶液，所述单体水溶液包括衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水；2)将所述单体水溶液与无机非金属材料和硅烷偶联剂混合，在引发剂存在的条件下进行反应，得到无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂。优选地，所述无机非金属材料选自碳化硅、氮化硅、二氧化硅和氧化铝中的一种或多种。优选地，所述无机非金属材料为粒径为1～30μm的微粉。优选地，所述硅烷偶联剂选自氨丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种。优选地，所述步骤1)具体为：将衣康酸于40～50℃溶解于水中，再加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水，得到单体水溶液。优选地，所述步骤1)中的单体水溶液用pH调节剂调pH值为4～6，所述pH值调节剂为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种；所述步骤2)中，将调pH值后的单体水溶液与无机非金属材料和硅烷偶联剂混合。优选地，所述步骤2)混合后，升温至60～65℃加入引发剂水溶液，恒温反应6～8h，得到无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂；所述引发剂选自过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或多种。优选地，以质量份数计，所述单体水溶液包括2～10份的衣康酸、0～2份的丙烯酸、14～25份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；所述步骤2)中，所述无机非金属材料的质量份数为0.2～5份；所述硅烷偶联剂的质量份数为0.02～0.5份。本专利技术提供一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂，其由上文所述的制备方法制得。本专利技术提供如上文所述的无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂在油井固井中的应用。与现有技术相比，本专利技术在水溶液环境下，硅烷偶联剂的一端与无机非金属材料表面进行羟基缩合，另一端与含有磺酸基、羧基的水溶性单体进行共聚，得到无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂。本专利技术通过在现有有机聚合物缓凝剂基础上引入无机非金属粒子，且硅烷偶联剂的使用使聚合物具有微交联结构，两方面因素综合作用能显著提高聚合物缓凝剂的抗高温能力，从而解决了现有有机聚合物在高温强碱条件下易降解、官能团水解、解吸附等导致的缓凝效果下降问题。本专利技术油井水泥缓凝剂所用原料价格适中、制备工艺简单，该缓凝剂适用温度范围宽，对水泥石强度影响小，稠化时间与缓凝剂加量呈线性关系。实验结果显示，该缓凝剂加量0.3％～5％时，水泥浆在80～230℃、40～90MPa时的稠化时间在220～400min之间，80℃、21MPa时，水泥石的48小时抗压强度大于14MPa，180℃、34MPa时，水泥石的24抗压强度大于30MPa。附图说明图1为实施例1所得缓凝剂的红外谱图；图2为实施例1所得缓凝剂的热重分析图；图3为实施例1所得产品在200℃时的稠化曲线；图4为实施例1所得产品在230℃时的稠化曲线。具体实施方式下面对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂的制备方法，包括以下步骤：1)提供单体水溶液，所述单体水溶液包括衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水；2)将所述单体水溶液与无机非金属材料和硅烷偶联剂混合，在引发剂存在的条件下进行反应，得到无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂。本专利技术的目的之一在于提供抗高温油井水泥缓凝剂的制备方法，所得缓凝剂具有更好的抗高温性能，利于应用。本专利技术实施例通过以下技术方案实现，首先制备得到单体水溶液，具体步骤如下：将衣康酸于40～50℃溶解于水中，再加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水，得到单体水溶液。所述单体水溶液包括衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水；另外，本专利技术所述单体水溶液还可包括丙烯酸单体。在本专利技术的一些具体实施例中，称取一定量的衣康酸(IA)和水置于带有机械搅拌、温度计、冷凝管的四口烧瓶反应器中，升温至40～50℃，可搅拌15min～30min，使其溶解完全后，再可选地加入丙烯酸(AA)、一定量的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和水，得到单体水溶液。以质量份数计，本专利技术实施例中所述单体水溶液包括2～10份的衣康酸、0～2份的丙烯酸、14～25份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。以质量份数100计，具体为：2.22～8.85份衣康酸溶解于20～30份水中，再加入0～1.85份丙烯酸、14.1～24.81份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和30～50份水。在本专利技术方案中，由衣康酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚得到的有机聚合物体系，其性价比是最佳的。作为优选，所述的单体水溶液用pH调节剂调pH值为4～6；其中，所述pH值调节剂优选为氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或多种，更优选为氢氧化钠。本专利技术实施例称取一定量的无机非金属材料和硅烷偶联剂，将两者与所述调pH值后的单体水溶液混合，搅拌。本专利技术实施例在现有有机聚合物缓凝体系中引入纳微米无机非金属粒子，提高抗高温能力。其中，所述无机非金属材料优选选自碳化硅、氮化硅、二氧化硅和氧化铝中的一种或多种，如三氧化二铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)等，更优选为碳化硅或二氧化硅(SiO2)。在本专利技术的实施例中，所述无机非金属材料为粒径为1μm～30μm的微粉。并且，本专利技术在有机单体聚合过程以及引入无机非金属材料时，通过硅烷偶联剂同时实现共聚和缩聚，使无机材料和有机聚合物连接起来，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无机‑有机聚合物油井水泥缓凝剂的制备方法，包括以下步骤：1)提供单体水溶液，所述单体水溶液包括衣康酸、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸和水；2)将所述单体水溶液与无机非金属材料和硅烷偶联剂混合，在引发剂存在的条件下进行反应，得到无机‑有机聚合物油井水泥缓凝剂。

【技术特征摘要】
1.一种无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂的制备方法，包括以下步骤：1)提供单体水溶液，所述单体水溶液包括衣康酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水；2)将所述单体水溶液与无机非金属材料和硅烷偶联剂混合，在引发剂存在的条件下进行反应，得到无机-有机聚合物油井水泥缓凝剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机非金属材料选自碳化硅、氮化硅、二氧化硅和氧化铝中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机非金属材料为粒径为1～30微米的微粉。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自氨丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：将衣康酸于40～50℃溶解于水中，再加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和水，得到单体水溶液。6.根据权利要求5所述的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓岚，李社坤，郑志军，李韶利，杨朝光，马小龙，
申请(专利权)人：中石化石油工程技术服务有限公司，中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11