一種水泥漿穩定劑及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種水泥漿穩定劑，該水泥漿穩定劑包括溫倫膠、礦物油、有機土以及流變調節劑，其中，相對于100重量份的礦物油，所述溫倫膠的含量為10-60重量份，所述有機土的含量為1-10重量份，所述流變調節劑的含量為2-12重量份；所述流變調節劑包括親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑。本發明提供的水泥漿穩定劑直接加入水中，能很快水化增粘，可根據需求選擇添加量，并且無需對溫倫膠進行預處理，使用起來方便高效；另外，本發明提供的水泥漿穩定劑，可防止水泥漿產生自由液和沉降，從而有助于確保固井質量。
【專利說明】一種水泥漿穩定劑及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水泥漿穩定劑及其制備方法，特別涉及一種油田固井用水泥漿穩定劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]固井是鉆井過程中的重要作業。固井也稱注水泥，即通常由硅酸鹽水泥、水泥外加劑和水配制水泥漿，并注入地層與套管構成的環形空間，起到地層層間封隔和穩定套管等作用。水泥漿性能是影響固井質量重要因素之一。
[0003]水泥漿體不穩定所產生的自由液和固相沉降對固井質量影響非常大。這一點在大斜度段和水平段固井中尤為明顯，自由液和固相沉降會造成井段上部水泥石滲透性過大，甚至產生微間隙，造成層間連通竄槽。另外，固井水泥漿通常存在高溫稀釋現象，即高溫下粘度下降，因此水泥漿在泵送高溫地層時，易產生沉降和自由液，影響后期水泥漿膠結質量。鑒于此，提高水泥漿體穩定性顯得非常重要。
[0004]提高水泥漿體穩定性可通過外摻料(或劑)來實現。在混凝土中，粘度改性劑可防止集料沉降和泌水的產生。常用的粘度改性劑，如生物多糖、纖維素衍生物、丙烯酸基合成聚合物等有機物，以及粘土、膠體(納米)娃、超細碳酸鹽填料等無機物。參閱Erik B Nelson等人編寫的Well Cementing (第二版)一書和www.worldoil.com網站油田化學品的統計分析，這些粘度改性劑在 固井中被稱為懸浮穩定劑。列舉固井水泥漿用懸浮穩定劑的典型報道有:
[0005]Mueller D T等人(SPE21688)報道了采用微硅粉水性懸浮液可提高低密度水泥漿體的穩定性。
[0006]Mohammadmehdi Choolaei 等人(Materials Science and Engineering A, 2012,538:288 - 294)報道了納米硅可減少水泥漿體自由水，還能降低水泥石的滲透性等。
[0007]Jiten Chatterji等人(US7114569)公開了采用硼處理低分子量瓜膠用作懸浮穩定劑，該懸浮穩定劑具有低溫不增粘高溫增粘的特點，可防止高密度水泥漿由于高溫下稀釋作用所產生的固相沉降及自由水。
[0008]Gary Funkhouser 等人(US20120279707 和 US20130150483A1)公開了采用雙或三官能團的乙烯基單體與丙烯酰胺單體(如AMPS和DMA單體)的共聚物作為懸浮穩定劑，該懸浮穩定劑也具有低溫不增粘高溫增粘的特點，可防止高密度水泥漿由于高溫下稀釋作用所產生的沉降及自由水。
[0009]溫倫膠是發酵制得的粉狀生物聚合物，由于其保水、耐溫及假塑性增粘等特性，被用于水泥基材料漿體的穩定與增粘。粉狀溫倫膠直接加入水中，容易發生“魚眼”狀的團聚，阻止其進一步水化和溶解，使溫倫膠應用性能受到影響。通常是用粉狀溫倫膠與水泥干混后使用，由于其添加劑量非常低(基于水泥的加入量小于I重量％。)，很難混配均勻。采用粉狀溫倫膠與水泥外摻料(如硅粉)混合作為一種產品后，再與水泥干混，這樣的做法，在一定程度上能減少混配不勻的風險，但是，對于固井作業特別是海上固井作業，干混工序在操作起來不方便，同時也存在，一旦干混，水泥漿粘度不好重新調節的問題。
[0010]Floyd L Alien等人(US4963668，US5004506)公開了采用溫倫膠為懸浮穩定劑，具體采用以H202、FeS04和EDTA處理后得到的低粘度溫倫膠，提高水泥漿體的穩定性。該專利雖然提供了溫倫膠用作水泥漿的懸浮穩定劑，但是在該專利中，溫倫膠需要進行復雜的預處理，造成使用不便。
[0011]在上述報道中，未涉及一種如何方便、高效利用溫倫膠制備水泥漿穩定劑的技術。
【發明內容】
[0012]本發明的目的是提供一種水泥漿穩定劑。該水泥漿穩定劑可以解決上述粉狀溫倫膠在使用時存在的問題。本發明提供的水泥漿穩定劑直接加入水中，能很快水化增粘，不存在“魚眼”狀的團聚現象，可根據需求選擇添加量。而且無需對溫倫膠進行預處理，使用起來方便高效。此外，本發明提供的水泥漿穩定劑，可有效防止水泥漿產生自由液和沉降，從而有助于確保固井質量。
[0013]本發明的另一個目的是提供一種制備水泥漿穩定劑的方法。
[0014]本發明所述的水泥漿穩定劑包括溫倫膠、礦物油、有機土以及流變調節劑，其中，相對于100重量份的礦物油，所述溫倫膠的含量為10-60重量份,所述有機土的含量為1-10重量份，所述流變調節劑的含量為2-12重量份，所述流變調節劑包括親水親油平衡值(HBL)為小于4的非離子表面活性劑和親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑。[0015]根據本發明，優選情況下，在所述水泥漿穩定劑中，相對于100重量份的礦物油，所述溫倫膠的含量為30-50重量份，所述有機土的含量為3-9重量份，所述流變調節劑的含量為3-8重量份。
[0016]根據本發明，更優選情況下，在所述水泥漿穩定劑中，相對于100重量份的礦物油，所述溫倫膠的含量為35-45重量份，所述有機土的含量為3.5-6.5重量份，所述流變調節劑的含量為3.5-5重量份。
[0017]根據本發明，進一步優選情況下，在所述水泥漿穩定劑中，相對于100重量份的礦物油，所述溫倫膠的含量為35重量份，所述有機土的含量為6重量份，所述流變調節劑的含量為4重量份。當所述水泥漿穩定劑以上述組成形成時，所述水泥漿穩定劑在水泥漿中具有更易水化和增粘效果更明顯的特點。
[0018]根據本發明，所述溫倫膠可以是本領域技術人員已知的任意一種市售溫倫膠產品。優選情況下，所述溫倫膠可以是從產堿菌屬培養液提取的菌株以淀粉等碳水化合物為主要原料、利用生物工程發酵制取的生物多糖。溫倫膠分子結構是由D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、L-甘露糖組成的四糖重復單位。本發明采用的溫倫膠例如可以是河北聚鑫生物化工有限公司的粉狀溫倫膠產品。
[0019]根據本發明，所述流態調節劑是調節水泥漿穩定劑的粘度及流態，防止水泥漿穩定劑產生沉降、分層以及粘度過大的現象而影響最終使用。
[0020]根據本發明，所述流態調節劑中親水親油平衡值大于14的非離子表面活性劑在所述水泥漿穩定劑體系中表現出更好的增粘作用，而親水親油平衡值小于4的非離子表面活性劑在所述水泥漿穩定劑體系中表現出更好的降粘作用。因此，所述親水親油平衡值(HBL)為小于4的非離子表面活性劑與所述親水親油平衡值(HBL)為大于14的非離子表面活性劑的重量比可以在較寬范圍內選擇，只要能使所述水泥漿穩定劑具有適合使用的粘度及流態即可。優選情況下，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑與所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑的重量比為1:10-10:1。
[0021]為了獲得粘度及流態更好的水泥漿穩定劑，進一步優選情況下，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑與所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑的重量比為1:3-3:1。
[0022]根據本發明，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑可以選自本領域技術人員已知的任意一種HLB值為小于4的非離子表面活性劑。優選情況下，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑可以選自失水山梨醇三油酸酯(Span85，HLB=L 8)。
[0023]根據本發明，所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑可以選自本領域技術人員已知的任意一種HLB值為大于14的非離子表面活性劑。優選情況下，所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑可以選自失水山梨醇單月桂酸酯聚氧乙烯醚(Tween20，HLB=16.5)、失水山梨醇單棕櫚酸酯聚氧乙烯醚(Tween40，HLB=15.5)、失水山梨醇單硬酯酸酯聚氧乙烯醚(Tween60, HLB=14.5)和失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚(TweenSO, HLB=15.0)中的一種或多種。更優選情況下，所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑選自失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚(Tween80,HLB=15.0)。本發明中所使用的非離子表面活性劑，可以選用江蘇省海安石油化工廠的非離子表面活性劑產品。
[0024]根據本發明，所述礦物油可以為通過物理蒸餾方法從石油中提煉出的基礎油。優選情況下，所述礦物油可以是沸點為320-335°C，以及40°C的運動粘度為3_5mm2/S (GB/T265-1988)的礦物油。例如，所述礦物油可以選用中石化茂名分公司的5號白油。
[0025]根據本發明，所述有機土可以為本領域技術人員已知的有機土。本發明的發明人發現只要將所述有機土與溫倫`膠、礦物油和流變調節劑按前述所述的重量份混合即可得到流動性好、懸浮穩定的水泥漿穩定劑。這歸因于有機土與流變調節劑和溫倫膠在礦物油中的相互作用。優選情況下，所述有機土可以為由親水性的膨潤土與季銨鹽類陽離子表面活性劑發生相互作用后制成的親油性粘土。更優選情況下，所述有機土可以為符合《SY/ZQ003-89鉆井液用有機土質量指標》的有機土。例如可以選用中海油服天津化學有限公司的PF-MOGEL有機土產品。
[0026]根據本發明，制備上述水泥漿穩定劑的方法包括在攪拌條件下將所述重量份的有機土、所述重量份的流變調節劑和所述重量份的溫倫膠加入所述重量份的礦物油中，任選地，調整所述流變調節劑中所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑的含量以獲得適宜粘度，即得所述水泥漿穩定劑。
[0027]根據本發明，在上述制備方法中，優選情況下，將有機土和流變調節劑依次加入礦物油中，攪拌均勻后加入溫倫膠，這樣的添加順序有利于獲得流動性更好、懸浮更穩定的水泥衆穩定劑。
[0028]根據本發明，所述流變調節劑包括的所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑可以分別也可以同時加入所述礦物油中，或者也可以將二者混合后一起加入所述礦物油中，本發明沒有特別限制。優選情況下，將所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑在攪拌條件下同時加入所述礦物油中，更有利于獲得性狀更穩定的水泥衆穩定劑。
[0029]本發明優選情況下，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑可以一次或多次添加到所述礦物油中。當將攪拌均勻后的所述水泥漿穩定劑隔夜靜置，若出現離析分層，可增加HBL值大于14的非離子表面活性劑在流變調節劑中所占的比例；若所述水泥漿穩定劑出現粘度過大，可增加HBL值小于4的非離子表面活性劑在流變調節劑中所占的比例。因此，可通過調整流變調節劑中兩類非離子表面活性劑的比例關系，最終可獲得性狀穩定的水泥漿穩定劑。
[0030]根據本發明，上述制備方法中，攪拌條件可以是本領域技術人員通常使用的攪拌條件，例如攪拌速率可以為50-150rpm。所述攪拌可以是勻速攪拌也可以是變速攪拌，本發明沒有特別要求。
[0031]本發明提供的水泥漿穩定劑，直接加入水中，能很快水化增粘，不存在使用粉態溫倫膠直接加入水中出現的“魚眼”狀的團聚現象而影響使用；另外，也免去了使用粉態溫倫膠與水泥干混的操作工序以及后續使用中的不便。此外，本發明中無需對溫倫膠進行預處理，直接商購的溫倫膠即可使用，方法簡單易行。此外，本發明提供的水泥漿穩定劑，可有效防止水泥漿產生自由液和沉降，從而有助于確保固井質量。
【具體實施方式】
[0032]下面將對本發明作進一步的詳細描述，以使本領域技術人員能夠實踐本發明。應當理解，可以采用其他實施方式，并且可以做出適當的改變而不偏離本發明的精神或范圍。為了避免對于使本領域技術人員能夠實踐本發明來說不必要的細節，說明書可能省略了對于本領域技術人員來說已知的某些信息。因此，以下詳細描述不應以限制性的意義來理解，且本發明的范圍僅由所附權利要求界定。
[0033]以下實施例中所使用的試劑均來自商購。
[0034]實施例1
[0035]稱取400g5號白油(中石化茂名分公司)置于漿杯中，并將漿杯置于變速攪拌器上，在120rpm轉速下緩慢加入24.0g由膨潤土與季銨鹽處理的有機土 PF-M0LGEL(天津中海油服化學公司)，并在該轉速下攪拌20min后，待白油增粘后，加入4.0g Span85 (江蘇省海安石油化工廠，產品牌號S-85，其HLB值為1.8)和12.0g Teen80 (江蘇省海安石油化工廠，產品牌號T-80，其HLB值為15)組成的流態調節劑，120rpm攪拌均勻后加入140g粉狀溫倫膠(河北聚鑫生物化工有限公司，產品型號BG3810)，在50rpm轉速下低攪50min后，即可得所述水泥漿穩定劑Welan-Ll，其中溫倫膠質量濃度為24.1重量％。
[0036]實施例2
[0037]稱取400g5號白油(中石化茂名分公司)置于漿杯中，并將漿杯置于變速攪拌器上，在120rpm轉速下緩慢加入20.0g由膨潤土與季銨鹽處理的有機土 PF-M0LGEL(天津中海油服化學公司)，并在該轉速下攪拌20min后，待白油增粘后，加入3.5g Span85 (江蘇省海安石油化工廠，產品牌號S-85其HLB 值為1.8)和15.0g Teen60 (江蘇省海安石油化工廠，產品牌號T-60，其HLB值為14.5)組成的流態調節劑，120rpm攪拌均勻后加入160g粉狀溫倫膠(河北聚鑫生物化工有限公司，產品型號BG3810)，在50rpm轉速下低攪50min后，即可得所述水泥漿穩定劑Welan-L2，其中溫倫膠質量濃度為26.7%。
[0038]實施例3
[0039]稱取400g5號白油(中石化茂名分公司)置于漿杯中，并將漿杯置于變速攪拌器上，在120rpm轉速下緩慢加入15.0g由膨潤土與季銨鹽處理的有機土 PF-M0LGEL(天津中海油服化學公司)，并在該轉速下攪拌20min后，待白油增粘后，加入5.0g Span85 (江蘇省海安石油化工廠，產品牌號S-85，其HLB值為1.8)和9.58 Teen20 (江蘇省海安石油化工廠，產品牌號T20，其HLB值為16.5)組成的流態調節劑，120rpm攪拌均勻后加入180g粉狀溫倫膠(河北聚鑫生物化工有限公司，產品型號BG3810)，在50rpm轉速下低攪50min后，即可得所述水泥漿穩定劑Welan-L3，其中溫倫膠質量濃度為29.5%。
[0040]實施例4 [0041]分別采用粉狀溫輪膠(河北聚鑫生物化工有限公司，產品型號BG3810)與實施例1-3制備的水泥漿穩定劑配制水泥漿。按表1配制水泥漿，沒有添加任何溫倫膠最終得到水泥漿A，將粉狀溫輪膠與水泥干混后配漿最終獲得水泥漿B，而將實施例1-3制備的水泥漿穩定劑直接加入混合水進行配漿最終依次獲得水泥漿C、D、E。所得水泥漿性能如表1所
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[0042]表1水泥漿配方及性能
[0043]
【權利要求】
1.一種水泥漿穩定劑，該水泥漿穩定劑包括溫倫膠、礦物油、有機土以及流變調節劑，其中，相對于100重量份的礦物油,所述溫倫膠的含量為10-60重量份,所述有機土的含量為1-10重量份，所述流變調節劑的含量為2-12重量份；所述流變調節劑包括親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑。
2.根據權利要求1所述的水泥漿穩定劑，其中，相對于100重量份的礦物油，所述溫倫膠的含量為30-50重量份,優選為35-45重量份,所述有機土的含量為3_9重量份,優選為.3.5-6.5重量份，所述流變調節劑的含量為3-8重量份，優選為3.5-5重量份。
3.根據權利要求1所述的水泥漿穩定劑，其中，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑與所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑的重量比為1:10-10:1。
4.根據權利要求3所述的水泥漿穩定劑，其中，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑與所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑的重量比為1:3-3:1。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的水泥漿穩定劑，其中，所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑選自失水山梨醇三油酸酯；所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑選自失水山梨醇單月桂酸酯聚氧乙烯醚、失水山梨醇單棕櫚酸酯聚氧乙烯醚、失水山梨醇單硬酯酸酯聚氧乙烯醚和失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚中的一種或多種。
6.根據權利要求5所述的水泥漿穩定劑，其中，所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑選自失水山梨醇單油酸酯聚氧乙烯醚。
7.根據權利要求1-4中任意一項所述的水泥漿穩定劑，其中，所述礦物油的沸點為320-335°C，以及40°C的運動粘度為3_5mm2/S。
8.根據權利要求1-4中任意一項所述的水泥漿穩定劑，其中，所述有機土為由親水性的膨潤土與季銨鹽類陽離子表面活性劑發生相互作用后制成的親油性粘土。
9.一種制備權利要求1-8中任意一項所述的水泥漿穩定劑的方法，該方法包括在攪拌條件下將所述重量份的有機土、所述重量份的流變調節劑和所述重量份的溫倫膠加入所述重量份的礦物油中，任選地，調整所述流變調節劑中所述親水親油平衡值為小于4的非離子表面活性劑和所述親水親油平衡值為大于14的非離子表面活性劑的含量以獲得適宜粘度，即得所述水泥漿穩定劑。
10.一種權利要求1-8中任意一項所述的水泥漿穩定劑或由權利要求9所述的方法制備的水泥漿穩定劑在油田固井用的水泥漿體中的應用。
【文檔編號】C09K8/467GK103694975SQ201310753075
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】符軍放, 許前富, 張 浩, 李厚銘, 趙琥, 王永松, 羅宇維, 王清順, 王云慶 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油田服務股份有限公司