一種改性鋁酸鹽水泥緩凝劑及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種水泥緩凝劑及其制備方法，尤其涉及一種改性鋁酸鹽水泥（即一 種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳水泥體系：專利號為ZL201310030129. 2, 2015年6月3 號授權）緩凝劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前，油氣井固井使用的水泥大多為常規硅酸鹽類水泥。作為油氣伴生氣之一的 二氧化碳在各種油氣藏中普遍存在，并且隨著二氧化碳埋存與二氧化碳驅油等技術的發 展，大量的二氧化碳需要往地層中注入，地層中的二氧化碳濃度逐漸升高。在井下高壓、高 溫、潮濕的環境下，高濃度的二氧化碳會嚴重腐蝕硅酸鹽水泥環，其腐蝕表現為滲透率升 高、水泥石的強度降低等，導致固井水泥環喪失其封固性，最終造成油氣井的采收率下降、 二氧化碳埋存失敗等嚴重后果。所以，硅酸鹽水泥石已不能滿足高含二氧化碳地層中油氣 井長期封固的要求，需要研究新型的耐二氧化碳腐蝕固井水泥體系來替代硅酸鹽水泥體 系，以改善水泥石的耐二氧化碳腐蝕性能。
[0003] 鋁酸鹽水泥是一種特種膠凝材料，具有優異的耐二氧化碳腐蝕性能，但其水泥 石后期強度會出現嚴重倒縮。課題組前期已經研制出一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧 化碳腐蝕水泥體系，也稱為改性鋁酸鹽水泥，并于2015年6月3號授權，其專利號為 ZL201310030129. 2。經測試該水泥體系消除了水泥石的后期強度倒縮問題，并具有優良的 耐腐蝕性能。
[0004] 合理的稠化時間是確保注水泥作業成功的關鍵。但未添加緩凝劑的改性鋁酸鹽水 泥的稠化時間只有4min，遠遠滿足不了固井工程的需要，故需要添加緩凝劑來調節該水泥 體系的稠化時間。前期研究中從常用的硅酸鹽油井水泥的緩凝劑中進行了優選，但都不能 滿足固井作業的需求，因此，研制一種適用于改性鋁酸鹽水泥的緩凝劑成為該水泥體系能 夠用于油氣井固井工程的關鍵。
[0005] 目前，已有許多種類的油井水泥緩凝劑用于硅酸鹽水泥的固井作業中，而針對于 改性鋁酸鹽水泥緩凝劑的研究還未見報道。硅酸鹽水泥與改性鋁酸鹽水泥的礦物成分差別 較大，硅酸鹽水泥的主要礦物成分為硅酸三鈣（3Ca0 ? Si02)和硅酸二鈣（2Ca0 ? Si02)，改 性鋁酸鹽水泥的主要礦物成分為鋁酸一鈣（CA)和鋁酸二鈣（CA2)，從而導致現有的緩凝劑 對改性鋁酸鹽水泥的適應性較差。經室內試驗研究發現，AMPS共聚物類緩凝劑對改性鋁酸 鹽水泥具有顯著緩凝劑作用，但容易造成水泥漿的"包心"現象。通過理論分析以及緩凝劑 的復配研究得出，在AMPS共聚物中引入陽離子基團可以消除改性鋁酸鹽水泥漿的"包心"， 但需要嚴格控制陽離子基團的比例，當陽離子基團的比例較大時，將嚴重影響改性鋁酸鹽 水泥石的抗壓強度。公開號為CN104403056A的專利《一種耐高溫共聚物油井水泥緩凝劑及 制備方法》公開了一種針對硅酸鹽水泥研制帶有陽離子基團的耐高溫緩凝劑，用于硅酸鹽 水泥中各方面綜合性能良好，但由于硅酸鹽水泥與改性鋁酸鹽水泥的礦物成分差別較大， 并且該緩凝劑在合成過程中陽離子單體的加量過大（5~17份），導致該緩凝劑對改性鋁酸 鹽水泥石的抗壓強度影響很大。

【發明內容】
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[0006] 針對現有技術存在的不足，本發明提供一種水泥緩凝劑及其制備方法。該水泥緩 凝劑可用于油田固井用改性鋁酸鹽水泥。利用該方法合成的緩凝劑可以大幅度延長改性鋁 酸鹽水泥體系的稠化時間，消除有機物類緩凝劑引起的水泥漿"包心"問題，對其水泥石的 抗壓強度影響較小。
[0007] 為達到上述目的，本發明提供了一種水泥緩凝劑及其制備方法。本發明提供的一 種水泥緩凝劑的制備方法為：按照質量配比稱取四種單體分別為40~55份2-丙烯酸胺 基-2-甲基丙磺酸（AMPS)，25~35份苯乙烯磺酸鈉（SSS)，20~30份衣康酸（IA)，2~4 份二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC)，將四種單體全部溶于去離子水中，攪拌均勻形成混合 液，在20~25°C條件下，調節混合液pH4~6,將調好pH值的混合液置于反應容器中，將 反應容器置于恒溫水浴中，同時排除反應容器中的氧氣并用攪拌器攪拌，待反應容器內混 合液的溫度達到恒溫，滴加引發劑溶液，恒溫反應后，得到粘稠液體，經提純、干燥得到緩凝 劑。
[0008] 優選的，所述的4種單體及其質量配比為：45份2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺 酸（AMPS) ;30份苯乙烯磺酸鈉（SSS) ;22份衣康酸（IA) ;3份二甲基二烯丙基氯化銨 (DMDAAC)〇
[0009] 優選的，所述的四種單體總質量為去離子水質量的25%~35%。
[0010] 優選的，所述的排除反應容器中的氧氣為向反應容器中充入氮氣排除。
[0011] 優選的，所述的恒溫反應為在60~70°C條件下反應3~6h。
[0012] 優選的，所述的引發劑溶液為由質量配比為1 :1的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉溶解而 成的水溶液，其質量分數為1 %~10%。
[0013] 優選的，所述的滴加引發劑溶液為向所述混合液中加入總質量為所述四種單體總 質量的〇. 5%~1. 5%的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉。
[0014] 優選的，所述的提純為用無水乙醇提純3~6次。
[0015] 本發明還提供了由以上制備方法制備的水泥緩凝劑。
[0016] 優選的，所述的水泥緩凝劑為一種改性鋁酸鹽水泥緩凝劑；具體的，所述的改性鋁 酸鹽水泥為專利號為ZL201310030129. 2,名稱為"一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳水 泥體系"所提供的水泥。改性鋁酸鹽水泥其重量份比組成為：鋁酸鹽水泥100份，水40份， 磷酸鈉鹽8~12份，油井水泥消泡劑0. 4~0. 6份；所述鋁酸鹽水泥重量份比組成為：鋁酸 一?丐50~60份，二錯酸一媽10~15份，媽錯黃長石8~15份，和錯酸三媽3~5份。
[0017] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0018] (1)本發明的改性鋁酸鹽水泥緩凝劑制備方法在合成AMPS共聚物緩凝劑過程中， 降低了陽離子基團的比例，并引入苯乙烯磺酸鈉（SSS)單體，苯乙烯磺酸鈉（SSS)分子結構 中含有苯環，苯環可以提高改性鋁酸鹽水泥石的抗壓強度，從而削弱陽離子基團對水泥石 抗壓強度產生的負面影響。本發明解決了現有緩凝劑對改性鋁酸鹽水泥石抗壓強度影響大 的問題，摻入本發明緩凝劑的改性鋁酸鹽水泥漿，40BC~100BC過渡時間短，"直角效應"明 顯。
[0019] (2)解決了 AMPS共聚物緩凝劑容易造成改性鋁酸鹽水泥漿"包心"的問題。
[0020] (3)合成方法簡便可行，易于操作，產率較高。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明制備的聚合物緩凝劑的紅外光譜圖。
[0022] 圖2是樣品1加量為1. 5%、2%水泥漿的稠化曲線。
【具體實施方式】
[0023] 以下結合具體實例，對本發明進行詳細說明。
[0024] 實施例1，說明本發明的聚合物緩凝劑的制備方法
[0025] 稱取2-丙烯酸胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS) 45重量份，苯乙烯磺酸鈉（SSS) 30重量 份，衣康酸（IA) 22重量份，二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC) 3重量份，溶于300份去離子水 中形成混合液，攪拌均勻，加入適量的氫氧化鈉溶液，將pH值調整為5。將調好pH值的混合 液加入到反應容器內，將反應容器放入到65°C的恒溫水浴中，向反應容器中通入氮氣排除 氧氣，并開始攪拌，待反應容器內水溶液的溫度達到65°C后，加入質量濃度為1 %的過硫酸 銨和亞硫酸氫鈉的混合溶液，其中含有1重量份的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉，用以引發反應， 反應時間為5小時，最終得粘稠液體，用無水乙醇提純3次，經恒溫干燥箱干燥后粉碎得粉 末狀聚合物緩凝劑。代號為樣品1。
[0026] 如圖1，是樣品1的紅外光譜圖，3440. 32cm 1和620. 11cm 1是AMPS分子結構中酰 胺基團所含有N-H的特征峰，669. 25cm 1和1034. 56cm 1是磺酸基團的特征峰；835. 68cm 1是 對二苯乙烯磺酸鈉（SSS)單體中對二取代苯的特征峰；1729. 97cm 1是IA分子結構C = 0的 特征峰，1455. 47cm \ 1544. 73cm 1是羧基的對稱與反對稱的伸縮振動吸收峰；2361. 54cm 1 為DMDAAC五元環伸縮振動吸收峰，1185. 41cm \ 1230. 14cm 1為季銨鹽的C-N鍵伸縮振動吸 收峰；2