一种自匹配油井水泥缓凝剂的研制

发布时间：2017-09-05 16:11

  本文关键词：一种自匹配油井水泥缓凝剂的研制

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【摘要】：以丙烯酸(AA)、甲基丙烯磺酸钠(MAS)、三甲基烯丙基氯化铵(TMAAC)和亲水长链烯类单体(LN)为原料,过硫酸铵(APS)为引发剂,采用自由基聚合法合成了一种四元共聚物(SY),作为油井水泥缓凝剂。通过正交实验和单因素法确定最佳合成条件：单体摩尔比为nAA:nMAS:nLN:nTMAAC=4:1:0.15:0.5,引发剂(APS)5.0%,反应温度80℃C,单体浓度30%,pH值为5,反应时间20h,在此条件下合成的共聚物缓凝效果良好。用红外光谱和核磁共振H谱对缓凝剂SY进行表征,吸收峰和化学位移峰中存在分子设计侧链功能基团的特征峰,表明缓凝剂SY是通过AA/MAS/LN/TMAAC四种单体合成的有效共聚物,热重分析(TGA)表明,缓凝剂SY在250℃以内不会明显分解,可以在较宽的温度范围内使用。将最优条件下合成的缓凝剂SY应用到油井水泥中,研究其缓凝性能、加量敏感性、温度敏感性以及配伍性等,结果表明：SY能够抗200℃的高温,加量在4%时稠化时间能够达到409min,加量与稠化时间的线性关系良好,在90～200℃温度范围内稠化时间可调；温度敏感系数小于5.0%,加量敏感系数最大为1.68,均满足行业标准要求；在不同品牌油井水泥中适应性良好,与其他常用外加剂配伍性良好；对水泥石强度影响较小,有一定减阻作用,能够明显改善水泥浆的流变性。研究了缓凝剂SY在不同水泥浆体系中的应用性能,优化出了2.10、2.20、2.30g/cm3三个高密度水泥浆体系,150℃稠化时间在270-355min可调,120℃养护24小时抗压强度能够达到10.8MPa。优化出了1.30、1.38、1.50g/cm3三个低密度水泥浆体系,150℃C的稠化时间在320-360min可调,120℃养护24h抗压强度能够达到10.5MPa。加量在满足180℃稠化时间的前提下,温差为60℃时,稠化时时间在313-362min之间,120℃下养护24h水泥石强度会达到16.1MPa。通过X衍射、电镜扫描、低场核磁和络合滴定等方法,探究了缓凝剂SY对油井水泥作用机理。结果表明缓凝剂SY有以下几种作用：缓凝剂SY能够吸附包裹在水泥颗粒表面,形成低渗透高分子包裹层有效控制水向水泥颗粒内部渗透,延缓水泥的水化速率；阳离子基团加入可与水泥水化初期少量阴离子结合,进行自匹配吸附,增加缓凝剂SY吸附作用,延长缓凝时间；缓凝剂SY的加入增加了Ca(OH)2饱和溶解度,延缓Ca(OH)2结晶形成时间,增强了缓凝能力；分子中的-COO-、-SO3-对Ca2+络合作用,延缓水泥浆中Ca(OH)2结晶生成。综上所述,缓凝剂SY抗温能力强,缓凝能力强,适用温度范围宽,对不同品牌水泥及外加剂适应性强,有较好的实际应用前景。
【关键词】：固井 油井水泥 缓凝剂 稠化时间 作用机理
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ172.462;TE256
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 目的和意义9-10
• 1.2 国内外油井水泥缓凝剂的研究现状10-13
• 1.2.1 木质素磺酸盐及其衍生物10
• 1.2.2 羟基羧酸盐类10
• 1.2.3 纤维素衍生物10-11
• 1.2.4 有机磷酸盐类11
• 1.2.5 复合物类11
• 1.2.6 无机化合物11-12
• 1.2.7 合成聚合物类缓凝剂12-13
• 1.3 常用缓凝剂存在的问题及发展趋势13-14
• 1.3.1 目前缓凝剂存在的问题13-14
• 1.3.2 油井水泥缓凝剂的发展趋势14
• 1.4 本文主要研究内容14-15
• 第2章 自匹配缓凝剂SY的设计、合成与表征15-30
• 2.1 缓凝剂的基本要求15
• 2.2 缓凝剂的分子结构设计思路及反应原理15-18
• 2.2.1 主链设计16
• 2.2.2 功能基团的设计16
• 2.2.3 缓凝剂的单体确定16-18
• 2.3 合成实验药品、仪器及合成方法18-19
• 2.3.1 实验药品、仪器18
• 2.3.2 合成方法18-19
• 2.3.3 评价分析方法19
• 2.4 缓凝剂的合成19-27
• 2.4.1 影响缓凝剂缓凝性能关键因素筛选19-20
• 2.4.2 单体配比研究20-22
• 2.4.3 反应温度的优化22-23
• 2.4.4 引发剂对缓凝剂性能的影响23-24
• 2.4.5 反应体系pH值的优化24-25
• 2.4.6 单体浓度研究25
• 2.4.7 反应时间对缓凝性能影响25-26
• 2.4.8 最佳合成条件26
• 2.4.9 最佳合成条件的验证与稳定性试验26-27
• 2.5 结构表征27-29
• 2.5.1 红外光谱分析27-28
• 2.5.2 核磁共振H谱分析28
• 2.5.3 热重曲线分析28-29
• 2.6 本章小节29-30
• 第3章 缓凝剂SY的综合性能研究30-51
• 3.1 实验仪器及试剂30-31
• 3.1.1 实验药品及材料30-31
• 3.1.2 实验仪器31
• 3.2 缓凝剂SY的性能研究31-44
• 3.2.1 缓凝剂SY在不同温度下稠化时间调节能力研究31-34
• 3.2.1.1 缓凝剂SY适用温度范围实验31-33
• 3.2.1.2 缓凝剂SY不同温度下稠化时间可调性研究33-34
• 3.2.2 缓凝剂SY温度敏感性研究34-36
• 3.2.3 缓凝剂SY加量敏感性研究36-39
• 3.2.4 缓凝剂SY对水泥浆流变性的影响39-40
• 3.2.5 缓凝剂SY对水泥浆密度、游离液的影响40-41
• 3.2.6 缓凝剂SY对水泥石强度的影响研究41-42
• 3.2.7 缓凝剂SY抗盐性能研究42
• 3.2.8 缓凝剂SY的配伍性研究42-44
• 3.3 缓凝剂SY在不同水泥浆体系中的应用研究44-49
• 3.3.1 高密度水泥浆体系44-46
• 3.3.2 低密度水泥浆体系46-48
• 3.3.3 缓凝剂SY用于长封固段固井的适应性48-49
• 3.4 本章小节49-51
• 第4章 缓凝剂SY对油井水泥作用机理研究51-63
• 4.1 实验仪器及试剂51-52
• 4.1.1 实验药品51
• 4.1.2 实验仪器51-52
• 4.2 水泥的X衍射实验52-53
• 4.2.1 水泥X衍射样品的制备52
• 4.2.2 水泥样品的X衍射52-53
• 4.3 缓凝剂SY对氢氧化钙饱和溶解度的影响53-54
• 4.3.1 实验方法53
• 4.3.2 实验结果及分析53-54
• 4.4 缓凝剂SY中阳离子对缓凝性能的影响54-57
• 4.4.1 阳离子单体含量与吸附量研究54-56
• 4.4.2 阳离子加量对稠化时间和强度影响56-57
• 4.5 利用低场核磁观察吸附量57-58
• 4.6 缓凝剂SY水泥体系电镜分析58-60
• 4.7 缓凝剂SY作用机理分析60-61
• 4.8 本章小结61-63
• 第5章 结论与建议63-65
• 5.1 结论63
• 5.2 建议63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果69

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本文编号：798958