本發(fā)明涉及一種用于固井前置液中的兩性離子型分散劑，以及該分散劑的合成和應(yīng)用方法，屬于地質(zhì)勘探及油氣田勘探開發(fā)化學(xué)品領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在油氣井固井作業(yè)中的水泥漿頂替鉆井液過程中，當(dāng)水泥漿與鉆井液接觸時，二者之間會發(fā)生不同程度相互污染，使混合后的漿體極易出現(xiàn)增稠、增黏、甚至絮凝結(jié)塊的現(xiàn)象，嚴(yán)重的會造成泵壓增高、壓漏地層，這樣極大地影響了正常的固井作業(yè)，并增大了作業(yè)過程中的風(fēng)險。
目前，現(xiàn)場施工中常用的方法是使用一些現(xiàn)有的鉆井液或水泥漿用分散劑或降粘劑等加入到前置液（即沖洗液或隔離液）中，利用分散劑或降粘劑對鉆井液或水泥漿的分散、降粘作用以改善受污染的鉆井液、水泥漿的漿體流變性能。常用的外加劑有木質(zhì)素磺酸鹽類、磺甲基苯醛樹脂（SMP）、甲醛和丙酮縮聚物（SXY）、兩性離子聚合物降粘劑（XY-27）等。從現(xiàn)場施工作業(yè)中反饋的大量信息可知，這些外加劑的確可以在一定程度上改善混合漿體的流變性能，但同時發(fā)現(xiàn)它們對不同比例鉆井液和水泥漿混合漿體的流變性影響很大。比如SMP、XY-27，只對混合漿體中含大量鉆井液時分散效果比較好；而如木質(zhì)素磺酸鹽類、SXY，則只對混合漿體中含有大量水泥漿時分散效果比較好。這些情況在套管居中度較差時，極易出現(xiàn)窄環(huán)空處鉆井液頂替不完全的情況，導(dǎo)致水泥環(huán)的封隔能力降低，這在電測結(jié)果中常常表現(xiàn)界面膠結(jié)質(zhì)量比較差，直接影響到對固井施工的驗收評價以及后續(xù)的油氣井生產(chǎn)作業(yè)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種可以同時具有分散鉆井液和水泥漿能力的用于固井前置液高分散兩性離子型分散劑，并給出該分散劑的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案包括：
一種用于固井前置液高分散兩性離子型分散劑，包括單體和占單體質(zhì)量比的1.3~2.5%的引發(fā)劑、占單體質(zhì)量比的0.8~2.0%還原劑、占單體總量3~5%的異丙醇。
所述單體為烯丙基磺酸鈉、馬來酸酐、二甲基二烯丙基氯化銨按質(zhì)量比2.2~4.7：0.7~1.5：0.2~0.6，引發(fā)劑為過硫酸銨或過硫酸鉀，還原劑為亞硫酸氫鈉。
按照前述的用于固井前置液高分散兩性離子型分散劑的制備方法是：將單體加入到水中，并加熱攪拌，待固體完全溶解后，升溫至50 ℃~85 ℃，攪拌10-20 min后分別加入引發(fā)劑和還原劑，恒溫反應(yīng)3~6 h，再加入異丙醇，恒溫0.3-0.6 h后取出，用45％的氫氧化鈉溶液將其pH值調(diào)至5~6，即得到產(chǎn)品。
本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合鉆井液和水泥漿的特性，優(yōu)先選取單體是烯丙基磺酸鈉（AS）、馬來酸酐（MA）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），這些單體共同特點是它們的離子基團(tuán)可以不同程度地通過化學(xué)吸附和物理吸附作用在鉆井液或水泥漿中的固相顆粒表面富集，并且利用共聚物中帶電性相反的基團(tuán)使固相顆粒間的相互排斥，以此達(dá)到對漿體的分散作用。上述三種單體除了具備前面介紹功能基團(tuán)性質(zhì)，還由于烯丙基類單體具有自阻聚作用，馬來酸酐單體不活潑，這使得該三元共聚物很難達(dá)到高的聚合度，這對于分散劑是有利的。與現(xiàn)在常用的分散劑或降粘劑相比，含有兩性離子型分散劑的前置液對鉆井液和水泥漿均具有良好的相容性和分散性，混合漿體無增稠、絮凝的情況，漿體具有良好的流變性；兩性離子型分散劑對水泥石強(qiáng)度發(fā)展有積極的促進(jìn)作用。
具體實施方式
本發(fā)明優(yōu)選單體及合成工藝包括：
1、對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、反應(yīng)單體摩爾比和引發(fā)劑用量等因素進(jìn)行了優(yōu)化，確定了反應(yīng)單體的質(zhì)量比為AS：MA：DMDAAC=（2.2~4.7）：（0.7~1.5）：（0.2~0.6），引發(fā)劑中過硫酸銨（APS）或過硫酸鉀（KPS）的用量為占單體質(zhì)量比的1.3~2.5%，亞硫酸氫鈉的用量為占單體質(zhì)量比的0.8~2.0%，反應(yīng)溫度為50 ℃~85 ℃，反應(yīng)時間為3~6 h。
2、該聚合反應(yīng)采用氧化還原水溶液體系，依次將烯丙基磺酸鈉、馬來酸酐、二甲基二烯丙基氯化銨加入到水中，并加熱攪拌，待固體完全溶解后，升溫至反應(yīng)溫度時，攪拌15 min后分別加入一定量的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉，滴加完畢后恒溫反應(yīng)3~6 h，再加入占單體總量3~5%的異丙醇，恒溫0.5 h后取出，用45％的氫氧化鈉溶液將其pH值調(diào)至5~6，即得到產(chǎn)品。
經(jīng)測試分析，產(chǎn)品的平均聚合度為500-3000之間，主要受聚合溫度、引發(fā)劑濃度、單體配比等因素的影響。聚合物為無規(guī)共聚產(chǎn)物。
本發(fā)明評價兩性離子型分散劑對鉆井液、水泥漿流變性及對水泥石強(qiáng)度發(fā)展的影響：
1、制備含兩性離子型分散劑的前置液。配制過程：在漿杯中放入100份清水，加入0.4~0.8份增粘劑（增粘劑采用聚丙烯酰胺、丙烯酸類聚合物均可），攪拌溶解4 h后，依次加入0.3~0.6份消泡劑（有機(jī)硅油消泡劑、高級醇類消泡劑均可），0.5~1.7份兩性離子型分散劑，達(dá)到前置液規(guī)定密度所需的固相材料（15~85份），以及0.8~2.2份的復(fù)合表面活性劑（司班、吐溫系列均可）；
2、參照API規(guī)范10，將含有0.5%的兩性離子型分散劑前置液分別加入到不同比例的鉆井液與水泥漿中測試混合漿體的流變性。
3、將0.8%的兩性離子型分散劑、SXY、SMP分別加入水泥漿中，經(jīng)過稠化、制模后，測試形成水泥石在90 ℃溫度下、養(yǎng)護(hù)24 h和72 h后的抗壓強(qiáng)度。
本發(fā)明中，配制的鉆井液、前置液、水泥漿工作液的各組分均為重量份。
下面結(jié)合實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
實施例1
確定了反應(yīng)單體的質(zhì)量比為AS：MA：DMDAAC=2.2：1.5：0.2，引發(fā)劑中過硫酸銨（APS）的用量為占單體質(zhì)量比的1.3%，還原劑亞硫酸氫鈉的用量為占單體質(zhì)量比的2.0%，反應(yīng)溫度為85 ℃，反應(yīng)時間為3 h。加入占單體總量3%的異丙醇，恒溫0.5 h后取出，用pH調(diào)節(jié)劑將其pH值調(diào)至5~6，得到1#兩性離子型分散劑。
在漿杯中放入100份清水，加入0.4份增粘劑，攪拌溶解4 h后，依次加入0.3份消泡劑，5份1#兩性離子性分散劑，達(dá)到前置液規(guī)定密度所需的固相材料45份，以及1.0份的復(fù)合表面活性劑，配制成密度為1.2 g/cm3的前置液。參照API規(guī)范10 B分別測定與油基鉆井液（密度為1.05 g/cm3）和水泥漿（密度為1.88 g/cm3）的相容性，測試溫度為60 ℃，測試結(jié)果見表1和2。
實施例2
確定了反應(yīng)單體的質(zhì)量比為AS：MA：DMDAAC=4.0：1.2：0.3，引發(fā)劑中過硫酸鉀的用量為占單體質(zhì)量比的2.5%，還原劑亞硫酸氫鈉的用量為占單體質(zhì)量比的1.3%，反應(yīng)溫度為55 ℃，反應(yīng)時間為5 h。加入占單體總量5%的異丙醇，恒溫0.5 h后取出，用pH調(diào)節(jié)劑將其pH值調(diào)至5~6，得到2#兩性離子型分散劑。
在漿杯中放入100份清水，加入0.4份增粘劑，攪拌溶解4 h后，依次加入0.3份消泡劑，5份2#兩性離子型分散劑，達(dá)到前置液規(guī)定密度所需的固相材料45份，以及1.0份的復(fù)合表面活性劑，配制成密度為1.2 g/cm3前置液。參照API規(guī)范10 B分別測定與油基鉆井液（密度為1.05 g/cm3）和水泥漿（密度為1.88 g/cm3）的相容性，測試溫度為60 ℃，測試結(jié)果見表3和4。
實施例3
分別將實施例1和實施例2合成的兩性離子型分散劑、SXY、SMP，加入水泥漿中，形成的水泥石在90℃下、水浴養(yǎng)護(hù)24 h和72 h后測試其抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果見表5。從表5中可以看出，加有兩性離子型分散劑的水泥石抗壓強(qiáng)度均高于含有SXY或SMP的水泥石抗壓強(qiáng)度。
由表1至表4可以看出，含有兩性離子型分散劑的前置液對鉆井液和水泥漿均具有良好的相容性和分散性，混合漿體無增稠、絮凝的情況，漿體具有良好的流變性。
由表5可以看出，組分含量不同的兩性離子型分散劑對水泥石的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高，且1#產(chǎn)品對提高水泥石抗壓強(qiáng)度值的能力強(qiáng)。
表1 1#兩性離子型分散劑前置液對油基鉆井液的影響
注：A代表油基鉆井液；B1代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑1#）
表2 含1#兩性離子型分散劑前置液對水泥漿的影響
注：C代表水泥漿；B1代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑1#）
表3 含2#兩性離子型分散劑前置液對油基鉆井液的影響
注：A代表油基鉆井液；B2代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑2#）
表4 含2#兩性離子型分散劑前置液對水泥漿的影響
注：C代表水泥漿；B2代表密度為1.2 g/cm3的前置液（含0.5%兩性離子型分散劑2#）
注：水泥漿配方：500gG級水泥+2%膨脹劑+2%增韌劑+1.5%SWJ-1+0.8%SXY
表5 不同類型分散劑對水泥石強(qiáng)度的影響
注：水泥漿配方為500gG級水泥+2%膨脹劑+2%增韌劑+1.5%SWJ-1+0.8%SXY（或用兩性離子型分散劑及SMP替代）。