[发明专利]作为建筑化学体系保水剂、特别用于钻孔固井的两亲性大分子化合物

说明书

本专利申请要求2010年2月24日提交的序列号61/307462的未决美国临时专利申请的优先权，该申请全部公开内容以引证的方式纳入本说明书。

本发明涉及用于建筑化学体系的保水剂，涉及制备适用作保水剂的两亲性大分子化合物的方法，涉及所述化合物用作建筑化学体系保水剂、以及在地下矿物油和天然气矿床的开发、开采和完井（completion）以及在深井（deep well）中的用途，涉及含有所述化合物的建筑材料混合物，涉及含有水和所述建筑材料混合物的建筑材料制剂，以及使用所述建筑材料制剂制备的结构物（structure）。

在建筑化学领域，通常多种共聚物用作保水剂，其也被称为是降滤失添加剂（fluid loss additives）。在本发明上下文中，具体使用领域是在地下矿物油和天然气矿床的开发、开采和完井以及在深井中的固井（cementing）。

保水剂或降滤失剂具有降低水泥浆中水释放的功能。这特别在矿物油和天然气开采方面是重要的，因为在固井中主要包括水泥和水的水泥浆通过被称为套管和井壁之间的环形空隙泵出。在该过程中，水量可从水泥浆释放到地下岩层。固井过程中当水泥浆流过多孔岩层时尤其如此。然后源自水泥浆的碱化水可引起岩层中的粘土溶胀并与天然气或矿物油中的二氧化碳形成碳酸钙沉淀。这些作用的结果是矿床的渗透性降低并因而不利地影响生产率。

此外，水向多孔地下岩层释放的结果是水泥浆不再均匀固化并因此变得对气体以及液态烃类和水具有渗透性。这随后导致化石能源载体通过填满多孔水泥的环状空隙逸出。

因此一直以来尝试将所用水泥浆的所述失水量降至可容忍的最低值。

EP0116671A1记载了，例如，意欲借助其含有的共聚物以降低失水量的用于深井的水泥浆。丙烯酰胺以及特别是丙烯酰氨基甲基丙烷磺酸（AMPS）构成所使用共聚物的重要成分。根据该文献，水泥浆应含有0.1至3重量%的合适共聚物。

EP 1375818A1涉及固井和适用于此目的的组合物。除了AMPS，另外还含有顺丁烯二酸、N-乙烯基己内酰胺和4-羟丁基乙烯基醚的聚合物添加剂同样用作滤失控制剂。

US 4,015,991的共聚物同样基于AMPS和部分水解的丙烯酰胺。还据说在该专利中所记载的共聚物改善水泥组合物中的保水容量。固井作为主要使用领域被提及。

US 4,515,635记载了对水解影响稳定且也可用于固井的聚合物。在各用途中，据称失水量通过所记载的聚合物降低。该共聚物主要含有N,N-二甲基丙烯酰胺和AMPS。类似的共聚物记载于美国专利4,555,269。其中记载的共聚物中单体组分N,N-二甲基丙烯酰胺和AMPS之间具有特定比例。

下文提到的美国专利同样涉及具有保水性能的化合物：

US 6,395,853B1的水溶性共聚物包括尤其是丙烯酰胺和AMPS。该专利的最重要部分是降低用于提取矿物油的浆料中失水量的方法。在该专利上下文中特别提到固井和完井以及这些工序之前的钻探泥浆。

US 4,700,780关注于降低同样含有所限定的盐浓度的含水泥组合物中失水量的方法。保水剂也是AMPS的聚合物或聚合物盐，在这种情况下必需的是结构单元也存在苯乙烯和丙烯酸。

多种多样的已知共聚物或接枝共聚物具有，如已经简要讨论地，各情况下不同的性能特征（profile）且根据它们的单体组成具有具体的优势和缺陷。这些离子聚合物中的大部分所特有的一般缺陷是其保水效果在二价盐（其通常存在于海水中）的存在下降低，所述海水在近海石油和天然气井和/或在高于约90°C的高温情况下经常用于搅拌水泥浆，也可能出现效果完全丧失的情况。

如上文通过实例说明，长久以来已经进行充分地尝试以提供特别在油气开采领域中保水能力稳定的新分子或聚合物，从而可得到有利的价格/性能比例。

由于具体应用中盐和温度稳定性仍然需要改善，本发明的目的主要是提供基于经实验和测试成分的特别在二价盐的存在下和高温下表现出重大改善的新分子。

该目的通过独立权利要求的特征实现。从属权利要求涉及优选实施方案。

令人惊奇地发现，在这些应用中，本发明的非荷电的两亲性大分子化合物具有与目前市售可得的那些参比样品几乎相同的保水性能，但其对浆料的流变性没有不利影响。此外，发现优异的温度稳定性，其确保了保水剂在整个宽的温度范围内的效力。作为非荷电分子，这些化合物不与二价金属的盐相互作用。