[发明专利]一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法和应用，属于水泥缓凝技术领域。本发明所述改性铝酸盐水泥缓凝剂包括AMPS、不饱和羧基酸、硼酸和葡萄糖。本发明将硼酸和不饱和羧基酸结合，所述的硼酸通过吸附钙离子形成致密的硼酸钙覆盖层，致使水泥水化反应过程受阻，影响水泥石的早期强度。通过掺入大量的羟基酸，破坏硼酸钙覆盖层的结构，从而使水泥颗粒在一定时间后由于覆盖层的破坏而继续水化反应，起到终止缓凝的作用。本发明中不饱和羧基酸含量高，缓凝剂中的羧基除了能起到缓凝作用外，还能改善水泥浆的直角稠化性能。

技术领域

本发明涉及一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法和应用，属于水泥缓凝技术领域。

背景技术

铝酸盐水泥具有早期强度高，耐高温、耐磨、抗硫酸盐侵蚀性能好的优点，被用于紧急、抢修工程、临时性工程，以及配制耐热混凝土等，在油气井固井、海水混凝土、废弃物固化等领域也具有发展潜力。但是，铝酸盐水泥由于水化产物的不稳定性，导致其存在强度衰退的缺陷，限制了其运用推广。

为了改善铝酸盐水泥的强度稳定性，通常在铝酸盐水泥中加入改性外掺料，其中，磷酸盐是一种重要的改性材料。大量的研究表明，铝酸盐水泥中加入磷酸盐，通过参与水化反应，形成C～A～P～H凝胶，加入硅质材料时，可形成水石榴石的矿物，新型矿物替代了水化铝酸盐，可有效避免水泥石的衰退现象。

近年来，磷酸盐改性铝酸盐水泥被认为拥有良好的耐高温、抗CO₂腐蚀性能，在油气井固井工程领域有很大的发展潜力。但是，磷酸盐与铝酸盐水泥复合时，水泥的凝结时间急剧缩短，在极端情况下，水泥浆10min内就凝固。由于油气井固井工程的工作环境温度更高，水泥浆体硬化速度更快。然而，目前适用于硅酸盐水泥的常用的缓凝剂，均不能对改性铝酸盐水泥实现良好的缓凝效果。

美国布鲁克海文国家实验室的Toshifumi. Sugama在《Citric acid as a setretarder for calcium aluminate phosphate cements》中使用柠檬酸、NaCl作为磷酸盐改性铝酸盐水泥的缓凝剂，其实验结果表明，使用柠檬酸或NaCl作为缓凝剂时，所需缓凝剂掺量高，对水泥石强度的负面作用明显，导致水泥石不能满足固井作业要求。

国家知识产权局于2015年11月11日公开了公开号为CN105037625A，名称为一种改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法的发明专利，该专利提供了一种阳离子型聚合物缓凝剂及其制备方法，其制备方法为：按照质量配比称取四种单体分别为40～55份2～丙烯酸胺基～2～甲基丙磺酸（AMPS），25～35份苯乙烯磺酸钠(SSS)，20～30份衣康酸（IA），2～4份二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），将四种单体全部溶于去离子水中，搅拌均匀形成混合液，在20～25℃条件下，调节混合液pH4～6，将调好pH值的混合液置于反应容器中，将反应容器置于恒温水浴中，同时排除反应容器中的氧气并用搅拌器搅拌，待反应容器内混合液的温度达到恒温，滴加引发剂溶液，恒温反应后，得到粘稠液体，经提纯、干燥得到缓凝剂。采用该方法制备的缓凝剂是一种四元共聚物，共聚单体为2～丙烯酸胺基～2～甲基丙磺酸(AMPS)、苯乙烯磺酸钠(SSS)、衣康酸(IA)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢钠。该类缓凝剂成本高，不利于推广利用。

国家知识产权局于2017年03月22日公开了公开号为CN106517852A，名称为一种预鳌合铝离子的AMPS共聚物与硼酸盐复配的改性铝酸盐水泥缓凝剂及其制备方法的发明专利，首先将一定质量的AMPS共聚物和铝盐加入水中搅拌，升温至预螯合温度，螯合一定时间后，冷却得到预螯合铝离子AMPS共聚物，然后将一定量的四硼酸溶解在所述预螯合铝离子的AMPS共聚物中。

然而，改性铝酸盐水泥作为一种特种水泥，在使用过程中必然与硅酸盐水泥共用施工设备，因此，在存储、运输、使用时，均有可能与硅酸盐水泥混合。由于两种水泥特性的巨大差异，存在以下问题：

1、混入硅酸盐水泥后会影响改性铝酸盐水泥凝结时间,影响固井作业施工安全。