改性蛭石增韌劑、其制備方法及在油井水泥漿體系的應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了改性蛭石增韌劑、其制備方法及在油井水泥漿體系的應用，該改性蛭石增韌劑由以下各組分按重量份配比組成：蛭石100份，改性瀝青30～50份，納米粉體2～5份，分散劑1～3份，水600～1000份。該改性蛭石增韌劑的制備方法包括：將蛭石煅燒后得到膨脹蛭石；稱取納米粉體、改性瀝青、分散劑加入水中，然后加入膨脹蛭石，攪拌30min后取出，烘干即得改性蛭石增韌劑。該改性蛭石增韌劑在油井水泥漿體系的應用，是指以其作為增韌劑制備油井水泥漿體系。蛭石原料來源廣泛，成本低，改性蛭石增韌劑的制備工藝和設(shè)備簡單，易于機械化大規(guī)模生產(chǎn)，改性蛭石配制的油井水泥漿體系失水量小、穩(wěn)定性好、流動性好，能滿足現(xiàn)場注水泥施工要求。
【專利說明】改性蛭石增韌劑、其制備方法及在油井水泥漿體系的應用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種固井用改性蛭石增韌劑、其制備方法及在油井水泥漿體系的應 用。

【背景技術(shù)】
[0002] 固井是指在套管與地層或套管與上層套管之間的環(huán)空注水泥以支持和保護套管， 封隔地層的作業(yè)程序，是油氣井建井工程中的一項關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所形成的固井水泥環(huán)的性能 直接關(guān)系到后續(xù)試壓、儲層改造等作業(yè)措施能否順利進行以及油氣井的安全生產(chǎn)壽命。固 井水泥環(huán)就是環(huán)空注水泥漿體硬化后形成的水泥石，它本身是一種硬脆性材料，在井下高 溫高壓環(huán)境作用時，由于地層、套管和水泥環(huán)變形能力不一致，會導致水泥環(huán)密封失效；另 夕卜，套管試壓，大規(guī)模強化開采措施，如射孔、酸化、壓裂等后期作業(yè)也會對水泥環(huán)帶來嚴重 的應力沖擊，應力波在水泥環(huán)局部形成拉伸的高應力區(qū)，當水泥環(huán)的周向拉應力超過其強 度極限時，水泥環(huán)就會破裂，失去層間封固的能力，嚴重地會引發(fā)安全問題，帶來嚴重的經(jīng) 濟損失。為了延長固井水泥環(huán)的使用壽命，提高固井質(zhì)量，必須提高水泥石的韌性。
[0003] 目前，多采用添加纖維、橡膠粉和膠乳等對水泥石進行降脆增韌改性，也取得了一 些研究成果。但是，現(xiàn)有這些措施的增韌效果還很有限，有的是以犧牲水泥石強度來達到增 韌目的的，沒有從本質(zhì)上解決水泥石脆性的問題，而且多存在現(xiàn)場施工困難的問題。因此， 開發(fā)新的有效的油井水泥石增韌劑勢在必行。
[0004] 蛭石是一種具有較高強度和彈性模量的層狀硅酸鹽礦物，屬于單斜晶體，由三個 基本結(jié)構(gòu)層組成的結(jié)構(gòu)單元層堆置而成。層內(nèi)為共價鍵結(jié)合，層間為分子鍵結(jié)合。主要化 低密度水泥漿實驗研究"的文章中采用蛭石作減輕材料，開發(fā)了密度1. 35?I. 50g/cm3的 低密度水泥漿體系。蛭石低密度水泥漿體系的不足之處是如果不復配硅灰或膨脹珍珠巖等 其他輔助外摻料，蛭石摻量超過25%以后，水泥石抗壓強度急劇下降。
[0005] 本發(fā)明采用溶液插層技術(shù)，在膨脹蛭石層間插入彈性和形變能力好的親水性改性 浙青和納米粉體材料對蛭石進行改性。改性后的蛭石作為油井水泥外摻料會對固井水泥石 產(chǎn)生增韌的新功效，當其摻量小于5%時，油井水泥石抗壓強度降低幅度不大，克服了現(xiàn)有 蛭石低密度水泥石抗壓強度低的缺陷。
[0006] 采用改性蛭石作為固井水泥漿的增韌劑，這是一項全新增韌技術(shù)，國內(nèi)外未見任 何報道。其增韌的原理是在層狀硅酸鹽材料中加入軟質(zhì)的浙青從而制成增韌劑，一旦加入 油井水泥漿中，硬化水泥石中就會產(chǎn)生許多弱界面和微裂紋。浙青與蛭石界面以及浙青與 水泥石界面都屬于弱界面。加入改性蛭石后的油井水泥石受到外力沖擊時，水泥石中裂紋 擴展到達改性浙青和蛭石的弱結(jié)合界面以及水泥石與浙青的弱結(jié)合界面時，在載荷作用下 弱結(jié)合界面上就會形成微裂紋，并且微裂紋將沿著弱界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)或分層，增大裂紋擴展 路徑，讓能量在裂紋擴展過程中釋放，達到增韌油井水泥石的目的。改性蛭石中的軟質(zhì)浙青 顆粒對裂紋也有攔截作用，并在裂紋尾尖端產(chǎn)生塑性變形區(qū)，在吸收沖擊外力產(chǎn)生的部分 能量時，又使得裂紋被橋聯(lián)而增韌水泥石。另外，改性蛭石在煅燒過程中會產(chǎn)生活性SiO2和 Al2O3，它們與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應，獲得蛭石和水泥石化學結(jié)合的強界面。 整個水泥石體系中，弱界面相互獨立并處于強界面的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)之中。弱界面起到微裂紋增 韌的效果，強界面可以阻止主裂紋與微裂紋的連接合并，保證了水泥石的結(jié)構(gòu)完整性，從而 保證了水泥石的強度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供改性蛭石增韌劑，蛭石原料來源廣泛，成本低廉，具有廣闊 的市場前景。
[0008] 本發(fā)明的另一目的還在于提供該增韌劑的制備方法，采用聚合物溶液插層法制備 改性蛭石增韌劑的工藝原理可靠，操作簡單，易于實現(xiàn)機械化，且不污染環(huán)境。
[0009] 本發(fā)明的另一目的還在于提供該增韌劑在油井水泥漿體系的應用，用改性蛭石增 韌的油井水泥漿體系克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，工程性能滿足固井工況，水泥石具有良好的 抗壓強度、抗拉強度和韌性。
[0010] 為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0011] 所述改性蛭石增韌劑的制備，是將蛭石煅燒到700?1000°C，得到膨脹蛭石，以改 性浙青和納米混合粉體為插層劑，采用溶液插層技術(shù)制成改性蛭石增韌劑。
[0012] 改性蛭石增韌劑，由以下各組分按重量份配比組成：蛭石100份，改性浙青30? 50份，納米粉體2?5份，分散劑1?3份，水600?1000份。
[0013] 所述蛭石為80?200目的淡綠色或黃銅色市售蛭石。
[0014] 所述改性浙青為磺化浙青FT-I (產(chǎn)品技術(shù)指標符合標準Q/CNPC95-2003)。
[0015] 所述納米粉體為納米二氧化硅、納米氧化鋯或其混合物。
[0016] 所述分散劑為硅酸鈉或聚氧化乙烯。
[0017] 該改性蛭石增韌劑的制備方法，包括：將蛭石在700?1000°C范圍內(nèi)煅燒，煅燒后 得到膨脹蛭石；量取600?1000重量份水，稱取2?5重量份納米粉體、30?50重量份改 性浙青、1?3重量份分散劑加入水中，配制成混合液，將其放在恒溫水浴鍋（T = 80°C )中 攪拌lOmin，然后加入100重量份膨脹蛭石，繼續(xù)攪拌30min后取出，在90°C下烘干，即得改 性蛭石增韌劑。
[0018] 該改性蛭石增韌劑在油井水泥漿體系的應用，是指以其作為增韌劑制備油井水泥 漿體系，該體系由以下各組分按重量份配比組成：
[0019]
[0020] 所述油井水泥為G級油井水泥。

【權(quán)利要求】
1. 改性蛭石增韌劑，由以下各組分按重量份配比組成：蛭石100份，改性浙青30?50 份，納米粉體2?5份，分散劑1?3份，水600?1000份；所述蛭石為80?200目的淡綠 色或黃銅色市售蛭石；所述改性浙青為磺化浙青；所述納米粉體為納米二氧化硅、納米氧 化鋯或其混合物；所述分散劑為硅酸鈉或聚氧化乙烯。
2. 如權(quán)利要求1所述的改性蛭石增韌劑的制備方法，包括：將蛭石在700?1000°C 范圍內(nèi)煅燒，煅燒后得到膨脹蛭石；量取600?1000重量份水，稱取2?5重量份納米粉 體、30?50重量份改性浙青、1?3重量份分散劑加入水中，配制成混合液，將其放在T= 80°C的恒溫水浴鍋中攪拌lOmin，然后加入100重量份膨脹蛭石，繼續(xù)攪拌30min后取出，在 90°C下烘干，即得改性蛭石增韌劑。
3. 如權(quán)利要求1所述的改性蛭石增韌劑在油井水泥漿體系的應用，是指以其作為增韌 劑制備油井水泥漿體系，該體系由以下各組分按重量份配比組成： 油井水泥 100份， 改性蛭石增初劑 1?5份， 分散劑 0. 5?3份， 降失水劑 1?3份， 早強劑 0. 5?3份， 消泡劑 0.1?0.5份， 水 40?50份； 所述油井水泥為G級油井水泥； 所述分散劑為磺化三聚氰胺甲醛樹脂； 所述降失水劑為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或羥乙基纖維素； 所述早強劑為氯化鈉或氯化鈣； 所述消泡劑為聚丙烯醇或磷酸三丁酯。
【文檔編號】C09K8/467GK104403647SQ201410504903
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月27日
【發(fā)明者】張春梅, 郭小陽, 李早元, 程小偉, 李明, 劉健, 王平, 辜濤, 常培敏, 楊萬桃, 陳龍 申請人:西南石油大學