CN107973538A - 一种高温油井水泥石弹性材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温油井水泥石弹性材料及制备方法。所述弹性体材料是由包括以下组分的原料制备而得：氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物粉末100重量份；硅灰20‑30重量份烷基酚醚硫酸铵盐0‑10重量份。制备方法包括：将所述原料按所述用量加入到PCS颗粒复合系统制备，得到所述高温油井水泥石弹性材料。本发明可有效改善水泥石硬脆性，增强水泥石变形能力，同时降低水泥浆成本，实现工业化应用，保证了后期的开采和分段压裂对水泥石力学性能的需求，延长了油气井的生产寿命。

Description

一种高温油井水泥石弹性材料及制备方法
技术领域
本发明涉及油气井固井领域，进一步地说，是涉及一种高温油井水泥石弹性材料及制备方法。
背景技术
随着气井环空带压现象越来越普遍，水泥环的封固质量和耐久性越来越受到行业内的重视。但常规水泥石是一种脆性材料，在油井长期生产或作业过程水泥环容易出现裂纹或者微环隙，导致井口带压。尤其是目前页岩油气、致密油气井分段压裂技术的应用，对水泥石弹性变形能力要求更高，要求水泥石能够耦合套管变形。因此为了有效提高水泥石的长期密封能力，需要有效改善水泥石的力学性能，提高水泥石的变形能力，有效降低水泥石的弹性模量，并保证水泥石足够的强度。目前常用的改善水泥石弹性性能的材料主要有：丁苯胶乳乳胶、苯丙胶乳、橡胶颗粒及有机树脂类等物质，但乳胶及有机树脂类物质因价格高而限制了它们的广泛使用，橡胶颗粒和树脂材料由于抗温能力差及自身的缺陷，影响了其在油气井固井中的应用。其中橡胶颗粒由于来源广泛、价格便宜，成为了很多弹性水泥浆体系的首选材料，但是其表面疏水，且易漂浮以及耐温性差，导致其应用受到了较大的限制。
因此开发一种以核壳结构为基础的新型弹性材料，形成的水泥浆能够降低水泥石弹性模量，降低水泥石脆性，增加水泥石变形能力，并合理降低成本。通过机械纳米包覆技术，实现对氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物进行物理改性，通过在氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末表面物理包覆纳米金属氧化物及表面活性剂，实现无孔包覆，改善橡胶颗粒与CSH间胶结特性，提高氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物颗粒的耐温能力、稳定性，同时改善水泥石力学性能的目的，有效降低水泥石弹性模量，增加水泥石应变率。
201510636734.3《弹性水泥浆及其制备方法》介绍了一种弹性固井水泥浆的配方，但是未给出弹性材料的具体成分以及弹性材料的制备方法。
201310066429.6《一种弹性固井水泥浆及其制备方法》介绍了一种弹性固井水泥浆的配方，但是未给出弹性材料的具体成分以及弹性材料的制作方法。
201510556796.3《一种油井水泥用抗渗弹性体及水泥浆制备方法》介绍了采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物粉末及聚醋酸乙烯酯粉末作为弹性材料，但弹性模量只能降低30％。
由于固井质量差或者水泥石力学性能较差(硬脆)，导致环空带压，导致严重安全隐患，降低油井生产寿命。同时为了稳产、增产，各油田都相继进行注水、压裂、酸化等增产措施，不同的作业过程必然引起井下套管和水泥环受力状态改变，采用常规水泥浆体系容易导致水泥环受损，水泥环失去密封能力，影响后期生产，因此针对弹性水泥浆体系，需要开发一种性能优良，经济可行的弹性材料。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种高温油井水泥石弹性材料及制备方法。通过机械纳米包覆技术，形成以氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物为核，表面活性剂、金属氧化物为壳的高性能弹性材料，有效改善水泥石硬脆性，增强水泥石变形能力，同时降低水泥浆成本，实现工业化应用，保证了后期的开采和分段压裂对水泥石力学性能的需求，延长了油气井的生产寿命。
本发明的目的之一是提供一种高温油井水泥石弹性材料。
所述弹性体材料是由包括以下组分的原料制备而得：
氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末100重量份；
硅灰20-30重量份；优选为20-25重量份；
烷基酚醚硫酸铵盐0-10重量份，优选2-5重量份；
优选：
氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末的直径范围为0.1-0.2mm；
烷基酚醚硫酸铵盐的固含量为35-45％。
所述弹性材料是利用PCS颗粒复合系统制备的。
本发明的目的之二是提供一种高温油井水泥石弹性材料的制备方法。
包括：将所述原料按所述用量加入到PCS颗粒复合系统制备，得到所述高温油井水泥石弹性材料。
PCS颗粒复合系统转速为2000-2500r/min，温度为30-35℃。
PCS颗粒复合系统为发明人的专利，已申请专利，专利申请号为(201510671409.0)。
本发明具体可采用以下技术方案：
优选直径为1-2mm的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末，邵式硬度72-77，300％定伸应力3.6-4.6Mpa，加氢度97.7-99.6％。选用细度为1250目的硅灰(含碳<0.5％)。选用固含量为35-45％的烷基酚醚硫酸铵盐。取所述的橡胶粉100份，取所述硅灰20-30份，烷基酚醚硫酸铵盐2-5份并混合均匀。利用PCS颗粒复合系统，选取适宜工作温度，使用干式冲击复合法，利用设备旋转产生的高速气流挟带粒子做高速相对运动，通过冲击使母颗粒与子颗粒以范德华引力与静电作用力发生复合，形成核壳结构的弹性粒子。通过调整系统转速在2500-2000r/min，温度在30-35℃，控制系统投入原料，运行20-30min后再通过控制柜打开排粉开关，排粉15～20min，形成最终产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)形成的弹性粒子耐温性高，提高原橡胶粉耐酸碱能力；
(2)形成的弹性粒子中硅灰颗粒嵌入至橡胶粉中，有效防止后续使用过程中二者出现滑脱，稳定性好；
(3)于水泥浆相容性好，无漂浮及养护过程增加稠度现象；
(4)形成的弹性材料，能够明显降低水泥石弹性模量，增加水泥石的变形能力；
(5)形成的弹性粒子为球形，有利于增加水泥浆的流动性。
附图说明
图1弹性粒子制备流程示意图；首先对所述橡胶粉球形化，然后与硅灰及混合均匀后，利用干式冲击复合法形成连续的无孔包覆的颗粒。
图2 PCS系统结构示意图；
附图标记说明：
1.加料斗 2.进样器 3.处理系统 4.冷却系统 5.控制系统。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1
将100重量份氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末(平均粒径0.15mm)、2重量份十四烷基酚醚硫酸铵盐(固含量35％)，加入球型化后的硅灰中(30份)，搅拌均匀，并调整PCS温度30℃，转速2000转/分钟，控制进料速度5kg/分钟，包覆时间30分钟，收集产品平均粒径0.16mm。
实施例2
将100重量份氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末(平均粒径0.18mm)、4重量份十四烷基酚醚硫酸铵盐(固含量40％)，加入球型化后的硅灰中(20份)，搅拌均匀，并调整PCS温度35℃，转速2500转/分钟，控制进料速度5kg/分钟，包覆时间30分钟，收集产品平均粒径0.212mm。
对比例1
为了对比,较常规水泥石力学性能有明显改善，采用水泥(嘉华G级)100份，降滤失剂(DZJ-Y)5份，分散剂(DZS)1.2份，缓凝剂(DZH-2)0-1.5份，纳米液硅5份，水40份，消泡剂0.2份，配置出常规性能的水泥浆体系，密度为1.9g/cm3,100℃和25MPa环境下养护72小时，在测量弹性模量8.1GPa,泊松比0.15，抗压强度28.5MPa,抗拉强度2.6MPa。
实施例3
采用水泥(嘉华G级)100份，降滤失剂(DZJ-Y)5份，分散剂(DZS)1.2份，，缓凝剂(DZH-2)0-1.5份，水40份，所述核壳结构的弹性粒子6份，消泡剂0.2份，增塑剂4份，配置出密度为1.9g/cm3,100℃和25MPa环境下养护72小时，测量弹性模量3.6GPa,泊松比0.23，抗压强度16.8MPa,抗拉强度2.0MPa；与对比例1相比，添加新型弹性材料后水泥石弹性模量明显降低，变形能力变强。

Claims (6)

1.一种高温油井水泥石弹性材料，其特征在于所述弹性体材料是由包括以下组分的原料制备而得：
氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末100重量份；
硅灰20-30重量份；
烷基酚醚硫酸铵盐0-10重量份。
2.如权利要求1所述的高温油井水泥石弹性材料，其特征在于：
氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末的粒径范围为0.1-0.2mm；
烷基酚醚硫酸铵盐的固含量为35-45％。
3.如权利要求1所述的高温油井水泥石弹性材料，其特征在于：
氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物粉末100重量份；
硅灰20-25重量份；
烷基酚醚硫酸铵盐2-5重量份。
4.如权利要求1所述的高温油井水泥石弹性材料，其特征在于：
所述弹性材料是利用PCS颗粒复合系统制备的。
5.一种如权利要求1～4之一所述的高温油井水泥石弹性材料的制备方法，其特征在于：
将所述原料按所述用量加入到PCS颗粒复合系统制备，得到所述高温油井水泥石弹性材料。
6.如权利要求5所述的高温油井水泥石弹性材料的制备方法，其特征在于：
PCS颗粒复合系统转速为2000-2500r/min，温度为30-35℃。
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