CN108485620A - 一种液体纤维增韧水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液体纤维增韧水泥浆，按质量份数计，包括以下组分：水泥100份，水35～60份，自密封弹性材料2.5～23.5份，分散剂0.5～3份，降滤失剂2～5份，增强剂0.5～2份，膨胀剂0.5～2份，缓凝剂0.5～3份，液体纤维1～7份。本发明利用液体纤维作为增强增韧组分，与其他各组分共同作用，提高了液体纤维增韧水泥浆的强度和抗冲击性能。实验结果表明，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆制备的水泥石抗压强度可达22.6MPa，抗折强度可达4.40MPa，弹性模量可达4.10GPa，抗冲击功可达2.84KJ/m2。

Description

一种液体纤维增韧水泥浆
技术领域
本发明涉及固井技术领域，特别涉及一种液体纤维增韧水泥浆。
背景技术
20世纪60年代以来，纤维增强水泥及复合材料在油气井固井工作中取得了广泛的应用，对改善工作质量和提高长久耐久性发挥了很好的作用，在水泥浆体系中加入纤维材料，其主要目的在于提高水泥石的强度和韧性。而纤维在水泥浆中的分散程度不同，形成的水泥石的强度也不同，纤维分散越均匀，其水泥石的强度就越大，水泥石的寿命就越长，水泥石所获得的性能也越好。近年来关于纤维水泥浆体系的研究主要集中在纤维的选材和纤维的长短两个方面，忽略了纤维材料与水泥基质的胶结问题。
国内外针对这一问题进行了许多研究，一种目前国内使用较广泛的方法是在纤维增强水泥基材料制备过程中掺入一定量聚合物乳液，来达到更好的增韧效果。但是聚合物乳液的掺入，会使水泥基材料的抗压抗折强度明显降低，无法满足普遍的强度需求。
并且，由于固井后水泥环经常受到因各种后续作业带来的冲击力的考验，这就要求水泥石不仅要有良好的强度，还要具有相当高的韧性和止裂的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体纤维增韧水泥浆。本发明提供的液体纤维增韧水泥浆具有良好的强度和抗冲击性能。
本发明提供了一种液体纤维增韧水泥浆，按质量份数计，包括以下组分：水泥100份，水35～60份，自密封弹性材料2.5～23.5份，分散剂0.5～3份，降滤失剂2～5份，增强剂0.5～2份，膨胀剂0.5～2份，缓凝剂0.5～3份，液体纤维1～7份。
优选的，所述液体纤维增韧水泥浆包括以下组分：水泥100份，水40～55份，自密封弹性材料5～20份，分散剂1～2.5份，降滤失剂3～4份，增强剂1～1.5份，膨胀剂1～1.5份，缓凝剂1～2.5份，液体纤维2～6份。
优选的，所述自密封弹性材料包括丁苯胶乳和/或丁腈胶乳。
优选的，所述分散剂包括甲醛丙酮缩聚物、密胺型磺酸化缩聚物和聚羧酸盐中的一种或多种。
优选的，所述降滤失剂包括丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物和/或丙烯酰胺-AMPS共聚物。
优选的，所述增强剂包括超细硅酸盐水泥、矿渣和微硅粉中的一种或多种。
优选的，所述膨胀剂包括氧化镁和氧化钙中的一种或两种与钙矾石·石灰石的复合材料。
优选的，所述缓凝剂包括柠檬酸、硼酸和有机磷酸盐类中的一种或多种。
优选的，按质量份数计，所述液体纤维包括水90～95份，悬浮增粘剂0.2～0.5份，分散剂4～9份，杀菌剂0.2～0.55份，碳纤维4.5～11份。
优选的，所述碳纤维包括长度为1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维，所述长度为1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为(2.5～3.5):1。
本发明提供了一种液体纤维增韧水泥浆，按质量份数计，包括以下组分：水泥100份，水35～60份，自密封弹性材料2.5～23.5份，分散剂0.5～3份，降滤失剂2～5份，增强剂0.5～2份，膨胀剂0.5～2份，缓凝剂0.5～3份，液体纤维1～7份。本发明利用液体纤维作为增强增韧组分，具有良好的水分散性，能均匀分散配浆水中，且该纤维材料具有“外柔内刚”特性，其质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，与其他各组分共同作用，提高了液体纤维增韧水泥浆的强度和抗冲击性能。实验结果表明，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆制备的水泥石抗压强度可达22.6MPa，抗折强度可达4.40MPa，弹性模量可达4.10GPa，抗冲击功可达2.84KJ/m2。
附图说明
图1为本发明对比例1中水泥浆的稠化曲线；
图2为本发明实施例1中水泥浆的稠化曲线；
图3为实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆稠化时间曲线；
图4为实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆流变数据曲线；
图5为实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆失水量曲线；
图6为实施例1～4和对比例1中水泥浆制备得到的水泥石的抗压强度曲线；
图7为实施例1～4和对比例1中水泥浆制备得到的水泥石的抗冲击功曲线；
图8为实施例1～4和对比例1中水泥浆制备得到的水泥石的弹性模量曲线；
图9为实施例1～4和对比例1中水泥浆制备得到的水泥石的抗折强度曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种液体纤维增韧水泥浆，按质量份数计，包括以下组分：水泥100份，水35～60份，自密封弹性材料2.5～23.5份，分散剂0.5～3份，降滤失剂2～5份，增强剂0.5～2份，膨胀剂0.5～2份，缓凝剂0.5～3份，液体纤维1～7份。
按质量份数计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括水泥100份。在本发明中，所述水泥优选为油井G级水泥；在本发明的实施例中，更优选为三峡G级水泥或嘉华G级水泥。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括水35～60份，优选为40～55份，更优选为45～50份。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括自密封弹性材料2.5～23.5份，优选为5～20份，更优选为10～15份。在本发明中，所述自密封弹性材料优选包括丁苯胶乳和/或丁腈胶乳。在本发明中，所述自密封弹性材料具有降滤失、抗气窜、降低水泥石渗透率等功能。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括分散剂0.5～3份，优选为1～2.5份。在本发明中，所述分散剂优选包括甲醛丙酮缩聚物、密胺型磺酸化缩聚物和聚羧酸盐中的一种或多种。在本发明中，所述分散剂能够显著降低固井水泥浆稠度、提高流动性、改善流变性能，促进纤维的分散。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括降滤失剂2～5份，优选为3～4份。在本发明中，所述降滤失剂优选包括丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物和/或丙烯酰胺-AMPS共聚物。在本发明中，所述降滤失剂的作用是降低水泥浆向地层的滤失速度和总滤失量，改善和提高固井作业质量。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括增强剂0.5～2份，优选为1～1.5份。在本发明中，所述增强剂优选包括超细硅酸盐水泥、矿渣和微硅粉中的一种或多种。在本发明中，所述增强剂的作用是提高水泥浆的早期强度与胶结强度，提高水泥浆的稳定性。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括膨胀剂0.5～2份，优选为1～1.5份。在本发明中，所述膨胀剂优选包括氧化镁和氧化钙中的一种或两种与钙矾石·石灰石的复合材料。在本发明中，当所述膨胀剂包括氧化镁、氧化钙和钙矾石·石灰石时，所述膨胀剂中各组分的质量含量优选为氧化镁0.5～1％，氧化钙0.7～30％，钙矾石·石灰石0.9～19％，二氧化硅0.9～25％，三氧化二铝0.6～28％，三氧化二铁0.8％～18％，氧化钾0.3～8％，氧化钠0.2～3％。
在本发明中，所述膨胀剂的粒径优选为10～26μm，更优选为15～20μm。在本发明中，所述膨胀剂能够降低水泥石的渗透率，提高水泥石的强度，起到的抗窜防腐作用。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括缓凝剂0.5～3份，优选为1～2.5份，更优选为1.5～2份。在本发明中，所述缓凝剂优选包括柠檬酸、硼酸和有机磷酸盐类中的一种或多种。在本发明中，所述缓凝剂的作用是调节水泥浆稠化时间，掺量与稠化时间成线性关系。
以水泥的质量为100份计，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆包括液体纤维1～7份，优选为2～6份。在本发明中，按质量份数计，所述液体纤维优选包括水90～95份，悬浮增粘剂0.2～0.5份，分散剂4～9份，杀菌剂0.2～0.55份，碳纤维4.5～11份。
按质量份数计，本发明提供的液体纤维优选包括水90～95份。在本发明中，所述水为其他各组分提供分散基质。
在本发明中，以液体纤维中水的质量为90～95份计，所述液体纤维优选包括悬浮增粘剂0.2～0.5份，优选为0.3～0.4份。本发明对所述悬浮增粘剂的种类和来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售悬浮增粘剂即可。在本发明的实施例中，所述悬浮增粘剂优选为MT002。在本发明中，所述悬浮增粘剂用于增加粘度，抗温性能好，且具有一定的降低失水作用。
在本发明中，以液体纤维中水的质量为90～95份计，所述液体纤维优选包括分散剂4～9份，更优选为5～8份。本发明对所述液体纤维中分散剂的种类和来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售分散剂即可。在本发明的实施例中，所述液体纤维中的分散剂优选为F44。在本发明中，所述分散剂能够显著降低固井水泥浆稠度、提高流动性、改善流变性能，促进纤维的分散。
在本发明中，以液体纤维中水的质量为90～95份计，所述液体纤维优选包括杀菌剂0.2～0.55份，优选为0.3～0.5份。在本发明中，所述杀菌剂优选包括异噻唑啉酮、氯酚类杀菌剂和季铵盐类杀菌剂中的一种或多种。在本发明中，所述杀菌剂生物活性高，可杀灭所有微生物。
在本发明中，以液体纤维中水的质量为90～95份计，所述液体纤维优选包括碳纤维4.5～11份，优选为5～8份。在本发明中，所述碳纤维优选包括长度为1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维；所述长度为1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比优选为(2.5～3.5):1，更优选为3:1。在本发明中，所述碳纤维的单丝直径优选为20～35D，更优选为30D。在本发明中，所述碳纤维由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，是经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，具有表面活性，能够良好分散于使用介质中，提高纤维水泥石的抗压抗折强度，降低水泥石的渗透性能。
在本发明中，所述液体纤维的密度优选为1.8～1.9g/cm3，更优选为1.86g/cm3。
本发明对所述液体纤维的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备液体纤维的操作即可。
在本发明中，所述液体纤维料具有良好的水分散性，能均匀分散配浆水中，可用于固井水泥浆的增韧与防漏堵漏作业，该产品所含纤维具有“外柔内刚”特性，其质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性；该纤维产品与水泥浆具有良好的配伍性，可以任意比例与水泥浆混合，却对水泥浆的安全稠化时间影响较小。
本发明对所述液体纤维增韧水泥浆的制备的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水泥浆制备的技术方案即可。本发明优选将固体原料和液体原料分别进行混合，然后将得到的固体混合物和液体混合物混合，得到液体纤维增韧水泥浆。
在本发明中，所述液体原料优选包括水、分散剂、降滤失剂、自密封弹性材料、膨胀剂、缓凝剂和液体纤维；所述固体原料优选包括水泥和增强剂。
在本发明中，所述固体混合物和液体混合物的混合优选在低剪切速率下进行；所述剪切速率优选为3000rpm以下。
本发明提供的液体纤维增韧水泥浆与不加入液体纤维的水泥浆相比，水泥浆粘度明显降低，失水量整体减小，水泥石强度有变小趋势，稠化时间有缩短趋势，但是缩短时间可控；随着液体纤维加量的增大，稠化时间先变短后增长，稠度逐渐降低，失水量逐渐增大，水泥石强度整体呈变小趋势。
本发明提供的液体纤维增韧水泥浆制备的水泥石与不加入液体纤维的水泥浆制备的水泥石相比，抗压强度变小，抗冲击强度增大，弹性模量降低，抗折强度有所增大；随着加量的增大，水泥石抗压强度整体变小趋势，抗冲击强度增大，弹性模量减小，抗折强度增大。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的液体纤维增韧水泥浆进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的下述实施例中所用的G级水泥、淡水、自密封弹性材料、分散剂、降失水剂、胶乳、膨胀剂、缓凝剂及液体纤维等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
对比例1:
按照下述质量配比称量各组分：
100份三峡G级水泥、45份淡水、4.5份丁苯胶乳、0.6份分散剂、2份降失水剂、1.5份STR、1份膨胀剂、0.75份缓凝剂、(所述分散剂为甲醛丙酮缩聚物，降失水剂为丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物，STR为微硅粉，膨胀剂为钙铝酸盐，缓凝剂为硼酸)0份(ρ＝1.90)液体纤维
FIB-6L液体纤维为：232.5kg淡水、0.45kg悬浮增粘剂(MT002)、8.75kg分散剂(F44)、10.5kg碳纤维(1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为3:1混合)、0.5kg杀菌剂(所述杀菌剂为异噻唑啉酮)混合制成。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到水泥浆。
实施例1:
按照下述质量配比称量各组分，其余与对比例1相同：
100份三峡G级水泥、45份淡水、4.5份丁苯胶乳、0.6份分散剂、2份降失水剂、1.5份STR、1份膨胀剂、0.75份缓凝剂、(所述分散剂为甲醛丙酮缩聚物，降失水剂为丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物，STR为微硅粉，膨胀剂为钙铝酸盐，缓凝剂为硼酸)1份(ρ＝1.87)液体纤维
FIB-6L液体纤维为：232.5kg淡水、0.45kg悬浮增粘剂(MT002)、8.75kg分散剂(F44)、10.5kg碳纤维(1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为3:1混合)、0.5kg杀菌剂(所述杀菌剂为异噻唑啉酮)混合制成。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到液体纤维增韧水泥浆。
实施例2:
按照下述质量配比称量各组分，其余与对比例1相同：
100份三峡G级水泥、45份淡水、4.5份丁苯胶乳、0.6份分散剂、2份降失水剂、1.5份STR、1份膨胀剂、0.75份缓凝剂、(所述分散剂为甲醛丙酮缩聚物降失水剂为丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物，STR为微硅粉，膨胀剂为钙铝酸盐，缓凝剂为硼酸)3份(ρ＝1.86)液体纤维
FIB-6L液体纤维为：232.5kg淡水、0.45kg悬浮增粘剂(MT002)、8.75kg分散剂(F44)、10.5kg碳纤维(1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为3:1混合)、0.5kg杀菌剂(所述杀菌剂为异噻唑啉酮)混合制成。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到液体纤维增韧水泥浆。
实施例3:
按照下述质量配比称量各组分，其余与对比例1相同：
100份三峡G级水泥、45份淡水、4.5份丁苯胶乳、0.6份分散剂、2份降失水剂、1.5份STR、1份膨胀剂、0.75份缓凝剂、(所述分散剂为甲醛丙酮缩聚物降失水剂为丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物，STR为微硅粉，膨胀剂为钙铝酸盐，缓凝剂为硼酸)5份(ρ＝1.85)液体纤维
FIB-6L液体纤维为：232.5kg淡水、0.45kg悬浮增粘剂(MT002)、8.75kg分散剂(F44)、10.5kg碳纤维(1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为3:1混合)、0.5kg杀菌剂(所述杀菌剂为异噻唑啉酮)混合制成。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到液体纤维增韧水泥浆。
实施例4:
按照下述质量配比称量各组分，其余与对比例1相同：
100份三峡G级水泥、45份淡水、4.5份丁苯胶乳、0.6份分散剂、2份降失水剂、1.5份STR、1份膨胀剂、0.75份缓凝剂、(所述分散剂为甲醛丙酮缩聚物降失水剂为丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物，STR为微硅粉，膨胀剂为钙铝酸盐，缓凝剂为硼酸)7份(ρ＝1.84)液体纤维
FIB-6L液体纤维为：232.5kg淡水、0.45kg悬浮增粘剂(MT002)、8.75kg分散剂(F44)、10.5kg碳纤维(1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为3:1混合)、0.5kg杀菌剂(所述杀菌剂为异噻唑啉酮、氯酚类杀菌剂和季铵盐类杀菌剂中的一种或多种)混合制成。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到液体纤维增韧水泥浆。
对上述实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆性能及水泥石力学性能进行测试。
在实验条件为85℃下测试实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆性能如表1所示。
表1实施例1～4和对比例1水泥浆性能
对比例1和实施例1中水泥浆的稠化曲线分别如图1和图2所示。实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆稠化时间曲线、流变数据和失水量曲线分别如图3、图4和图5所示。
从图1～5可以看出，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆与不加入液体纤维的水泥浆相比，水泥浆粘度明显降低，失水量整体减小，水泥石强度有变小趋势，稠化时间有缩短趋势，但是缩短时间可控；随着液体纤维加量的增大，稠化时间先变短后增长，稠度逐渐降低，失水量逐渐增大，水泥石强度整体呈变小趋势。
在实验条件为45℃下测试实施例1～4和对比例1中制备得到的水泥浆制备的水泥石性能如表2所示。
表2实施例1～4和对比例1中水泥浆制备的水泥石性能
FIB-6L加量/％ 抗压强度(MPa) 抗冲击功(KJ/m2) 弹性模量(GPa) 抗折强度(MPa)
0 22.6 2.41 4.10 3.73
1 18.3 2.45 4.05 3.87
3 16.8 2.66 3.92 4.09
5 14.6 2.84 3.73 4.33
7 15.1 2.81 3.71 4.40
实施例1～4和对比例1中水泥浆制备得到的水泥石的抗压强度、抗冲击功、弹性模量和抗折强度曲线分别如图6～9所示。
从表2和图6～9可以看出，本发明提供的液体纤维增韧水泥浆制备的水泥石与不加入液体纤维的水泥浆制备的水泥石相比，抗压强度变小，抗冲击强度增大，弹性模量降低，抗折强度有所增大；随着加量的增大，水泥石抗压强度整体变小趋势，抗冲击强度增大，弹性模量减小，抗折强度增大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液体纤维增韧水泥浆，按质量份数计，包括以下组分：水泥100份，水35～60份，自密封弹性材料2.5～23.5份，分散剂0.5～3份，降滤失剂2～5份，增强剂0.5～2份，膨胀剂0.5～2份，缓凝剂0.5～3份，液体纤维1～7份。
2.根据权利要求1所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，包括以下组分：水泥100份，水40～55份，自密封弹性材料5～20份，分散剂1～2.5份，降滤失剂3～4份，增强剂1～1.5份，膨胀剂1～1.5份，缓凝剂1～2.5份，液体纤维2～6份。
3.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述自密封弹性材料包括丁苯胶乳和/或丁腈胶乳。
4.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述分散剂包括甲醛丙酮缩聚物、密胺型磺酸化缩聚物和聚羧酸盐中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述降滤失剂包括丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物和/或丙烯酰胺-AMPS共聚物。
6.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述增强剂包括超细硅酸盐水泥、矿渣和微硅粉中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述膨胀剂包括氧化镁和氧化钙中的一种或两种与钙矾石·石灰石的复合材料。
8.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述缓凝剂包括柠檬酸、硼酸和有机磷酸盐类中的一种或多种。
9.根据权利要求1或2所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，按质量份数计，所述液体纤维包括水90～95份，悬浮增粘剂0.2～0.5份，分散剂4～9份，杀菌剂0.2～0.55份，碳纤维4.5～11份。
10.根据权利要求9所述的液体纤维增韧水泥浆，其特征在于，所述碳纤维包括长度为1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维，所述长度为1mm的碳纤维和长度为1.5mm的碳纤维的质量比为(2.5～3.5):1。
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