CN108659803A - 一种油井水泥用增韧剂及其应用 - Google Patents

一种油井水泥用增韧剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油井水泥用增韧剂，其包括如下重量份数的原料组分：热塑性橡胶100份、硅烷偶联剂5～30份；本发明还公开了一种固井水泥浆，其包括如下重量份数的原料组分：水泥100份，降失水剂1～3份，分散剂0.2～1份，增强剂1～3份，缓凝剂0.3～1份，消泡剂0.5～2份和所述增韧剂1～4份；本发明还公开了所述油井水泥用增韧剂及固井水泥浆的制备方法；该油井水泥用增韧剂在水溶液中分散性好，性能稳定；所得固井用水泥浆稳定性好，无沉降现象，流变性好，稠化时间可调，失水量小，且形成的水泥石力学性能优异，柔性好，具有高的弹性变形能力，不仅能满足现场固井施工要求，而且能保障固井长期封固完整性。

Description

一种油井水泥用增韧剂及其应用
技术领域
本发明涉及水泥增韧剂技术领域，尤其涉及一种油井水泥用增韧剂。
背景技术
固井作业是在套管与地层环空注入水泥浆，凝固后形成水泥环，对地层进行有效层间封隔，同时支撑和保护套管。未改性的固井水泥浆体系形成的水泥石具有先天脆性，在经受井下载荷作用时，易产生微裂缝或微环隙导致固井封隔失效，影响油气井安全、高效开采。为获得良好的层间封隔性能，需要使用柔性材料改善固井水泥浆性能。橡胶作为一种弹性粒子，应用在油井水泥基材料中可以降低其脆性，达到改善固井封隔能力的目的。研究表明了橡胶颗粒材料在油井水泥中应用可以降低水泥石弹性模量，改善水泥石变形能力，提高水泥石抵抗冲击破坏的能力。
热塑性橡胶是一类在常温下显示橡胶弹性、受热时呈可塑性的高分子材料，兼有热塑性的加工成型特征和硫化橡胶的橡胶弹性性能，主要用作粘合剂、塑料改性剂等。目前，将热塑性橡胶应用于油井水泥中没有相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种油井水泥用增韧剂及一种固井水泥浆，油井水泥用增韧剂在水溶液中分散性好，性能稳定；使用所述油井水泥用增韧剂制备的固井用水泥浆稳定性好，无沉降现象，流变性好，稠化时间可调，失水量小，且形成的水泥石力学性能优异，柔性好，具有高的弹性变形能力，不仅能满足现场固井施工要求，而且能保障固井长期封固完整性。
本发明是这样实现的：
本发明目的之一在于提供一种油井水泥用增韧剂，其包括如下重量份数的原料组分：热塑性橡胶100份、硅烷偶联剂5～30份。
本发明的目的之二在于提供所述油井水泥用增韧剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、称取所述硅烷偶联剂溶于溶剂中搅拌均匀得到硅烷偶联剂的溶液，所述溶剂为为水、丙酮、乙醇中的至少一种；
步骤2、称取所述热塑性橡胶加入到所述硅烷偶联剂溶液中，搅拌均匀得到热塑性橡胶分散液，所述热塑性橡胶与硅烷偶联剂的重量比为20:1～6；
步骤3、将所述热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得增韧剂。
本发明的目的之三在于提供一种固井水泥浆，其包括如下重量份数的原料组分：水泥100份，降失水剂1～3份，分散剂0.2～1份，增强剂1～3份，缓凝剂0.3～1份，消泡剂0.5～2份，增韧剂1～4份，其中所述增韧剂为权利要求1-3任一所述的油井水泥用增韧剂。
本发明的目的之四在于提供所述的油井水泥浆的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1、将所述重量份数的水泥、降失水剂、分散剂、增强剂和增韧剂干混，得到混合干粉；
步骤2、将所述重量份数的缓凝剂和消泡剂溶于水中搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3、将所述步骤1得到混合干粉加入到所述步骤2所得的混合水溶液中搅拌均匀，即制得固井用水泥浆。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：
1、本发明提供的油井水泥用增韧剂，对热塑性橡胶微粉采用硅烷偶联剂进行表面处理，引入极性基团，改善热塑性橡胶颗粒表面的亲水性；工艺简单，操作方便，改性成本低。改性后的热塑性橡胶在水溶液中分散性好，性能稳定；
2、本发明提供的固井用水泥浆稳定性好，无沉降现象，流变性好，稠化时间可调，失水量小，且形成的水泥石力学性能优异，柔性好，具有高的弹性变形能力，不仅能满足现场固井施工要求，而且能保障固井长期封固完整性，有利于减小井下作业对水泥环的损坏，降低固井后续各种施工作业对封固质量的影响，延长油气井寿命，提高采收率；本发明提供的油井水泥用增韧剂在固井水泥浆中的应用效果好，硅烷偶联剂可以提高热塑性橡胶应用在油井水泥中各项性能。
具体实施方式
实施例1
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量5份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得油井水泥用增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，2.5重量份降失水剂，0.5重量份分散剂，2重量份增强剂，3重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.5重量份缓凝剂，0.5重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
实施例2
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量10份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得制备的增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，2.5重量份降失水剂，0.5重量份分散剂，2重量份增强剂，3重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.5重量份缓凝剂，0.5重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
实施例3
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量20份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得制备的增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，2.5重量份降失水剂，0.5重量份分散剂，2重量份增强剂，3重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.5重量份缓凝剂，0.5重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
实施例4
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量10份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得制备的增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，2.5重量份降失水剂，0.5重量份分散剂，2重量份增强剂，1重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.5重量份缓凝剂，0.5重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
实施例5
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量10份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得制备的增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，2.5重量份降失水剂，0.5重量份分散剂，2重量份增强剂，4重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.5重量份缓凝剂，0.5重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
实施例6
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量30份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得制备的增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，1重量份降失水剂，0.2重量份分散剂，1重量份增强剂，3重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.3重量份缓凝剂，2重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
实施例7
1、制备油井水泥用增韧剂：
以热塑性橡胶重量份计，称取100份热塑性橡胶，称量10份硅烷偶联剂在溶剂中充分溶解，然后将热塑性橡胶颗粒加入到硅烷偶联剂的溶液中，以300±30r/min转速下搅拌5min，直至搅拌均匀，最后将热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得制备的增韧剂。
2、制备固井水泥浆
称取100重量份水泥，3重量份降失水剂，1重量份分散剂，3重量份增强剂，2重量份增韧剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取1重量份缓凝剂，1重量份消泡剂溶于水中。然后将水溶液倒入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器以4000±200r/min转速搅拌，并在15s内匀速将称取的混合干粉加入混合水溶液中，盖上搅拌杯的盖子，并在12000±500r/min转速下搅拌35s±1s，即制得使用增韧剂制备的固井用柔性水泥浆。
对比例1
1、制备油井水泥用增韧剂：
除不含硅烷偶联剂外，其余其余组分与含量与实施例3一致。
2、制备固井水泥浆：
除增韧剂不含硅烷偶联剂外，其余其余组分与含量与实施例3一致。
对比例2
1、采用现有技术中常用的油井水泥用增韧剂胶乳粉；
2、制备固井水泥浆：除增韧剂改为同等量的胶乳粉外，其余组分与含量与实施例3一致。
为了方便对比，现将所述实施例1-7以及对比例1-2的各组分及重量比汇总如下表1所示。
表1
实验例1固井水泥浆的性能测试
按照API规范制备水泥浆后，按照固井试验标准API10B-2-2005对实施例1-7的固井水泥浆以及对比例的水泥浆进行性能测试，本发明增韧剂制备的固井水泥浆性能测试结果如表2所示。
表2
由表2可以看出，相对于对比例1，本发明提供的油井水泥用增韧剂在固井水泥浆中的应用效果好，表明硅烷偶联剂确实可以提高热塑性橡胶应用在油井水泥中各项性能，对热塑性橡胶微粉采用硅烷偶联剂进行表面处理，引入极性基团，改善热塑性橡胶颗粒表面的亲水性；工艺简单，操作方便，改性成本低。改性后的热塑性橡胶在水溶液中分散性好，性能稳定。相对于对比例2，本发明提供的油井水泥用增韧剂在固井水泥浆中的效果比现有技术中利用胶乳粉制备油井水泥的效果好。综上所述，本发明提供的油井水泥用增韧剂制备的水泥浆具有较好的稳定性，失水量低，稠化可控制性，流变性好，且力学性能优异，各项性能满足固井施工要求。同时，使用该增韧剂制备的水泥浆形成的水泥石弹性模量低，柔性好，弹性变形能力强。此性能有利于减小井下作业对水泥环的损坏，降低固井后续各种施工作业对封固质量的影响，延长油气井寿命，提高采收率。
所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种油井水泥用增韧剂，其特征在于，其包括如下重量份数的原料组分：热塑性橡胶100份、硅烷偶联剂5～30份。
2.如权利要求1所述的油井水泥用增韧剂，其特征在于，所述热塑性橡胶为聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物、聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物、间同1,2聚丁二烯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的油井水泥用增韧剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
4.一种如权利要求1-3任一所述的油井水泥用增韧剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、称取所述硅烷偶联剂溶于溶剂中搅拌均匀得到硅烷偶联剂的溶液，所述溶剂为为水、丙酮、乙醇中的至少一种；
步骤2、称取所述热塑性橡胶加入到所述硅烷偶联剂溶液中，搅拌均匀得到热塑性橡胶分散液，所述热塑性橡胶与硅烷偶联剂的重量比为20:1～6；
步骤3、将所述热塑性橡胶分散液放在干燥的环境下，待颗粒表面完全干燥，即得增韧剂。
5.一种固井水泥浆，其特征在于，其包括如下重量份数的原料组分：水泥100份，降失水剂1～3份，分散剂0.2～1份，增强剂1～3份，缓凝剂0.3～1份，消泡剂0.5～2份，增韧剂1～4份，其中所述增韧剂为权利要求1-3任一所述的油井水泥用增韧剂。
6.如权利要求5所述的油井水泥浆，其特征在于，所述降失水剂为N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的至少一种。
7.如权利要求5所述的油井水泥浆，其特征在于，所述分散剂为木质素磺酸盐、磺化三聚氰胺甲醛树脂、氨基磺酸盐、聚羧酸中的至少一种。
8.如权利要求5所述的油井水泥浆，其特征在于，所述增强剂为微硅、硅粉、超细矿渣中的至少一种；所述缓凝剂为酒石酸钾钠、硼酸、有机磷酸盐中的至少一种。
9.如权利要求5所述的油井水泥浆，其特征在于，所述消泡剂为乳化硅油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚中的至少一种。
10.一种如权利要求5-9任一所述的油井水泥浆的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、将如权利要求5-9任一所述重量份数的水泥、降失水剂、分散剂、增强剂和增韧剂干混，得到混合干粉；
步骤2、将如权利要求5-9任一所述重量份数的缓凝剂和消泡剂溶于水中搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3、将所述步骤1得到混合干粉加入到所述步骤2所得的混合水溶液中搅拌均匀，即制得固井用水泥浆。
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