CN109020316B - 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆及其制备方法 - Google Patents

一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆及其制备方法，所述水泥浆由以下重量份的原料组成：油井水泥90‑120份、水30‑50份、羟基改性碳纳米管0.005～0.05份、分散剂A 0.1‑1份、分散剂B 0.03‑0.3份、降失水剂1‑8份、修复改良剂1‑3.5份；所述分散剂A为醛酮聚合物；所述分散剂B为聚乙烯醚；所述修复改良剂为质量比为（3‑6）：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物。本发明提供的早强高抗拉油井水泥浆，通过掺和羟基改性碳纳米管和修复改良剂，可以消除水泥缓凝严重、稳定性差的影响，油井水泥材料早期强度（24h）高，抗压抗拉性能好，稳定性好。

Description

一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆及其制备方法
技术领域
本发明属于油井水泥材料技术领域，具体涉及一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆及其制备方法。
背景技术
油井水泥专用于油井、气井的固井工程，由水硬性硅酸钙、适量石膏和助磨剂磨细制成。油井水泥用于油气井固井不仅需要稳定的流变、失水性能，更重要的是需要有一定的早期强度（24h），早期强度形成越早越有利于缩短建井周期，降低成本。除此之外，随着油田的不断开发，低孔低渗油气藏、页岩气藏逐渐成为我国油气稳产的主要接替资源，而此类油气藏开发绝大多数需要进行储层压裂改造，要求固井水泥环有一定的抗拉强度可以抵抗内部压力增大造成的环形膨胀，以保证井筒的完整性和生产安全。
碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，根据碳纳米管中碳原子层数的不同可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。相比传统的碳纤维材料，碳纳米管具有100倍于钢铁的抗压抗拉伸强度，并具有优异的吸波性能和导热导电性能，是目前发现的综合性能最好的纤维材料。这些特性决定了其加入油井水泥改善其力学性能的可能性和可操作性。
作为新型材料，碳纳米管在油井水泥中的应用以往研究较少，碳纳米管固井水泥浆以水泥、多壁或单壁碳纳米管为主要成分。碳纳米管在水泥浆中呈枝状结构，掺加少量分散剂、降失水剂等，油井水泥的抗压强度、抗拉强度得以提高。但是，存在一定的缺陷，碳纳米管在水泥浆中分散性差，不能充分发挥碳纳米管的优越力学特性；而且，随着改性碳纳米管浓度增加，水化时间延长，水泥浆缓凝现象加剧并伴有一定的分层，严重影响复合水泥浆的性能。如：刘慧婷、刘硕琼、冯宇思等在期刊《硅酸盐通报》2015年第34卷第2期的文献《碳纳米管的掺入对油井水泥浆性能的影响》认为加入碳纳米管可提高油井水泥的抗压强度和抗折强度，但受其固有缺陷影响油井水泥早期强度（24h）,最大值仅为16.1MPa；严思明、李省吾、胡儒丽等在期刊《钻井液与完井液》2015年第32卷第3期《改性碳纳米管对水泥石力学性能的影响》中认为过量加入改性碳纳米管反而会降低水泥石的抗压强度，早期强度最大值为23.37MPa，但如何改性碳纳米管没有具体阐述，仅提出一种概念。
本发明申请人通过实验发现，微量水能够有效的刻蚀碳纳米管中的缺陷结构，使其管径变得比较均匀且表面更加光滑。其次，碳纳米管表面带上极性基团羟基易与水泥中的硅形成稳定的氢键或化学键，提升碳纳米管和水泥的界面粘结强度，同时基团之间相互排斥的作用使碳纳米管之间不易团聚。但只要加入羟基改性碳纳米管，水泥浆缓凝严重，水化时间延长，当羟基改性碳纳米管掺量过大时会造成水泥浆常温条件下3天无法凝结形成强度，且不同粒径水泥颗粒会分层，水泥浆沉降稳定性差，上下密度差达到0.1g/cm3，不能满足油井水泥固井需求。
总体来说，依靠掺入碳纳米管的方法对油井水泥抗压、抗拉伸和抗冲击等性能的改善是极为有限的，且存在超缓凝、稳定性差等负面影响。因此，寻找合适的碳纳米管，同时加入其它与碳纳米管可相容的修复改良剂，改善其稳定性，水化时间长等问题是当下亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆及其制备方法，通过掺加羟基改性碳纳米管和修复改良剂，能使碳纳米管均匀分散，同时消除碳纳米管对水泥浆缓凝、沉降稳定性差的不利影响。
一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥90-120份、水30-50份、羟基改性碳纳米管0.005～0.05份、分散剂A 0.1-1份、分散剂B 0.03-0.3份、降失水剂1-8份、修复改良剂1-3.5份；
所述分散剂A为醛酮聚合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为（3-6）：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物。
优选地，所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、羟基改性碳纳米管0.005～0.05份、分散剂A 0.3份、分散剂B 0.18份、降失水剂3份、修复改良剂2份。
优选地，所述羟基改性碳纳米管为采用共价修饰法引入羟基官能团制得的碳纳米管。
优选地，所述羟基改性碳纳米管的直径为5-15nm，长度为10-20μm。
优选地，所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。
优选地，所述醛酮聚合物为磺化丙酮甲醛缩合物。
优选地，所述油井水泥为G级油井水泥。
上述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌6～10min，然后超声搅拌15～30min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
本发明的优点：
本发明提供的早强高抗拉油井水泥浆，通过掺和羟基改性碳纳米管和修复改良剂，可以消除水泥缓凝严重、稳定性差的影响，油井水泥材料早期强度（24h）高，抗压抗拉性能好，稳定性好。
具体实施方式
实施例所采用的部分原料如下：
羟基改性碳纳米管，是采用共价修饰法引入羟基官能团制得的碳纳米管，具体采用上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产的型号为CNT304产品（请提供厂家、型号），其直径为5-15nm，长度为10-20μm；
油井水泥为G级油井水泥，采购自葛洲坝特种水泥厂的三峡G级水泥。
实施例1
1. 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥90份、水30份、羟基改性碳纳米管0.005份、分散剂A 0.1份、分散剂B0.03份、降失水剂1份、修复改良剂1份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为3：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
2. 碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌10min，然后超声搅拌20min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
实施例2
1. 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥120份、水50份、羟基改性碳纳米管0.05份、分散剂A 1份、分散剂B 0.3份、降失水剂8份、修复改良剂3.5份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为6：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
2. 碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌6min，然后超声搅拌15min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
实施例3
1. 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水40份、羟基改性碳纳米管0.02份、分散剂A 0.3份、分散剂B0.12份、降失水剂5份、修复改良剂1.5份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为4：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
2. 碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌8min，然后超声搅拌30min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
实施例4
1. 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、羟基改性碳纳米管0.035份、分散剂A 0.3份、分散剂B0.21份、降失水剂3份、修复改良剂2份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为5：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
2. 碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌8min，然后超声搅拌25min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
实施例5
1. 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、羟基改性碳纳米管0.05份、分散剂A 0.3份、分散剂B 0.3份、降失水剂3份、修复改良剂3.5份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为5：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
制备方法同实施例4。
实施例6
1. 一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、羟基改性碳纳米管0.03份、分散剂A 0.3份、分散剂B0.18份、降失水剂3份、修复改良剂2份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为3：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
2. 碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌7min，然后超声搅拌20min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
对照组1（碳纳米管未改性，其他同实施例6）
一种固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、碳纳米管0.03份、分散剂A 0.3份、分散剂B 0.18份、降失水剂3份、修复改良剂2份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为3：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
所碳纳米管的直径为5-15nm，长度为10-20μm；
制备方法同实施例6。
对照组2（未加入羟基改性碳纳米管、分散剂B和修复改良剂，其他同实施例6）
一种固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、分散剂A 0.3份、降失水剂3份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
制备方法如下：将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；将得到的混合粉料加入水中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
对照组3（未加入修复改良剂，其他同实施例6）
一种固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、羟基改性碳纳米管0.03份、分散剂A 0.3份、分散剂B0.18份、降失水剂3份；
所述分散剂A为磺化丙酮甲醛缩合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；
制备方法，包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌7min，然后超声搅拌20min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
性能检测
一. 抗压抗拉性能检测
参照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准对以上所有实施例及对照组所得的水泥浆在60℃、20.7MPa条件下养护24h，测试其抗压、抗拉强度，测试结果见表1。
表1 抗压、抗拉强度测试结果
Figure 389381DEST_PATH_IMAGE001
由表1可知，实施例1-6中固井水泥浆的抗压和抗拉性能均优于对照组，尤其是实施例6，抗压和抗拉性能最佳，在24h时，较对照例2抗压强度提高48.4%，抗拉强度提高了82.21%；较对比例1抗压强度提高14.4%，抗拉强度提高了23.6%。
二. 稳定性检测
分别测试所有实施例及对照组所得的水泥浆的沉降稳定性，测试方法为，取相同体积的水泥浆，使用250mL量筒2h自然静置，测试水泥浆上下的密度差；
Figure 575643DEST_PATH_IMAGE002
使用25mm内径、200mm高磨具养护24h后，分别测试水泥柱上部、中部、下部渗透率（水泥浆沉降后上部变稀，凝固后水泥石渗透率变大），计算渗透率增加率，即：（上部渗透率-下部渗透率）/中部渗透率），测试结果见表2。
表2沉降稳定性测试结果
表2沉降稳定性测试结果
Figure 767590DEST_PATH_IMAGE003
由表2可知，本发明提供的水泥浆在静置2h之后，上下密度差为0，羟基改性碳纳米管及修复改良剂使得水泥颗粒均匀分散于溶液中，提高了浆体的稳定性；浆体的稳定性好，固相颗粒均匀分散且被改性碳纳米管悬浮稳定，凝固后形成的水泥石上下渗透率大小一致，渗透性均匀，有效阻止了地层油气水侵入，形成了良好封隔；而对照组在相同条件下，产生了不同程度的沉降，特别是无改性碳纳米管加入的对照组，水泥浆上下密度差较大，水泥固相颗粒沉降造成上部水泥石凝固后渗透率增加，增加率达10倍以上，使得油井水泥对储层流体的有效封隔存在一定隐患。

Claims (8)

1.一种碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：由以下重量份的原料组成：
油井水泥90-120份、水30-50份、羟基改性碳纳米管0.005～0.05份、分散剂A 0.1-1份、分散剂B 0.03-0.3份、降失水剂1-8份、修复改良剂1-3.5份；
所述分散剂A为醛酮聚合物；
所述分散剂B为聚乙烯醚；
所述修复改良剂为质量比为（3-6）：1：1的无水氯化钙、硫酸钠与氢氧化钠的混合物；
其中，所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法如下：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌6～10min，然后超声搅拌15～30min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
2.根据权利要求1所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：由以下重量份的原料组成：
油井水泥100份、水44份、羟基改性碳纳米管0.005～0.05份、分散剂A 0.3份、分散剂B0.18份、降失水剂3份、修复改良剂2份。
3.根据权利要求1或2所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：所述羟基改性碳纳米管为采用共价修饰法引入羟基官能团制得的碳纳米管。
4.根据权利要求 3所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：所述羟基改性碳纳米管的直径为5-15nm，长度为10-20μm。
5.根据权利要求1或2所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。
6.根据权利要求1或2所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：所述醛酮聚合物为磺化丙酮甲醛缩合物。
7.根据权利要求1或2所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆，其特征在于：所述油井水泥为G级油井水泥。
8.权利要求1或2所述碳纳米管早强高抗拉固井水泥浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将羟基改性碳纳米管、分散剂B加入到水中，机械搅拌6～10min，然后超声搅拌15～30min，得混合溶液；
（2）将油井水泥、降失水剂、分散剂A、修复改良剂混合，得到混合粉料；
（3）将步骤（2）得到的混合粉料加入步骤（1）得到的混合溶液中，在4000r/min的转速下恒速搅拌60s，即可。
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