CN109504356A - 一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，由以下各组分按重量份组成：水溶性环氧树脂100份，固化剂30‑70份,稀释剂15份,促进剂0‑15份，纳米二氧化硅0‑2份，加重剂0‑400份，油井G级水泥0‑100份，水0‑50份，消泡剂1份。所述水溶性环氧树脂为双酚A型水性环氧树脂。所述固化剂为二亚乙基三胺、三乙基烯四胺、二氨基二苯基甲烷、邻苯二甲酸酐、甲基四氢临苯二甲酸酐或其混合物。所述稀释剂为丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚或脂环族单环氧缩水甘油醚。所述促进剂为2,4,6‑三(二甲氨基甲基)‑苯酚。该树脂水泥浆体系与水的相容性好，流动度良好，密度可调，固化后拥有高强、低弹的优良力学性能，可用于固井、特殊井段封堵、弃井、海上非常规修井等作业。

Description

一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系及其应用
技术领域
本发明涉及油田勘探开发领域固井、特殊井段封堵、弃井、海上非常规修井等过程中涉及的一种含固化剂的水溶性环氧树脂油井水泥浆的制备及其应用。
背景技术
对于树脂水泥浆的研究工作，目前大多集中在油溶性树脂水泥浆和不含固化剂的水溶性树脂水泥浆。前者为纯树脂形式，在耐酸腐蚀、提高水泥石胶结界面等方面取得了良好的效果，对地层能起到有效封隔的作用(符军放，赵琥，项先忠.一种固井合成水泥石的研制与室内评价[J].钻井液与完井液.2015(02):61-63)。但油溶性树脂与水泥浆不能完全互溶，只能使用有机溶剂清洗，成本高昂等缺点也日益凸显。也有学者(代丹，罗宇维，赵琥，等.油气田防腐固井用水溶性环氧乳液的制备及应用研究[J].涂料工业.2016(06):17-22；顾香.防H2S腐蚀TH树脂水泥浆体系研究[D].西南石油大学,2012；张红丹.水溶性树脂水泥浆体系的抗腐蚀性能研究[D].西南石油大学,2016)将水溶性树脂乳液加入油井水泥浆中，利用水溶性树脂固化后成膜并附着于水泥表面的原理，改善了水泥浆体系的耐腐蚀性和防气窜性。还有研究人员对无固化剂环氧树脂加入油井水泥浆中进行了研究(王培铭，赵国荣，张国防.聚合物水泥混凝土的微观结构的研究进展[J].硅酸盐学报.2014,42(5):653-660；阎培渝，岳蕾，代丹，等.环氧树脂乳液对油井水泥石水化过程和力学性能的影响[J].硅酸盐通报.2016(07):2019-2023)，发现无固化剂的环氧树脂随着环氧树脂加量的增加可以改善水泥石的力学性能。但是低加量的掺入形式在降低弹性模量的同时，也牺牲了水泥石的抗压强度。
将环氧树脂作为固井材料应用存在以下难点：纯树脂成本较高，并且油溶性树脂与水泥浆不能很好互溶，难以形成稳定乳液体系，影响水泥石的力学性能；将树脂作为低含量外加剂时虽能降低弹性模量但其抗压强度不符合要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，该水泥浆体系有效改善了无固化剂的树脂水泥浆早期抗压强度低、延缓水泥水化反应的问题，与水的相容性好，且流动度良好，密度可调，最高能达到2.0g/cm3,固化后能使水泥石拥有高强、低弹的优良力学性能，可代替传统油井水泥浆进行固井工程作业，对保障后期增产过程中的层间封隔有重要意义。
本发明的另一目的还在于提供上述高强低弹水溶性树脂水泥浆体系的应用，将水溶性树脂水泥浆体系用于油气田开发过程中固井、特殊井段封堵、弃井、海上非常规修井等作业。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，由以下各组分按重量份组成：水溶性环氧树脂100份，固化剂30-70份,稀释剂15份,促进剂0-15份，纳米二氧化硅0-2份，加重剂0-400份，油井G级水泥0-100份，水0-50份，消泡剂1份。
所述水溶性环氧树脂为双酚A型水性环氧树脂。
所述固化剂为二亚乙基三胺、三乙基烯四胺、二氨基二苯基甲烷、邻苯二甲酸酐、甲基四氢临苯二甲酸酐或其混合物。
所述稀释剂为丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚或脂环族单环氧缩水甘油醚。
所述促进剂为2,4,6-三(二甲氨基甲基)-苯酚。
所述消泡剂为甘油聚醚脂肪酸酯。
所述加重剂为磁铁矿粉、硅石粉、重晶石或锰矿粉。
优选地，所述加重剂为磁铁矿粉。
本发明中，纳米二氧化硅作为沉降稳定剂。
上述高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其制备过程如下：
(1)将树脂和固化剂按工程需要的比例混合，在3000r/min下均匀搅拌30s；
(2)将搅拌好的液体与促进剂、稀释剂和水进行混合，在2000r/min下均匀搅拌30s；
(3)将纳米二氧化硅、加重剂、油井G级水泥按一定比例混合搅拌均匀后，加入到之前调配好的液体中，在2000r/min下均匀搅拌30s；
(4)最后加入消泡剂并在2000r/min下搅拌均匀即可。
凝固的水泥石为多孔介质，水溶性环氧树脂在液态形状时将水泥颗粒包裹其中，在水泥胶结与环氧树脂固化的过程中与空隙四周形成具有一定强度、能够约束微裂缝产生和发展、吸收应变能的结构变形中心。由树脂形成的三维网状结构以及填充于过渡区域的水泥水化产物承担了树脂水泥承受的冲击力，三维网状结构则减少了内部的微裂纹和应力集中，控制了微裂纹或裂缝的产生和发展，改善了水泥石的强度和韧性。以上两点为树脂水泥提供了较高的抗压强度以及较低的弹性模量。因此，树脂的加入降低了水泥石断裂风险，减缓水泥石脆性破坏的危害。
本发明通过使用水溶性环氧树脂的方式，解决了环氧树脂与水泥浆在大加量下无法固化的问题。通过对固化剂进行复配的方式，解决了含固化剂树脂水泥浆稠化时间不可调的问题。通过上述两种方式，有效地提高了水泥环的抗压强度、韧性及胶结性。其具体表现为以下三点：第一，本发明所述水溶性树脂水泥水泥浆可以与水、固化剂进行充分互溶，无放热严重、闪凝等不良现象发生；第二，本发明所述水溶性树脂水泥浆，满足密度范围在1.3-2.2g/cm3内可调，在常温下流动度范为18-25cm，在50℃、30min的情况下滤失量小于50mL。当最高静止温度为90℃时，其稠化时间为2～5h。其24h、48h抗压强度均大于40MPa，形变量大于5％，受压后可迅速回弹；第三，本发明所述水溶性树脂水泥浆在保证良好力学性能的基础上，通过在环氧树脂中添加水、油井水泥及填充物的方式，极大地降低了使用纯树脂的成本，形成了具有高强、低弹的含固化剂的树脂水泥浆体系。本发明所述水溶性树脂水泥浆适用于油气田开发过程中包含油田勘探开发领域固井、特殊井段封堵、弃井、海上非常规修井等作业。
附图说明
图1是不同树脂占比应力应变曲线图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例进一步描述本发明。本领域的技术人员应该认识到，这些具体的实施例仅表明为了达到本发明的目的而选择的实施技术方案，并不是对本发明的限制。根据本发明的启示，结合现有技术对本发明技术方案的改进是显然的，均属于本发明保护的范围。
一、一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系的制备
实施例1
配方：双酚A型水性环氧树脂100份、二亚乙基三胺70份、丙烯基缩水甘油醚15份、2,4,6-三(二甲氨基甲基)-苯酚5份、纳米二氧化硅2份、磁铁矿粉300份、G级油井水泥100份、水50份、甘油聚醚脂肪酸酯1份。
实施例2
配方：双酚A型水性环氧树脂100份、三乙基烯四胺50份、丁基缩水甘油醚15份、2,4,6-三(二甲氨基甲基)-苯酚15份、纳米二氧化硅2份、磁铁矿粉250份、G级油井水泥100份、水30份、甘油聚醚脂肪酸酯1份。
实施例3
配方：双酚A型水性环氧树脂100份、二氨基二苯基甲烷50份、脂环族单环氧缩水甘油醚15份、2,4,6-三(二甲氨基甲基)-苯酚10份、纳米二氧化硅2份、磁铁矿粉0份、G级油井水泥100份、水10份、甘油聚醚脂肪酸酯1份。
二、一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系的性能测试
将实施例1、实施例2、实施例3按照上述实验步骤进行搅拌混合后形成树脂水泥浆，测定该固化液体系的密度、流动度和稠化时间等基础性能，以及在不同养护温度下固化体的抗压强度。
对三种配方树脂水泥浆的流动度、密度、90℃养护固化48h后力学性能进行测试，密度使用密度计直接测得，流动度是通过测量倒在玻璃板上的定量水泥浆形成圆的直径获得，固化后力学性能使用压力试验机进行测量，结果见下表：
实施例配方 密度g/cm<sup>3</sup> 流动度cm 滤失量mL 48h强度MPa 弹性模量GPa 稠化时间min
实施例一 2 18.5 10 44 1 195
实施例二 1.9 20 20 52 0.8 225
实施例三 1.3 23.5 15 >50 0.6 275
通过分析表中数据可知，该水泥浆体系在配浆后没有出现明显的分层现象，说明水溶性环氧树脂与水泥浆能很好地互溶，该树脂水泥浆体系解决了纯树脂与水泥不能很好地互溶的问题。从实验结果来看，本发明的水泥浆体系密度可调，流动度大，水泥浆在48h的常温养护后就已经拥有了较高的抗压强度，解决了无固化剂的树脂水泥浆早期的抗压强度低的问题。从三个配方磁铁矿粉的含量对比来看，抗压强度和流动度随磁铁矿粉含量的减少而增加，所以在选择配方时要综合考虑密度和力学性能的要求。
图1是不同树脂占比测得的应力-应变曲线图，从图中不难看出，纯树脂极限应力相较于纯油井水泥和树脂水泥明显增大，树脂水泥的极限应力是纯油井水泥的137％，纯树脂的极限应力则是纯油井水泥240％；纯油井水泥的弹性模量为9.3GPa，纯树脂的弹性模量是2.33GPa，而树脂水泥的弹性模量为1.8GPa。树脂水泥相较于纯油井水泥的弹性模量降低了76.5％，相较于纯树脂的弹性模量降低了22.7％。
综上所述，树脂水泥显著提高了水泥石的抗压强度，水泥石的弹性模量也得到了显著降低，水泥石呈现出“高强”“低弹”的特性。

Claims (8)

1.一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，由以下各组分按重量份组成：水溶性环氧树脂100份，固化剂30-70份,稀释剂15份,促进剂0-15份，纳米二氧化硅0-2份，加重剂0-400份，油井G级水泥0-100份，水0-50份，消泡剂1份。
2.如权利要求1所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其特征在于，所述水溶性环氧树脂为双酚A型水性环氧树脂。
3.如权利要求1所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其特征在于，所述固化剂为二亚乙基三胺、三乙基烯四胺、二氨基二苯基甲烷、邻苯二甲酸酐、甲基四氢临苯二甲酸酐或其混合物。
4.如权利要求1所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其特征在于，所述稀释剂为丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚或脂环族单环氧缩水甘油醚。
5.如权利要求1所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其特征在于，所述促进剂为2,4,6-三(二甲氨基甲基)-苯酚。
6.如权利要求1所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其特征在于，所述消泡剂为甘油聚醚脂肪酸酯。
7.如权利要求1所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系，其特征在于，所述加重剂为磁铁矿粉、硅石粉、重晶石或锰矿粉。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种高强低弹水溶性树脂水泥浆体系的应用，是指将水溶性树脂水泥浆体系用于油气田开发过程中固井、特殊井段封堵、弃井、海上非常规修井。
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