CN112142407B

CN112142407B - 一种纤维韧性固井材料

Info

Publication number: CN112142407B
Application number: CN202011031915.0A
Authority: CN
Inventors: 曾雪玲; 古安林; 张洋勇
Original assignee: Jiahua Special Cement Co ltd
Current assignee: Jiahua Special Cement Co ltd
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2040-09-27
Also published as: CN112142407A

Abstract

本发明公开了一种纤维韧性固井材料，涉及固井材料技术领域。本发明的固井材料括以下按质量百分比计的原料：无机凝胶材料70‑90%，改性增韧材料2‑8%,增强材料1‑10%,填充材料1‑15%；所述改性增韧材料包括以下按质量百分比计的原料：纤维材料70‑90%，有机分散助剂5‑10%和无机分散助剂5‑20%；本发明可以使纤维在水泥材料等凝胶材料中分散，减少团聚，加大纤维在水泥基材料中的使用比例，改善水泥浆抗压强度、抗裂性、韧性、耐久性、减少收缩。在井下作业时实现纤维水泥的可泵性，减少水泥石裂缝，防止气窜水窜，提高固井作业的安全性。

Description

一种纤维韧性固井材料

技术领域

本发明涉及固井材料技术领域，更具体地说涉及一种纤维韧性固井材料。

背景技术

为了提高水泥性能，纤维常常被用于各种水泥基材料，包括砂浆、混凝土和纤维水泥产品，虽然这种尺寸随机分布的纤维可以改善混凝土的某些力学性能，但由于纤维“成球”或絮凝和非均匀分散的可能性，对其混合和分散的要求通常更高。

在固井行业，长纤维不容易泵送，纤维混合和分散的难度，限制了纤维的使用量，在固井水泥中，纤维的实际加入泥浆中的量小于2%，固井材料用的纤维长度不超过10mm，不能更好地发挥纤维在砂浆、混凝土等水泥产品中的性能。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种纤维韧性固井材料。可以使纤维在水泥材料等凝胶材料中分散，减少团聚，加大纤维在水泥基材料中的使用比例，改善水泥浆抗压强度、抗裂性、韧性、耐久性、减少收缩。在井下作业时实现纤维水泥的可泵性，减少水泥石裂缝，防止气窜水窜，提高固井作业的安全性。

一种纤维韧性固井材料，其特征在于：包括以下按质量百分比计的原料：

无机凝胶材料70-90%，改性增韧材料2-8%,增强材料1-10%,填充材料1-15%；

所述改性增韧材料包括以下按质量百分比计的原料：纤维材料70-90%，有机分散助剂5-10%和无机分散助剂5-20%；所述无机分散助剂为富硅材料；所述有机分散助剂为支链淀粉类物质；所述改性增韧材料是通过下述制备方法得到的：

步骤A、将纤维材料与有机分散剂放入混拌设备中混拌，使其混合；

步骤B、将步骤A中得到的混拌好的预制纤维材料放入球磨机中，粉磨20-30min；

步骤C、将步骤B所得到的粉磨后的预制纤维材料与无机分散剂放入混拌设备中混拌，混拌完成后得到所述改性增韧材料。

所述的无机凝胶材料为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种。

所述增强材料为石墨粉，所述石墨粉为片状石墨粉、球状石墨粉、胶体石墨粉中的一种或几种的混合；石墨粉粒径为200-400目，纯度大于80%。

所述填充材料为超细碳酸钙粉，所述超细碳酸钙粉的比表面积＞800 cm²/g。

所述纤维材料为纤维素纤维和可再生纤维中的一种或几种的混合。

所述纤维素纤维包括木质纤维，所述木质纤维包括橡树纤维、苎麻纤维、甘蔗渣或山杨纤维中的一种或多种的组合；所述可再生纤维，包括来源于纸制品的纸浆纤维。

所述纤维材料的纤维长度为0.01-20mm。

所述无机分散助剂为粉煤灰、微硅粉和偏高岭土中的一种或几种的混合。

所述支链淀粉为马铃薯淀粉和/或玉米淀粉。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明采用淀粉作为分散助剂能够提高纤维分散性能，减少团聚，在与无机凝胶材料混合后，能够体现更好的性能。改性增韧材料中的淀粉及富硅材料易得，价格低廉。

2、采用淀粉作为分散助剂是由于非共价键修饰基本原理，淀粉是由许多葡萄糖分子脱水聚合而成的一种高分子碳水化合物。然而马铃薯淀粉和玉米淀粉属于支链淀粉，支链淀粉是天然高分子化合物中最大的一种，支链淀粉易溶于水，生成稳定的溶液。淀粉与纤维产生较强的相互作用力（如范德华力、π-π堆叠作用、氢键等），使得淀粉分子被吸附在纤维表面，增大片层间的排斥力（静电斥力或者空间位阻作用），形成稳定的胶体分散体系，从而使纤维不易成球、团聚达到分散的目的。

3、相较于现有技术中将淀粉直接加入到水泥中，本申请的改性增韧材料，是需要先将淀粉与纤维通过球磨机进行预处理，而采用球磨机对纤维进行预处理，纤维表面被球磨介质损伤，与水泥石基体间的机械结合力增加，达到增长抗拉拔力的目的。通过球磨分散的方式，从纤维表面产生许多“分支”或延伸，以改善纤维与矿物基材料基体之间的结合效果，利于纤维与水泥之间的粘结强度，更有利于纤维增强性能的发挥。球磨机处理后的纤维加入富硅材料，如粉煤灰，偏高岭土，微硅风等，纤维可以通过氢键覆盖富硅材料表面，使其表面电荷更负，从而通过更强的静电斥力增强纤维覆盖富硅材料在水中的分散性。同时通过混拌使纤维再次分散，减少大团，大球的形成。

4、通过本发明方法制备的改性纤维，加大了在固井水泥中的掺量，由于提高了纤维的分散性能，可以在固井水泥中掺量提高到8%，能够更好的体现纤维的性能。

5、加入纤维、石墨等韧性材料能够提高水泥石抗折性能，但是由于其特性会影响水泥石的抗压强度，在该体系水泥中加入的超细CaCO₃的促进了水泥的水化放热速率，水化放热亦随之增加，随着超细CaCO₃掺量增大，硅酸盐水泥水化生成Ca(OH)₂含量与化学结合水量皆增加，且超细CaCO₃能够填充在纤维与无机胶凝材料的缝隙中，使水泥石更加致密，从而提高水泥基材料的抗折和抗压强度提高。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了本发明所使用改性增韧材料的配比，具体如下：

1、甘蔗渣40%、苎麻纤维42%、马铃薯淀粉5%、粉煤灰5%和微硅8%；将甘蔗渣、苎麻纤维和马铃薯淀粉放入混拌设备中混拌2min；然后将混拌好的甘蔗渣、苎麻纤维和马铃薯淀粉的混合物放入到球磨机中，粉磨20min；将粉磨后的甘蔗渣、苎麻纤维、马铃薯淀粉的混合物，与粉煤灰、微硅放入混拌设备中混拌3min，制得改性增韧材料A。

2、纸浆纤维70%、玉米淀粉10%、偏高岭土10%和微硅10%；将纸浆纤维和玉米淀粉放入混拌设备中混拌2min；然后将混拌好的纸浆纤维和玉米淀粉的混合物放入到球磨机中，粉磨25min；将粉磨后的纸浆纤维和玉米淀粉的混合物，与偏高岭土、微硅放入混拌设备中混拌5min，制得改性增韧材料B。

3、橡树纤维74%，马铃薯淀粉3%，玉米淀粉3%，粉煤灰5%，微硅8%，偏高岭土7%；将橡树纤维、马铃薯淀粉和玉米淀粉放入混拌设备中混拌2.5min；然后将混拌好的橡树纤维、马铃薯淀粉和玉米淀粉的混合物放入到球磨机中，粉磨28min；将粉磨后的橡树纤维、马铃薯淀粉和玉米淀粉的混合物，与偏高岭土、粉煤灰、微硅放入混拌设备中混拌3min，制得改性增韧材料C。

4、苎麻纤维40%，纸浆纤维50%，马铃薯淀粉5%，粉煤灰5%，将苎麻纤维、纸浆纤维和马铃薯淀粉放入混拌设备中混拌3min；然后将混拌好的苎麻纤维、纸浆纤维和马铃薯淀粉的混合物放入到球磨机中，粉磨30min；将粉磨后的苎麻纤维、纸浆纤维和马铃薯淀粉的混合物，与粉煤灰放入混拌设备中混拌3min，制得改性增韧材料D。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了纤维韧性固井材料，具体如下：

实验条件：水泥浆配方：水泥浆配方均采用：无机凝胶材料+改性增韧材料+增强材料+缓凝剂+降失水剂，水灰比为0.44。缓凝剂与降失水剂根据不同比例关系适配，根据不同的温度调整掺量，缓凝剂和降失水剂均采用固定外掺量百分比，为固井材料整体百分比。

实验方法：水泥石强度、稠化时间均采用GB/T19139-2012进行实验，按照实验标准GB/T19139-2012配置水泥浆。

1、硫铝酸盐水泥87%，改性增韧材料A 3%,增强材料9%，填充材料1%，缓凝剂0.2%，降失水剂1%，实验温度40℃。

2、G级水泥80%，改性增韧材料D 4%，增强材料1%，填充材料15%，缓凝剂0.5%，降失水剂1%，试验温度50℃。

3、G级水泥90%，改性增韧材料A 2%，增强材料5%，填充材料3%，缓凝剂0.5%，降失水剂1%，试验温度60℃。

4、普通硅酸盐水泥75%，改性增韧材料C 8%,增强材料10%，填充材料7%，缓凝剂1%，降失水剂1%，实验温度80℃。

5、普通硅酸盐水泥70%，改性增韧材料D 7%，增强材料8%，填充材料15%，缓凝剂1.2%，实验温度100℃。

试验数据如下表所示：

由上表数据显示，在不同的温度条件下，水泥石的压折比均＞4，体现了较好的韧性，且水泥浆的稠化时间可调，水泥浆的流动度能够满足施工要求，体现了较好的工作性能。

Claims

1.一种纤维韧性固井材料，其特征在于：包括以下按质量百分比计的原料：

所述改性增韧材料包括以下按质量百分比计的原料：纤维材料70-90%，有机分散助剂5-10%和无机分散助剂5-20%；所述无机分散助剂为富硅材料；所述无机分散助剂为粉煤灰、微硅粉和偏高岭土中的一种或几种的混合；所述有机分散助剂为支链淀粉类物质；所述增强材料为石墨粉，所述石墨粉为片状石墨粉、球状石墨粉、胶体石墨粉中的一种或几种的混合；石墨粉粒径为200-400目，纯度大于80%；所述改性增韧材料是通过下述制备方法得到的：

步骤A、将纤维材料与有机分散助剂放入混拌设备中混拌，使其混合；

步骤C、将步骤B所得到的粉磨后的预制纤维材料与无机分散助剂放入混拌设备中混拌，混拌完成后得到所述改性增韧材料。

2.如权利要求1所述的一种纤维韧性固井材料，其特征在于：所述的无机凝胶材料为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种。

3.如权利要求1所述的一种纤维韧性固井材料，其特征在于：所述填充材料为超细碳酸钙粉，所述超细碳酸钙粉的比表面积＞800 cm²/g。

4.如权利要求1所述的一种纤维韧性固井材料，其特征在于：所述纤维材料为纤维素纤维和可再生纤维中的一种或几种的混合。

5.如权利要求4所述的一种纤维韧性固井材料，其特征在于：所述纤维素纤维包括木质纤维，所述木质纤维包括橡树纤维、苎麻纤维、甘蔗渣或山杨纤维中的一种或多种的组合；所述可再生纤维包括来源于纸制品的纸浆纤维。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种纤维韧性固井材料，其特征在于：所述纤维材料的纤维长度为0.01-20mm。

7.如权利要求1-5任意一项所述的一种纤维韧性固井材料，其特征在于：所述支链淀粉为马铃薯淀粉和/或玉米淀粉。