CN113621355B - 一种液体减轻剂及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种液体减轻剂及其制备和应用。所述液体减轻剂，包括水、空心微珠和高分子聚合物，所述水、空心微珠和高分子聚合物的重量比为(40至60):(26至56):(0.5至2)。本申请提供的减轻剂既可以起到降低密度的作用、又是一种可以以液体形式添加的减轻材料。实现了减轻材料的液体化添加，从而实现低密度水泥浆的灵活配制，为现场低密度水泥浆的配制提供便利。此外，本申请提供的减轻剂可以长期稳定存储。

Description

一种液体减轻剂及其制备和应用
技术领域
本文涉及但不限于水泥浆的密度调节，尤其涉及但不限于一种固井用液体悬浮减轻剂。
背景技术
固井是钻井过程中的一个关键环节，起到支撑套管和封隔地层的目的，当地层破裂压力较窄时，为防止压裂地层，通常采用低密度水泥浆进行固井。常用的低密度水泥浆方法主要是两种：一种是采用搬土浆、水玻璃等悬浮材料，通过提高水泥浆的水灰比来实现，但这种方式制备的水泥浆起强度慢、24h候凝强度低，无法满足下一步快速钻进的需求；另一种方法是加入空心微珠、漂珠、膨胀珍珠岩等中空低密度材料，降低水泥浆的密度，可以有效降低水灰比，提高水泥石的强度，但是缺点是此类中空材料由于加量大，一般需要在灰站提前与水泥进行干混，而一旦进行干混后，因比例确定，水泥浆的密度很难进一步调节，而且通常在作业准备过程中，一般需要进行常规密度水泥浆和低密度水泥浆的固体灰的存储，也会增加储罐数量，另外，在海上固井作业时，由于海风的影响，固体材料尤其是低密度材料，吹灰过程中易造成损失，不利于后期密度的稳定。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
本申请提供了一种既可以起到降低密度、又可以以液体形式添加的减轻剂。本申请提供的悬浮减轻剂可以长期稳定存储。
通过液体减轻剂的制备，实现减轻剂的液体化添加，从而实现低密度水泥浆的灵活配制，为现场低密度水泥浆的配制提供便利。
本申请提供了一种液体减轻剂，包括水、空心微珠、高分子聚合物和分散剂，所述水、空心微珠、高分子聚合物和分散剂的重量比为(40至60):(26至56):(0.5至2):(0.5至2.0)。
在本申请提供的一种实施方式中，所述液体减轻剂还包括防冻剂；
在本申请提供的一种实施方式中，所述空心微珠和所述防冻剂的重量比为(26至56):(0至10)；优选地，所述空心微珠和所述防冻剂的重量比为(26至56):(5至10)。
在本申请提供的一种实施方式中，所述高分子聚合物选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、淀粉、黄原胶、明胶、角叉莱胶、温伦胶、聚乙烯醇、以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为主要单体的聚合物、聚氨酯增稠剂和聚丙烯酰胺中的一种或多种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述甲基纤维素的聚合度为300至500；可选地，所述羧甲基纤维素的聚合物为300至500；
在本申请提供的一种实施方式中，所述羟乙基纤维素的聚合度为200至400；
在本申请提供的一种实施方式中，所述淀粉的糊化温度为80℃至90℃；
在本申请提供的一种实施方式中，所述黄原胶的数均分子量为600万至900万；
在本申请提供的一种实施方式中，所述明胶的数均分子量为5万至10万；
在本申请提供的一种实施方式中，所述角叉莱胶的数均分子量为20万至40万，κ-型；
在本申请提供的一种实施方式中，所述温伦胶的数均分子量为300万至500万；
在本申请提供的一种实施方式中，所述聚乙烯醇的聚合度为2400至3000；
在本申请提供的一种实施方式中，所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为主要单体的聚合物，数均分子量为30万至50万；
在本申请提供的一种实施方式中，聚丙烯酰胺为数均分子量1600万至1800万。
在本申请提供的一种实施方式中，所述分散剂选自含有聚醚侧链的聚羧酸、焦磷酸钠、木质素磺酸钠、磺化甲醛丙酮缩聚物中的任意一种或更多种；
在本申请提供的一种实施方式中，所述防冻剂选自醇类化合物、脂肪酸酰胺类化合物和亚硝酸盐的中的一种或几种；
在本申请提供的一种实施方式中，所述醇类化合物选自甲醇、乙二醇、异丙醇、二甘醇；
所述脂肪酸酰胺类化合物选自二甲基甲酰胺、甲酰胺、乙酰胺。
在本申请提供的一种实施方式中，所述水的矿化度为小于1g/L。
在本申请提供的一种实施方式中，所述空心微珠选自硼硅酸盐空心玻璃微珠；
所述硼硅酸盐空心玻璃微珠，包含但不限于Minnesota Mining andManufacturing Corporation(3M公司)的HGS系列产品、中钢马鞍山的H系列产品、中科华星新材料有限公司的D系列产品或安徽凯盛基础材料科技有限公司的HGS系列产品。
在本申请提供的一种实施方式中，所述空心玻璃微珠被纳米SiO2包覆。
在本申请提供的一种实施方式中，所述纳米SiO2包覆所述空心玻璃微珠，包括如下步骤：
1)将所述空心微珠在pH值为11至13的溶液中处理1h至3h，处理后中和所述空心微珠表面的碱性物质并干燥；
2)将步骤1)处理后的所述空心微珠加入弱碱、醇类溶剂、水配成的混合液体，所述弱碱、所述醇类溶剂和水的比例范围为体积比(0.05至0.20):(1至5):(2至10)，空心微珠与混合液的比例为重量比(1至3):(20至50)；
3)将步骤2)得到的混合液体与硅源混合，处理3h至10h，得到混合物，所述硅源与步骤2)得到的混合液体的质量比为(0.8至1.8):(10至30)；
4)对步骤3)中的混合物固液分离，分别使用乙醇和水多次洗涤、过滤后，将固体物质在120℃至150℃下煅烧处理1h至3h，即得包覆改性空心微珠；
在本申请提供的一种实施方式中，所述弱碱包括氨水、氢氧化铝、醋酸钠、甲酸钠中的任意一种或更多种；
在本申请提供的一种实施方式中，所述醇类溶剂包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的任意一种或更多种；
在本申请提供的一种实施方式中，所述硅源包括正硅酸乙酯、硅酸四甲酯、正硅酸丁酯中的任意一种或更多种。
又一方面，本申请提供了上述的液体减轻剂的制备方法，包括以下步骤：将高分子聚合物加入水中，混合均匀后加入所述空心微珠，混合均匀后加入分散剂和防冻剂，混合均匀后即得液体减轻剂。
在本申请提供的一种实施方式中，所述液体减轻剂的占所述固井水泥浆的8wt.％至40wt.％(BWOC)。加入本申请液体减轻剂水泥浆各项性能良好，可以满足固井作业需求。
本申请提供的技术方案可以有效制备高固相含量的空心微珠减轻材料，具有密度低、强度高的特点，配制的低密度水泥浆各项性能良好，稠化时间可调，可以满足大多数井况下的低密度固井作业需求，实现减轻剂的液体添加，有效降低水泥浆密度。实现了使用同一种固体基材料的基础上，水泥浆密度在1.1g/cm3至1.6g/cm3的自由调节。
本申请的有益效果如下：
1、本申请可以形成稳定的液体减轻剂，可以实现了固体减轻材料的液体化添加，适用于LAS系统；
2、本申请所述液体减轻剂固体含量可达溶剂的50％至120％，密度在0.35g/cm3至0.90g/cm3，加入少量就可以有效降低水泥浆的密度；能够调节水泥浆密度在1.1至1.6，水泥浆水灰比最大可以为2；包含本申请液体减轻剂的水泥浆防窜性能好、强度高、混凝时间短等特点。
3、成品性能稳定，稳定性和耐温性能良好，上浮现象减弱，可以稳定存在不短于3个月，即使失稳后，重新高速搅拌后，仍可以恢复原状；
4、仅涉及高速搅拌，工艺简单成熟，生产速度快，易于工业化生产。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在一种实施方式中，高分子聚合物为甲基纤维素，甲基纤维素的聚合度为300至500，购自大城县亦博化工有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为羧甲基纤维素，羧甲基纤维素的聚合物为300至500，购自大城县亦博化工有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为淀粉，淀粉的糊化温度为80℃至90℃，购自山东高益新材料科技有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为黄原胶，黄原胶的数均分子量为600万至900万，购自鄂尔多斯市中轩生化股份有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为明胶，明胶的数均分子量为5万至10万，购自河南来莱美源生物科技有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为角叉莱胶，角叉莱胶的数均分子量为20万至40万，κ-型，购自河南来莱美源生物科技有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为聚乙烯醇，聚乙烯醇的聚合度为2400至3000，购自广州辉达化工有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为主要单体的聚合物，聚合物的聚合度为数均分子量为30万至50万；
在一种实施方式中，高分子聚合物为聚氨酯增稠剂，牌号为HTK-2020，购自上海宏图实业有限公司；
在一种实施方式中，高分子聚合物为聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺为数均分子量1600万至1800万，购自山东高益新材料科技有限公司。
实施例1
本实施例中空心微珠经过如下处理：
所述空心微珠购自中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司，型号为H6000；
1)将所述空心微珠在pH值为12的溶液中处理2h，处理后中和所述空心微珠表面的碱性物质并干燥；
2)将步骤1)处理后的所述空心微珠加入氨水、乙醇、水配成的混合物，处理0.5h；空心微珠与混合液的重量比为2.2:15.6；氨水、乙醇和水的体积比为0.1:2:6；
3)将步骤2)得到的混合物与正硅酸乙酯混合，处理4h，所述正硅酸乙酯与步骤2)得到的混合液体的质量比为0.93:12.4；
4)对步骤3)中的混合物固液分离，分别使用乙醇和水多次洗涤、过滤后，将固体物质在120℃下煅烧处理2h，即得包覆改性空心微珠。
在本实施例中，高分子聚合物为温伦胶，数均分子量为300万至500万，购自河北鑫合生物化工有限公司；
水的矿化度为0.8g/L；
含有聚醚侧链的聚羧酸分散剂为聚羧酸系丙烯酸盐，购自天津中海油服化学有限公司，牌号为PC-F44L；
防冻剂为乙二醇，购自济南鲁科化工有限公司；
取包覆改性的空心微珠35重量份、高分子聚合物0.6重量份、水57.6重量份、含有聚醚侧链的聚羧酸分散剂0.8重量份、防冻剂6重量份。
本实施例的液体减轻剂制备方法如下：将高分子聚合物加入水中，1000r/min速度下搅拌20min，混合均匀后加入所述空心微珠，混合均匀后加入含有聚醚侧链的聚羧酸和防冻剂，混合均匀后即得液体减轻剂。
实施例2
本实施例中空心微珠经过如下处理：
所述空心微珠购自中科华星新材料有限公司，型号为D4000；
1)将所述空心微珠在pH值为11的溶液中处理3h，处理后中和所述空心微珠表面的碱性物质并干燥；
2)将步骤1)处理后的所述空心微珠加入氨水、乙醇、水配成的混合物，处理0.5h；空心微珠与混合液的重量比为1.8:19.8；氨水、乙醇和水的体积比为0.05:4:6；
3)将步骤2)得到的混合物与正硅酸乙酯混合，处理4h，所述正硅酸乙酯与混合物的质量比为0.86:13.4；
4)对步骤3)中的混合物固液分离，将固体物质在130℃下煅烧处理2h，即得包覆改性空心微珠。
在本实施例中，高分子聚合物为羟乙基纤维素，购自任丘市鹏宇化工有限公司；所述羟乙基纤维素的数均聚合度为200至400；
水的矿化度为0.8g/L；
含有聚醚侧链的聚羧酸分散剂为聚羧酸系丙烯酸盐，购自天津中海油服化学有限公司，牌号为PC-F44L；
防冻剂为乙二醇，购自济南鲁科化工有限公司；
取包覆改性的空心微珠30重量份、高分子聚合物1.4重量份、水60重量份、含有聚醚侧链的聚羧酸0.6重量份、防冻剂8重量份。
本实施例的液体减轻剂制备方法如下：将高分子聚合物加入水中，1000r/min速度下搅拌20min，混合均匀后加入所述空心微珠，混合均匀后加入含有聚醚侧链的聚羧酸和防冻剂，混合均匀后即得液体减轻剂。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于，分散剂的用量为0.2份，其他原料的用量和来源以及本对比例的制备过程与实施例1完全相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于，不涉及高分子聚合物，其他原料的用量和来源以及本对比例的制备过程与实施例1完全相同。
对比例3
本对比例使用搬土作为减轻材料，所述搬土购自石家庄市鑫汇矿产品有限公司，为钻井液用钠基膨润土。
使用过程中需要预水化，预水化约16h，加量约在水泥加量的3％至6％，可以用于配制密度为1.50g/cm3至1.75g/cm3的水泥浆，形成的水泥石强度较低，一般小于7MPa。
对比例4
本对比例使用水玻璃作为减轻材料，购自济南鑫硕化工有限公司，为工业泡花碱。
可以液体添加，加量约在水泥加量的4wt.％至15wt.％(占水泥质量比)，可以用于配制1.5g/cm3至1.75g/cm3的水泥浆，形成的水泥石的强度相对较高，但是只能用于低温下，温度高于50℃后，稠化时间难以调节；
对比例5
本对比例直接使用空心微珠作为减轻材料，购自中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司，型号为H6000；
可以用于配制1.20g/cm3至1.60g/cm3的水泥浆，具有低密度、高强度的特点，但是需要提前与水泥进行干混，使用不方便，无法液体化添加。
测试例1：
表1实施例与对比例制备的早强剂的稳定性测试结果
实施例1 零下20℃～50℃条件下，可以稳定存在3个月以上
实施例2 零下20℃～50℃条件下，可以稳定存在3个月以上
对比例1 不能将空心微珠全部混入水中，产品太稠，无法形成悬浮液
对比例2 一个月左右出现明显分层，下部为清澈的水，上部为空心微珠堆积
从上表1可以看出，本申请实施例1和实施例2中的各组分及其各自的含量作为整体制备的液体减轻剂的稳定性远远优于对比例1和对比例2中的各组分及其各自的含量作为整体制备的液体减轻剂的稳定性。
测试例2：
表2本申请的实施例和常规减轻材料配制的低密度水泥浆的测试结果
Figure BDA0003203115480000091
表1中，BWOC为by weight of cement，即占水泥浆重量的百分比；降失水剂为G80L和消泡剂X60L，均购自于天津中海油服化学有限公司；实施例1和实施例2，采用湿混方式添加，对比例3的搬土需要提前预水化16h，对比例4的水玻璃可以采用湿混方式添加，对比例5的空心微珠，需要在岸基与水泥进行预混，增加预混成本。
由表1结果可以看出，实施例1和实施例2配制的低密度水泥浆强度可以达到14MPa以上，满足现场施工要求；对比例3和对比例4配制的低密度水泥浆强度较低，一般只能作为填充浆使用；对比例5强度较高，但一般采用干混方式进行，使用不便。本申请的液体减轻剂可以配制高性能的低密度高强度水泥浆，适合湿混，使用便捷。
上述水泥浆的配制及性能评价按照美国石油协会API RP 10B-2 2013标准开展。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (23)

1.一种液体减轻剂，由水、空心微珠、高分子聚合物和分散剂组成，所述水、空心微珠、高分子聚合物和分散剂的重量比为(40至60):(26至56):(0.5至2):(0.5至2.0)；
所述高分子聚合物选自甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、淀粉、黄原胶、明胶、角叉莱胶、温伦胶、聚乙烯醇、以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为主要单体的聚合物、聚氨酯增稠剂和聚丙烯酰胺中的一种或多种；
所述分散剂选自含有聚醚侧链的聚羧酸、焦磷酸钠、木质素磺酸钠、磺化甲醛丙酮缩聚物中的任意一种或更多种；
所述空心微珠选自硼硅酸盐空心玻璃微珠；所述空心玻璃微珠被纳米SiO2包覆；
所述纳米SiO2包覆所述空心玻璃微珠，包括如下步骤：
1）将所述空心微珠在pH值为11至13的溶液中处理1h至3h，处理后中和所述空心微珠表面的碱性物质并干燥；
2）将步骤1）处理后的所述空心微珠加入弱碱、醇类溶剂、水配成的混合液体，所述弱碱、所述醇类溶剂和水的比例范围为体积比(0.05至0.20):(1至5):(2至10)，空心微珠与混合液的比例为重量比(1至3):(20至50)；
3）将步骤2）得到的混合液体与硅源混合，处理3h至10h，得到混合物，所述硅源与步骤2）得到的混合液体的质量比为(0.8至1.8):(10至30)；
4）对步骤3）中的混合物固液分离，分别使用乙醇和水多次洗涤、过滤后，将固体物质在120℃至150℃下煅烧处理1h至3h，即得包覆改性空心微珠。
2.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述液体减轻剂还包括防冻剂。
3.根据权利要求2所述的液体减轻剂，其中，所述空心微珠和所述防冻剂的重量比为(26至56):(0至10)。
4.根据权利要求3所述的液体减轻剂，其中，所述空心微珠和所述防冻剂的重量比为(26至56):(5至10)。
5.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述甲基纤维素的聚合度为300至500。
6.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述羧甲基纤维素的聚合物为300至500。
7.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述羟乙基纤维素的聚合度为200至400。
8.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述淀粉的糊化温度为80℃至90℃。
9.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述黄原胶的数均分子量为600万至900万。
10.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述明胶的数均分子量为5万至10万。
11.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述角叉莱胶的数均分子量为20万至40万，κ-型。
12.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述温伦胶的数均分子量为300万至500万。
13.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述聚乙烯醇的聚合度为2400至3000。
14.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为主要单体的聚合物，数均分子量为30万至50万。
15.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，聚丙烯酰胺为数均分子量1600万至1800万。
16.根据权利要求2所述的液体减轻剂，其中，所述防冻剂选自醇类化合物、脂肪酸酰胺类化合物和亚硝酸盐的中的一种或几种。
17.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述水的矿化度为小于1g/L。
18.根据权利要求16所述的液体减轻剂，其中，
所述醇类化合物选自甲醇、乙二醇、异丙醇、二甘醇；
所述脂肪酸酰胺类化合物选自二甲基甲酰胺、甲酰胺、乙酰胺。
19.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述弱碱包括氨水、氢氧化铝、醋酸钠、甲酸钠中的任意一种或更多种。
20.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述醇类溶剂包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的任意一种或更多种。
21.根据权利要求1所述的液体减轻剂，其中，所述硅源包括正硅酸乙酯、硅酸四甲酯、正硅酸丁酯中的任意一种或更多种。
22.根据权利要求2至21中任一项所述的液体减轻剂的制备方法，包括以下步骤：将高分子聚合物加入水中，混合均匀后加入所述空心微珠，混合均匀后加入分散剂和防冻剂，混合均匀后即得液体减轻剂。
23.根据权利要求1至21中任一项所述的液体减轻剂在固井水泥浆中的应用，所述液体减轻剂占所述固井水泥浆的8wt.%至40wt.%。
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