CN115772009B - 一种悬浮稳定剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种悬浮稳定剂及其制备方法和应用。本发明所提供的原料组合物包括凹凸棒土以及超微细二氧化硅。本发明所提供的悬浮稳定剂以所述原料组合物为原料制得。本发明所提供的悬浮稳定剂的制备方法包括：S1.将原料组合物与溶剂混合，得到第一混合液；S2.对所述第一混合液进行热处理，得到第二混合液；S3.对所述第二混合液进行高能电子束轰击辐照处理，得到含有悬浮稳定剂的第三混合液；以及任选地，S4.从所述含有悬浮稳定剂的第三混合液中分离出所述悬浮稳定剂。本发明所提供的悬浮稳定剂能够适应深层高温高压油气田的开发需要。
Description
技术领域
本发明涉及石油行业油气井固井工程领域，具体涉及一种悬浮稳定剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着油气勘探不断向非常规、超深层等方向发展，钻遇的深井、超深井数目越来越多，井底温度也越来越高，干热岩井等地热井的温度甚至高达200℃，超深和超高温等复杂情况对固井水泥浆的沉降稳定性带来了巨大挑战。首先，在高温条件下，水泥浆中的固体颗粒布朗运动加剧，导致水泥浆的粘滞力降低，沉降速度加快；其次，深井或异常高压井往往需要使用高密度水泥浆，高密度水泥浆使用的加重材料，如铁矿粉等，与水泥颗粒的密度和粒径相差较大，因而会对水泥浆的沉降稳定性造成严重破坏；第三，深井高温条件下，为提高水泥浆的抗高温性能并满足施工时间要求，往往需要增加缓凝剂的用量，而大部分缓凝剂都具有一定的分散性，因而会加剧水泥浆的沉降不稳定性；第四，在深井、超深井往往存在顶部温差过大的问题，即上部井段温度远低于井底温度，导致上部井段水泥浆出现超缓凝现象，水泥浆凝固时间大大延长，从而加剧了水泥浆沉降的不稳定性。
现有悬浮稳定剂主要包括黄原胶、纤维素等高分子聚合物材料和膨润土、微硅等无机粉体材料，这些材料在中低温条件下(<120℃)具有良好的悬浮性能，黏度较高，但大部分耐温性能不佳，在高温条件下(>160℃)，易受热分解，抑或黏度下降，水泥浆增稠悬浮效果降低，不利于固井施工安全，影响固井质量以及井筒的长效密封完整性。
CN 107903883 A公开了一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，由以下组分按质量百分比组成：亚纳米二氧化硅45％～60％，微米无定型二氧化硅40％～55％，微米沥青粉5％～8％。所述亚纳米二氧化硅，含二氧化硅不低于95质量％，为白色或灰白色固体粉状物，中值粒径低于200～450nm；所述微米无定型二氧化硅，含非晶态二氧化硅不低于85质量％，为白色或灰白色固体粉状物，中值粒径低于10～30mm；所述微米沥青粉，含沥青不低于85质量％，软化点30℃～130℃，中值粒径低于20～50mm。
CN 108706927 A公开了一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆，该悬浮稳定剂由以下各组分按重量份组成：0.5～4份纤维类材料，1～5份表面活性剂类粉体材料，0.5～2份絮凝剂类粉体材料；纤维类材料为晶须、海泡石、陶瓷纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维中的一种或两种材料的混合物；表面活性剂类粉体材料为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠、白糊精、黄糊精中的一种；絮凝剂类粉体材料为聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合硅酸铝铁中的一种。利用悬浮稳定剂制备的抗高温水泥浆，初始稠度低，沉降稳定性好。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，为适应深层高温高压油气田的开发需求，本发明的目的之一在于提供一种悬浮稳定剂。
本发明的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的悬浮稳定剂的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的悬浮稳定剂的应用。
为实现上述目的之一，本发明采取的技术方案如下：
一种悬浮稳定剂，其通过依次对原料组合物进行水热处理和高能电子束轰击辐照处理制得，所述原料组合物包括凹凸棒土以及超微细二氧化硅；所述高能电子束轰击辐照处理时添加有触变剂；所述触变剂选自多羟基类化合物。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述凹凸棒土的长度为500～1500nm，直径为20～100nm，长径比为(5～70):1。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述超微细二氧化硅的粒径为10～1000nm。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述凹凸棒土和所述超微细二氧化硅的质量比为(55～85):(15～45)，优选为(60～80):(20～40)。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述水热处理的条件包括：固液质量比为1:(0.8～5)；温度为100℃～200℃；时间为4～8h；优选地，所述触变剂与水热处理后的固液混合物的质量比为(0.5～4):100。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述高能电子束轰击辐照处理的条件包括：高能电子束能量为5～15MeV；高能电子束剂量为10～50kGy，辐照时间为2～20min。
为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下：
一种上述实施方式中任一项所述的悬浮稳定剂的制备方法，包括：
S1.将所述原料组合物与溶剂混合，得到第一混合液；
S2.对所述第一混合液进行热处理，得到第二混合液；
S3.对所述第二混合液进行高能电子束轰击辐照处理，得到含有悬浮稳定剂的第三混合液；以及
任选地，S4.从所述含有悬浮稳定剂的第三混合液中分离出所述悬浮稳定剂。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S1中，所述原料组合物与所述溶剂的质量比为1:(0.8～5)。
根据本发明，在进行步骤S1之前，可以采用搅拌机将对所述原料组合物进行混合。
根据本发明，步骤S1中，可以在搅拌的条件下进行所述混合操作，所述搅拌转速可以为3000～5000rpm，搅拌时间可以为2～5min。
根据本发明，步骤S1中，所述溶剂可以是水，所述水可以是去离子水、蒸馏水或自来水。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，所述热处理的条件包括：温度为100℃～200℃；时间为4～8h。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述高能电子束轰击辐照处理的条件包括：高能电子束能量为5～15MeV；高能电子束剂量为10～50kGy，辐照时间为2～20min。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述高能电子束轰击辐照处理在水浴条件下进行，水浴温度为40℃～60℃。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述第二混合液中添加有触变剂，所述触变剂与所述第二混合液的质量比为(0.5～4):100。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述触变剂选自多羟基类化合物，优选相对分子量范围为200～10000的聚乙二醇。
根据本发明，步骤S3可以在搅拌的条件下进行，搅拌转速可以为100～500rpm。
根据本发明，步骤S4中，可以采用烘干的方式实现所述分离。在本发明的一些具体的实施方式中，所述烘干的温度可以是50℃～80℃。
根据本发明，可以对制得的悬浮稳定剂进行研磨处理，以消除大块团聚。优选地，将悬浮稳定剂研磨至过100目～300目筛，优选过200目～300目筛。
为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：
一种上述实施方式中任一项所述的悬浮稳定剂或根据上述实施方式中任一项所述的制备方法制得的悬浮稳定剂在固井领域的应用。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述应用为作为水泥浆的稳定剂的应用。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述水泥浆包括油井水泥和水，所述悬浮稳定剂的用量为油井水泥的0.5wt％～5wt％。
本发明的有益效果至少在于以下几个方面：
其一，本发明的抗高温悬浮稳定剂能够适应30℃～220℃温度、1.70～2.80g/cm3水泥浆密度。
其二，本发明的抗高温悬浮稳定剂悬浮性能优异，在高温下，适当加量可使水泥浆沉降密度差≤0.03g/cm3。
其三，本发明的抗高温悬浮稳定剂可与多种外加剂体系配伍，具有良好的相容性。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。
下述实施方式中，若无特殊说明，则所采用的凹凸棒土的长度为500～1000nm，直径为20～50nm，长径比为(10～50):1；超微细二氧化硅的粒径为100～500nm；聚乙二醇的相对分子量为900～1100。
下述实施方式中，若无特殊说明，则所述“份”是指重量份。
实施例1
将80份凹凸棒土和20份超微细二氧化硅混合放入搅拌机中进行搅拌混合，直至混合均匀，肉眼观察无假性颗粒；取100份所得混合物加入到100份去离子水中，以转速4000rpm搅拌2min，然后将混合液倒入反应器中，在150℃下水热反应6h；取100份所得混合液，在50℃水浴条件下，加入2份聚乙二醇，以转速200rpm搅拌，并使用能量为10MeV、剂量为40kGy的高能电子束轰击辐照10min；将所得混合液在60℃下烘干，研磨，过200目筛，得到抗高温悬浮稳定剂，即为样品1。
实施例2
将70份凹凸棒土和30份超微细二氧化硅混合放入搅拌机中进行搅拌混合，直至混合均匀，肉眼观察无假性颗粒；取100份所得混合物加入到200份去离子水中，以转速4000rpm搅拌2min，然后将混合液倒入反应器中，在150℃下水热反应6h；取100份所得混合液，在50℃水浴条件下，加入2.5份聚乙二醇，以转速200rpm搅拌，并使用能量为15MeV、剂量为30kGy的高能电子束轰击辐照10min；将所得混合液在60℃下烘干，研磨，过200目筛，得到抗高温悬浮稳定剂，即为样品2。
实施例3
将60份凹凸棒土和40份超微细二氧化硅混合放入搅拌机中进行搅拌混合，直至混合均匀，肉眼观察无假性颗粒；取100份所得混合物加入到300份去离子水中，以转速4000rpm搅拌2min，然后将混合液倒入反应器中，在150℃下水热反应6h；取100份所得混合液，在50℃水浴条件下，加入3份聚乙二醇，以转速200rpm搅拌，并使用能量为5MeV、剂量为50kGy的高能电子束轰击辐照10min；将所得混合液在60℃下烘干，研磨，过200目筛，得到抗高温悬浮稳定剂，即为样品3。
实施例4
本实施例基本上按照实施例3的方式进行，不同之处仅在于凹凸棒土和超微细二氧化硅的用量分别为：55份和45份，得到样品4。
实施例5
本实施例基本上按照实施例3的方式进行，不同之处仅在于凹凸棒土和超微细二氧化硅的用量分别为：85份和15份，得到样品5。
实施例6
本实施例基本上按照实施例3的方式进行，不同之处仅在于采用粒径为2μm的二氧化硅替换实施例3中所采用的超微细二氧化硅，得到样品6。
实施例7
将60份凹凸棒土和40份超微细二氧化硅混合放入搅拌机中进行搅拌混合，直至混合均匀，肉眼观察无假性颗粒；取100份所得混合物加入到300份去离子水中，以转速4000rpm搅拌2min，然后将混合液倒入反应器中，在150℃下水热反应6h；取100份所得混合液，在50℃水浴条件下，以转速200rpm搅拌，并使用能量为5MeV、剂量为50kGy的高能电子束轰击辐照10min；将所得混合液在60℃下烘干，研磨，过200目筛，得到抗高温悬浮稳定剂，即为样品7。
实施例8
将60份凹凸棒土和40份超微细二氧化硅混合放入搅拌机中进行搅拌混合，直至混合均匀，肉眼观察无假性颗粒；取100份所得混合物加入到300份去离子水中，以转速4000rpm搅拌2min，然后将混合液倒入反应器中，在150℃下水热反应6h；取100份所得混合液，在50℃水浴条件下，加入3份聚乙二醇，以转速200rpm搅拌；将所得混合液在60℃下烘干，研磨，过200目筛，得到抗高温悬浮稳定剂，即为样品8。
实施例9
将60份凹凸棒土和40份超微细二氧化硅混合放入搅拌机中进行搅拌混合，直至混合均匀，肉眼观察无假性颗粒；取100份所得混合物加入到300份去离子水中，以转速4000rpm搅拌2min，然后将混合液倒入反应器中，在150℃下水热反应6h；取100份所得混合液，在50℃水浴条件下，加入3份聚乙烯醇(CAS注册号9002-89-5)，以转速200rpm搅拌，并使用能量为5MeV、剂量为50kGy的高能电子束轰击辐照10min；将所得混合液在60℃下烘干，研磨，过200目筛，得到抗高温悬浮稳定剂，即为样品9。
测试例1
悬浮稳定性测试：
按GB/T 19139-2012标准制备水泥浆。本发明的纳米悬浮稳定剂的加入量为油井水泥重量百分含量的3％。
水泥浆配方为：
密度为2.00g/cm3水泥浆：100份嘉华G级水泥、35份石英砂、20份铁矿粉、6份降失水剂DZJ-Y、4份缓凝剂SCR-4、0.5份早强剂TFA18、0.5份消泡剂DZX、设定量的本申请的纳米悬浮稳定剂和55份清水。
密度为2.50g/cm3水泥浆：100份嘉华G级水泥、35份石英砂、100份铁矿粉、50份锰粉、6份降失水剂DZJ-Y、4份缓凝剂SCR-4、0.5份早强剂TFA18、0.5份消泡剂DZX、设定量的本申请的纳米悬浮稳定剂和75份清水。
其中，嘉华G级水泥，四川乐山嘉华水泥厂生产；TFA18，天津宝恩生产；石英砂、铁矿粉、锰粉、DZJ-Y、SCR-4、DZX，山东德州大陆架生产。
将配制好的水泥浆倒入养护浆杯中，然后放入高温高压养护釜中进行搅拌养护(转速150r/min)，设定养护温度(150℃、180℃、200℃)和压力(20.7MPa)，升温升压时间为30min，待温度和压力达到设定值后，关闭搅拌电机，继续恒温恒压养护，120min后，用密度计测量养护浆杯上、下部分密度，记录上、下密度差。实验结果如表1所示，在测试温度范围内，实施例1～实施例3上、下密度差<0.03g/cm3，表明本发明的纳米悬浮稳定剂在不同温度、密度范围内均具有良好的悬浮稳定性。实施例4～实施例5的测试实验表明，通过对凹凸棒土和超微细二氧化硅的用量进行选择能够进一步优化制备出的悬浮稳定剂的悬浮效果；实施例6的测试实验表明，通过对超微细二氧化硅的粒径进行选择能够进一步优化制备出的悬浮稳定剂的悬浮效果；实施例7～实施例9的测试实验表明，通过制备工序进行选择能够进一步优化制备出的悬浮稳定剂的悬浮效果。
表1
注：所采用的电子密度计精确到0.005g/cm3；“-”表示没有此项数据。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (17)
1.一种水泥浆悬浮稳定剂，其通过依次对原料组合物进行水热处理和高能电子束轰击辐照处理制得，所述原料组合物包括凹凸棒土以及超微细二氧化硅；所述凹凸棒土和所述超微细二氧化硅的质量比为(55～85):(15～45)；所述高能电子束轰击辐照处理时添加有触变剂；所述触变剂选自多羟基类化合物。
2.根据权利要求1所述的悬浮稳定剂，其特征在于，所述凹凸棒土的长度500～1500nm，直径为20～100nm，长径比为(5～70):1；和/或所述超微细二氧化硅的粒径为10～1000nm。
3.根据权利要求1所述的悬浮稳定剂，其特征在于，所述凹凸棒土和所述超微细二氧化硅的质量比为(60～80):(20～40)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的悬浮稳定剂，其特征在于，所述水热处理的条件包括：固液质量比为1:(0.8～5)；温度为100℃～200℃；时间为4～8h。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的悬浮稳定剂，其特征在于，所述触变剂与水热处理后的固液混合物的质量比为(0.5～4):100。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的悬浮稳定剂，其特征在于，所述高能电子束轰击辐照处理的条件包括：高能电子束能量为5～15MeV；高能电子束剂量为10～50kGy，辐照时间为2～20min。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的悬浮稳定剂的制备方法，包括：
S1.将所述原料组合物与溶剂混合，得到第一混合液；
S2.对所述第一混合液进行热处理，得到第二混合液；
S3.对所述第二混合液进行高能电子束轰击辐照处理，得到含有悬浮稳定剂的第三混合液；以及
任选地，S4.从所述含有悬浮稳定剂的第三混合液中分离出所述悬浮稳定剂。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述原料组合物与所述溶剂的质量比为1:(0.8～5)。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述热处理的条件包括：温度为100℃～200℃；时间为4～8h。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高能电子束轰击辐照处理的条件包括：高能电子束能量为5～15MeV；高能电子束剂量为10～50kGy，辐照时间为2～20min。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述高能电子束轰击辐照处理在水浴条件下进行，水浴温度为40℃～60℃。
12.根据权利要求7-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第二混合液中添加有触变剂，所述触变剂与所述第二混合液的质量比为(0.5～4):100。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述触变剂选自多羟基类化合物。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述触变剂选自相对分子量范围为200～10000的聚乙二醇。
15.一种权利要求1-6中任一项所述的悬浮稳定剂或根据权利要求7-14中任一项所述的制备方法制得的悬浮稳定剂在固井领域的应用。
16.一种权利要求1-6中任一项所述的悬浮稳定剂或根据权利要求7-14中任一项所述的制备方法制得的悬浮稳定剂作为水泥浆的稳定剂的应用。
17.根据权利要求16所述的应用，所述水泥浆包括油井水泥和水，所述悬浮稳定剂的用量为油井水泥的0.5wt％～5wt％。
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| CN107903883A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-04-13 | 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 | 一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂 |
| CN110713855A (zh) * | 2019-10-14 | 2020-01-21 | 安徽省安邦矿物有限公司 | 一种水煤浆悬浮稳定剂的制造方法 |
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