CN117025188B - 深水浅层固井用低热导外加剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气井固井领域，具体涉及深水浅层固井用低热导外加剂及其制备方法和应用。所述的外加剂为外部封装树脂且树脂表面包裹中空玻璃微珠的空心微球，以重量份计，其原料组成为：空心微球8‑12份，BPA环氧树脂3‑4份，固化剂1份，中空玻璃微珠10‑15份。本发明所述的外加剂强度大，加入水泥浆后水泥石强度衰退不明显，同时能够大幅降低水泥石的导热系数，可应用于深水浅层固井水泥浆中且形成的水泥石强度满足实际固井要求。
Description
技术领域
本发明属于油气井固井领域，具体涉及深水浅层固井用低热导外加剂及其制备方法和应用。
背景技术
石油天然气是关系到国计民生的重要资源，而在复杂条件下进行油气开采极易发生安全生产事故，并可能造成不可估量的损失和社会影响，因此保证油气安全长效产出有重要现实意义。
由于海底低温高压环境，海洋深水浅层存在大量的天然气水合物。现场在进行油气生产作业时，油管中的热流体在流动过程中会将热量沿径向传递至地层，导致水合物层温度升高，易使水合物受热分解，在水泥环与套管胶结界面处造成损害并产生微间隙，从而导致水泥封隔完整性的失效甚至是井喷等危害的发生。为了防止水合物在生产过程中受热分解，需要减少水合物层附近水泥环的热量传递能力，从而使凝固后的水泥环能够很好的将环空中的热量阻隔在井筒内，防止井筒中的热量向地层扩散。
目前，降低水泥的热量传递能力主要是通过添加一些多孔材料来实现的，例如岩矿棉、珍珠岩、玻化微珠等，但是采用该方法形成的水泥石一般强度较低，无法满足深水浅层固井的要求，无法保证油气安全长效产出。
因此有必要开发一种深水浅层固井用低热导外加剂，并将其应用于深水浅层固井。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了深水浅层固井用低热导外加剂及其制备方法和应用，该外加剂可以有效降低水泥石的导热系数，且形成的水泥石强度满足深水浅层固井要求。
本发明所述的深水浅层固井用低热导外加剂为外部封装树脂且树脂表面包裹中空玻璃微珠的空心微球；以重量份计，其原料组成为：空心微球8-12份，BPA环氧树脂3-4份，固化剂1份，中空玻璃微珠10-15份。
所述空心微球直径为1-1.6 mm，其内部空腔平均直径0.8-1.2 mm。
所述中空玻璃微珠的粒径为50~100μm。粒径过大会导致后期加入固井水泥浆中使用时泵送困难，同时更大的空心结构会对水泥石的强度造成更大的影响。
本发明所述的固化剂为HSPT01B。
本发明采用BPA环氧树脂，该类树脂性能稳定性和持久性更好，适用于要求封装时效性更长的固井领域。
所述的深水浅层固井用低热导外加剂的制备方法，其具体步骤为：
（2-1）按比例称取各原料，备用；
（2-2）将BPA环氧树脂与固化剂混合均匀，形成固化液；
（2-3）将固化液与空心微球混合，搅拌至固化液在空心微球表面包裹均匀；
（2-4）将表面粘有固化液的空心微球加入到中空玻璃微珠中搅拌，待空心微球表面均匀包裹中空玻璃微珠后取出过筛；
（2-5）将表面均匀包裹中空玻璃微珠的空心微球50~100℃养护，过筛，得外加剂。
步骤（2-5）中养护时间为4~8 h。
本发明最终获得的深水浅层固井用低热导外加剂的粒径范围1.7-2 mm。
行业标准对于深水水泥浆的强度要求是24h强度不低于3.5MPa，本发明所针对的深水环境一般在10℃左右。本发明所述的外加剂粒径较大，大粒径的材料相互支持，在水泥石内部形成了一个坚固的框架，水泥硬化过程中形成的水化产物填充了结构的空隙，使水泥石的内部排列更加紧凑；另一方面，材料本身具有很高的强度，使水泥石的骨架支撑更加牢固，这种坚固的支撑进一步增强了水泥石的整体强度。因此，本发明所述的外加剂强度大，加入水泥浆后水泥石强度衰退不明显。
本发明所述的外加剂比玻璃微球等常用低导热材料的空腔体积更大，因此在水泥石内部形成的空腔更多，导热系数更低。其次，材料的结构强度更高，在与水泥混合时不易破裂，从而影响保温效果。相比之下，膨胀珍珠岩和漂珠等建筑材料的强度相对较低，使用时保温效果会明显下降，因此，本发明能够大幅降低水泥石的导热系数。
本发明利用树脂封装的方法，将微球内部空心结构保护起来，从而防止空心微球的渗透率较高，与水泥混拌后水泥颗粒会侵入微球内部，导致空心结构被破坏等问题的发生。另外，本发明所述的树脂用于将中空玻璃微珠固定于中空微球表面。
本发明中，中空玻璃微珠除了通过对热传导的阻抗来阻碍热量的传递，利用自身空心结构来降低材料的导热系数，从而降低水泥石的导热系数外，还作为热反射膜的功能材料，将热量反射去提高材料的保温隔热能力。在中空微球的表面增加热反射膜，使材料能够将一部分传递过来的热量反射回去，未能反射回去的热量由外加剂的内部空心结构进行阻碍，通过将热反射和热阻隔两个效果叠加，从而提高材料的低热导能力。
所述空心微球的制备步骤为：
（1-1）将油相加热至80~90℃；
（1-2）称取氢氧化钠，加入蒸馏水混合搅拌至氢氧化钠完全溶解，再加入成球剂、硅酸钠、偏高岭土搅拌混合均匀，得浆体I；
（1-3）将浆体I匀速倒入油相中打散，80~90℃条件下搅拌6~8 h，过滤，漂洗，干燥，煅烧，得空心微球。
步骤（1-2）中搅拌转速为500~550 r·min-1。
所述成球剂为钠盐或钾盐，其粒径为1-1.5mm。所述钠盐包括碳酸钠、氯化钠、硝酸钠、硫酸钠中的一种或几种；所述钾盐包括氯化钾、碳酸钾、硫酸钾中的一种或者几种。
采用上述方法制得的空心微球为硅铝酸钠空心微球，外部直径为1-1.6 mm，其内部空腔平均直径0.8-1.2 mm。
本发明所述的外加剂可以直接加入固井水泥浆中，应用于深水浅层固井中，用量是固井水泥浆质量的5-20%。
与现有技术相比，本发明所述的外加剂强度大，加入水泥浆后水泥石强度衰退不明显，同时能够大幅降低水泥石的导热系数，加量为20%时，水泥石的导热系数可从0.8 W·(m·K)-1降低至0.27 W·(m·K)-1。
附图说明
图1是本发明所述的深水浅层固井用低热导外加剂的显微图，粒径范围1.7-2 mm。
图2为固定于树脂中的深水浅层固井用低热导外加剂的横切面，表明其内部空心结构。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
空心微球的制备步骤为：
（1-1）将2L的油加入到3L的烧杯中恒温加热至80~90℃，打开磁力搅拌器设定转速550 r·min-1进行搅拌，得油相；
（1-2）称取氢氧化钠12g，加入100g蒸馏水混合搅拌至氢氧化钠完全溶解，再加入成球剂50g、硅酸钠50g、偏高岭土100g搅拌混合均匀，得浆体I；
（1-3）将浆体I匀速倒入油相中打散，80℃条件下搅拌8 h，过滤，漂洗，干燥，煅烧，得空心微球；搅拌转速为550 r·min-1；
所述成球剂为氯化钠，其粒径为1mm。所述空心微球的平均外部直径为1.2mm，其内部空腔平均直径1.0mm；
采用实施例1所述的空心微球进行后续实验。
实施例2
深水浅层固井用低热导外加剂，以重量份计，其原料组成为：空心微球8份，BPA环氧树脂4份，固化剂1份，中空玻璃微珠15份；
所述中空玻璃微珠的粒径为50~100μm；
所述的深水浅层固井用低热导外加剂的制备方法，其具体步骤为：
（2-1）按比例称取各原料，备用；
（2-2）将BPA环氧树脂与固化剂混合均匀，形成固化液；
（2-3） 将固化液与空心微球混合，搅拌至固化液在空心微球表面包裹均匀；
（2-4）将表面粘有固化液的空心微球加入到中空玻璃微珠中搅拌，待空心微球表面均匀包裹中空玻璃微珠后取出过筛；
（2-5）将表面均匀包裹中空玻璃微珠的空心微球50℃养护8h，过筛，得外加剂。
实施例3
深水浅层固井用低热导外加剂，以重量份计，其原料组成为：空心微球10份，BPA环氧树脂4份，固化剂1份，中空玻璃微珠12份；
所述中空玻璃微珠的粒径为50~100μm；
所述的深水浅层固井用低热导外加剂的制备方法，其具体步骤为：
（2-1）按比例称取各原料，备用；
（2-2）将BPA环氧树脂与固化剂混合均匀，形成固化液；
（2-3）将固化液与空心微球混合，搅拌至固化液在空心微球表面包裹均匀；
（2-4）将表面粘有固化液的空心微球加入到中空玻璃微珠中搅拌，待空心微球表面均匀包裹中空玻璃微珠后取出过筛；
（2-5）将表面均匀包裹中空玻璃微珠的空心微球100℃养护4h，过筛，得外加剂。
实施例4
深水浅层固井用低热导外加剂，以重量份计，其原料组成为：空心微球12份，BPA环氧树脂4份，固化剂1份，中空玻璃微珠10份；
所述中空玻璃微珠的粒径为50~100μm；
所述的深水浅层固井用低热导外加剂的制备方法，其具体步骤为：
（2-1）按比例称取各原料，备用；
（2-2）将BPA环氧树脂与固化剂混合均匀，形成固化液；
（2-3）将固化液与空心微球混合，搅拌至固化液在空心微球表面包裹均匀；
（2-4）将表面粘有固化液的空心微球加入到中空玻璃微珠中搅拌，待空心微球表面均匀包裹中空玻璃微珠后取出过筛；
（2-5）将表面均匀包裹中空玻璃微珠的空心微球80℃养护6h，过筛，得外加剂。
实施例5
将获得的深水浅层固井用低热导外加剂命名为BW-II，将其应用于在深水浅层固井中，为了测试BW-II对水泥石抗压强度及热传导性的影响，在水泥浆中加入BW-II，水泥浆配方如表1所示，实验结果如表2所示；
由表2可以看出，随着BW-II加量的增加，形成的水泥石的导热系数逐渐降低，说明其保温性能越来越好；另一方面，水泥石的抗压强度也随之降低，当加量为25%时，其抗压强度小于行业标准（3.5MPa），因此BW-II的推荐加量为5-20%。
Claims (5)
1.深水浅层固井用低热导外加剂，其特征在于，所述外加剂为外部封装树脂且树脂表面包裹中空玻璃微珠的空心微球；以重量份计，其原料组成为：空心微球8-12份，BPA环氧树脂4份，固化剂1份，中空玻璃微珠10-15份；
所述空心微球为硅铝酸钠空心微球，微球外部直径为1-1.6 mm，其内部空腔平均直径0.8-1.2 mm；所述固化剂为HSPT01B；
具体制备步骤为：
（2-1）按比例称取各原料，备用；
（2-2）将BPA环氧树脂与固化剂混合均匀，形成固化液；
（2-3）将固化液与空心微球混合，搅拌至固化液在空心微球表面包裹均匀；
（2-4）将表面粘有固化液的空心微球加入到中空玻璃微珠中搅拌，待空心微球表面均匀包裹中空玻璃微珠后取出过筛；
（2-5）将表面均匀包裹中空玻璃微珠的空心微球50~100℃养护，过筛，得外加剂。
2.根据权利要求1所述的深水浅层固井用低热导外加剂，其特征在于，所述中空玻璃微珠的粒径为50~100μm。
3.根据权利要求1所述的深水浅层固井用低热导外加剂，其特征在于，步骤（2-5）中养护时间为4~8 h。
4.权利要求1-3任一项所述的深水浅层固井用低热导外加剂在深水浅层固井中的应用。
5.根据权利要求4所述的深水浅层固井用低热导外加剂在深水浅层固井中的应用，其特征在于，将外加剂加入固井水泥浆中使用，用量是固井水泥浆质量的5-20%。
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