固井水泥浆增塑剂及其制备方法和由其制备的水泥浆技术

本发明专利技术涉及一种核壳结构的固井水泥浆增塑剂，其特征在于，所述增塑剂以140～180目数的橡胶颗粒为核，以平均粒径在100～300nm的纳米微硅为壳，是通过PCS包裹工艺制备的平均粒径为80～120μm的核壳结构的复合颗粒。本发明专利技术还涉及所述增塑剂的制备方法以及由该增塑剂制备的水泥浆。

Cementing cement plasticizer and preparation method thereof and cement slurry prepared by the same

The invention relates to a cement slurry with a core-shell structure of plasticizer, which is characterized in that the plasticizer in 140 ~ 180 mesh rubber particles as the core, with the average particle size of 100 ~ 300nm in the micro nano silica as shell is wrapped by PCS average particle preparation size is 80 ~ 120 m core-shell composite particles. The invention also relates to a preparation method of the plasticizer and cement slurry prepared by the plasticizer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种增塑剂，尤其涉及一种水泥浆增塑剂。本专利技术还涉及所述增塑剂的制备方法以及由该增塑剂制备的水泥浆。
技术介绍
射孔完井时水泥环受到较大的冲击荷载，为了稳产、增产，各油田都相继进行注水、压裂、酸化等增产措施，不同的作业过程必然会引起井下套管和水泥环受力状态的改变。常规油井水泥浆体系形成的水泥石是脆性材料，形变能力较差，韧性低，容易导致水泥环受损，在油井后期生产或作业过程出现裂纹或者微环隙，从而使得水泥环失去密封能力，影响后期生产。同时后期生产过程中，由于井下温度、套管内压力的变化，引起水泥环应力状态发生变化，因常规水泥石的缺点易导致水泥环受损而产生裂纹及其进一步的扩展，造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏，严重时导致油气井报废。根据《固井技术规范-2009》，产层段水泥石24～48小时的抗压强度应不小于14MPa。在本领域，一般要求弹塑性固井水泥石的弹性模量低于8GPa，抗压强度大于14MPa。因此，本领域急需开发一种新型增塑剂，既能提高水泥石的韧性，同时又不会大幅降低的水泥石的强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的固井水泥浆增塑剂，其既能提高水泥石的韧性，同时又不会大幅降低的水泥石的强度，以解决现有技术中存在的问题。为了实现前述目的，本专利技术提供了一种核壳结构的固井水泥浆增塑剂，其特征在于，所述增塑剂是以140～180目数的橡胶颗粒为核、以平均粒径在100～300nm范围内的纳米微硅为壳构成的平均粒径为80～120μm的核壳结构的复合颗粒。本专利技术的专利技术人意外地发现，将上述核壳结构的新型增塑剂加入到固井水泥浆体系中时，具有本专利技术的适宜粒径的颗粒材料将均匀分布于水泥颗粒间；水泥浆凝固硬化后，增塑剂颗粒填充于水泥石中的骨架颗粒之间。当水泥石受荷载作用时，水泥石体系中的骨架结构，在水泥石破碎前是冲击力的传递介质，由于骨架结构之间填充了增塑剂颗粒，所以骨架结构将冲击力传递到增塑剂颗粒之上，继而弹性颗粒吸收部分的能量产生一定的缓冲作用，从而提高水泥石的变形能力和抗冲击韧性，破坏时由普通油井水泥石的脆性破坏转变为塑性破坏。因此，本专利技术的新型增塑剂的颗粒能够填充水泥水化所形成的骨架的间隙，通过颗粒“止裂增韧”作用约束微裂缝的产生和扩展，同时形成吸收应变能的结构形变中心，从而降低油井水泥石的脆性和提高抗冲击韧性。固井水泥环具有较好的形变能力和抗冲击韧性，可减小井下作业及环境条件作用对水泥环的损伤。在本专利技术的一个优选的实施方式中，本专利技术的壳核结构的增塑剂是通过颗粒复合系统(PCS)包裹工艺制备的。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述增塑剂以160目数的橡胶颗粒为核。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述纳米微壳的平均粒径为150～250nm，优选为180～220nm。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述橡胶颗粒选自于丁苯橡胶。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述纳米微硅选自于硅灰，所述硅灰优选为铁合金在冶炼硅铁和工业硅时，矿热电炉内产生的SiO2和Si气体排放后与空气氧化冷凝沉淀而成的硅灰。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述复合颗粒的平均粒径为95～105μm、优选100μm。本专利技术的另一个目的在于，提供一种水泥浆，其特征在于，所述水泥浆掺有上述增塑剂。水泥浆的稳定性可以以析水量和上下密度差表征。在本专利技术的一个优选的实施方式中，在40～140℃，60MPa条件下，所述水泥浆的密度为1.65～2.25g/cm3，水泥浆的流动性为大于18cm，析水量小于0.5％，上下密度差小于0.02g/cm3。包括本专利技术的增塑剂的本专利技术的水泥浆具有良好的相容性。在本专利技术的一个优选的实施方式中，在养护24-96小时、优选48小时后，所述水泥浆中的水泥石的弹性模量在4～8GPa的范围内，水泥石抗压强度大于14MPa。本专利技术的再一个目的在于，提供上述的增塑剂的制备方法，包括如下步骤：将橡胶颗粒与纳米微硅按1-10:1的比例、优选为2:1的比例加入颗粒复合系统的混合机，调整定量计量系统的实验工艺参数，使纳米微硅能够与橡胶颗粒在主机中充分的接触、混合，在控制系统的控制下，在收集器收集装置中获得的粉体，形成一种微硅包覆橡胶颗粒的核壳结构。如图1所示。本专利技术的增塑剂的具体制备方法包括如下步骤：将橡胶颗粒与纳米微硅按一定比例加入颗粒复合系统的混合机(1)，调整定量计量系统(2)的实验工艺参数，使纳米微硅能够与橡胶颗粒在主机(3)中充分的接触、混合，在控制系统(5)的控制下，最后在收集器(4)收集装置中获得粉体，形成一种微硅包覆橡胶颗粒的核壳结构。本专利技术的增塑剂的制备方法利用了颗粒复合系统，使用了机械化学法中的干式冲击复合法原理，利用设备旋转产生的高速气流挟带粒子做高速相对运动，通过冲击使母颗粒与子颗粒以范德华引力与静电作用力发生复合。在本专利技术的一个优选的实施方式中，利用PCS包裹工艺制备本专利技术的核壳结构的增塑剂，平均粒径为100μm，纳米微硅连续无孔包裹橡胶颗粒。在本专利技术中，术语“油井水泥浆体系”与“固井水泥浆体系”可互换地使用。在本专利技术中，除非另有说明，所有份数均为重量份数。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术的增塑剂经过表面处理后亲水性较好，配浆容易；(2)本专利技术的与各种外加剂配伍性好，固井水泥浆性能稳定，满足高温固井施工要求；(3)当油井水泥浆中加入适量的本专利技术的增塑剂时，对硬化后的油井水泥石抗压强度影响较小，但提高了水泥石抗折强度，降低了水泥石的弹性模量；本专利技术的增塑剂有效降低了固井水泥石的脆性，提高了抗冲击荷载韧性并保持满足要求抗压强度；(4)相对胶乳油井水泥浆体系价格低廉，节约了成本；(5)由本专利技术的耐高温固井水泥浆增塑剂配制的固井水泥浆凝结硬化后，不仅提高了水泥石的抗折强度和抗冲击韧性，而且降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性，提高其受力后的变形能力，满足高温高压气井固井需求，尤其适合于当前高产气井及页岩油气井中的应用。附图说明图1.本专利技术的增塑剂的扫描电子显微镜图。图2.本专利技术的增塑剂的制备方法的流程图。其中，1为混合机，2为定量计量系统，3为主机，4为收集器，5为控制系统。具体实施方式以下结合非限制性的具体实施例来对本专利技术进行进一步的说明。在下列实施例中使用的水泥是嘉华G级油井水泥，购自四川嘉华水泥厂。降滤失剂型号是DZJ-Y，分散剂型号是DZS，缓凝剂是DZH-2，消泡剂是DZX-1，加重剂是赤铁矿粉，纳米硅液型号是SCLS，以上外加剂均来自德州大陆架石油工程技术有限公司。高温温定剂是硅粉，来自凤阳光明工业材料有限公司，水采用北京地区的自来水。实施例1利用PCS包裹工艺，制备本专利技术的增塑剂：将160目数的橡胶颗粒与200nm的纳米微硅按2:1的比例加入颗粒复合系统的混合机，调整定量计量系统的实验工艺参数，使纳米微硅能够与橡胶颗粒在主机中充分的接触、混合，在控制系统的控制下，在收集器收集装置中获得粉体，形成一种微硅包覆橡胶颗粒的核壳结构。对制得的增塑剂进行扫描电子显微镜观察，扫描电子显微镜图如图1所示。测得增塑剂的平均粒径为100μm。即制得以160目数的橡胶颗粒为核、以200nm的纳米微硅为壳、复合颗粒的平均粒径为80μm的增塑剂。对比例1采用油井水泥(嘉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核壳结构的固井水泥浆增塑剂，其特征在于，所述增塑剂是以140～180目数的橡胶颗粒为核、以平均粒径在100～300nm范围内的纳米微硅为壳构成的平均粒径为80～120μm的核壳结构的复合颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构的固井水泥浆增塑剂，其特征在于，所述增塑剂是以140～180目数的橡胶颗粒为核、以平均粒径在100～300nm范围内的纳米微硅为壳构成的平均粒径为80～120μm的核壳结构的复合颗粒。2.根据权利要求1所述的增塑剂，其特征在于，所述增塑剂以160目数的橡胶颗粒为核。3.根据权利要求1或2所述的增塑剂，其特征在于，所述纳米微壳的平均粒径为150～250nm，优选为180～220nm。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的增塑剂，其特征在于，所述橡胶颗粒选自于丁苯橡胶。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的增塑剂，其特征在于，所述纳米微硅选自于硅灰，所述硅灰优选为铁合金在冶炼硅铁和工业硅时，矿热电炉内产生的SiO2和Si气体排放后与空气氧化冷凝沉淀而成的硅灰。6.根据权利要求1～5中任意一项所述的增塑剂，其特征在于，所述复合颗粒的平均粒径为95～105μm、优选100...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仍光，周仕明，陶谦，刘建，杨红岐，张林海，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11