一种复合颗粒、其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及油气井固井技术领域，特别涉及一种复合颗粒、其制备方法和应用。所述复合颗粒由弹性颗粒的内核和包覆在所述内核外表面的刚性颗粒的壳层组成。复合颗粒的制备方法，其包括如下步骤：利用气流夹带所述弹性颗粒和所述刚性颗粒做相对运动，从而形成所述复合颗粒。本发明专利技术的复合颗粒具有耐温性高的特点，同时提高了弹性颗粒的耐酸碱能力；其稳定性好；能够与水泥浆相容性好，无漂浮及养护过程的增加稠度现象；以及能够明显降低水泥石弹性模量，增加水泥石的变形能力；此外，本发明专利技术的复合颗粒为球形，有利于增加水泥浆的流动性。

Composite particle, preparation method and application thereof

The invention relates to the technical field of oil and gas well cementing, in particular to a composite particle, a preparation method and an application thereof. The composite particles are composed of the inner core of the elastic particles and the shell of the rigid particles coated on the outer surface of the core. The invention relates to a method for preparing a composite particle, which comprises the following steps of: the air flow is used to carry out the relative movement between the elastic particle and the rigid particle. The composite particles of the present invention has the characteristics of high temperature resistance, and improve the elastic particles acid resistance and alkali resistance; good stability; be good compatibility with cement, no floating and maintenance process and increase the degree of thickening phenomenon; cement can significantly reduce the elastic modulus, increase the deformation capacity of cement stone; in addition, the invention of the composite particles is spherical, is conducive to increasing the fluidity of cement slurry.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及油气井固井
，特别涉及一种复合颗粒、其制备方法和应用。
技术介绍
随着气井环空带压现象越来越普遍，水泥环的封固质量和耐久性越来越受到行业内的重视。但常规水泥石是一种脆性材料，在油井长期生产或作业过程水泥环容易出现裂纹或者微环隙，导致井口带压。尤其是目前页岩油气、致密油气井分段压裂技术的应用，对水泥石弹性变形能力要求更高，要求水泥石能够耦合套管变形。因此为了有效提高水泥石的长期密封能力，需要有效改善水泥石的力学性能，提高水泥石的变形能力，有效降低水泥石的弹性模量，并保证水泥石足够的强度。目前常用的改善水泥石弹性性能的材料主要有：丁苯胶乳乳胶、苯丙胶乳、橡胶颗粒及有机树脂类等物质，但乳胶及有机树脂类物质因价格高而限制了它们的广泛使用，橡胶颗粒和树脂材料由于抗温能力差及自身的缺陷，影响了其在油气井固井中的应用。其中橡胶颗粒由于来源广泛、价格便宜，成为了很多弹性水泥浆体系的首选材料，但是其表面疏水，且易漂浮以及耐温性差，导致其应用受到了较大的限制。因此有必要开发出一种以核壳结构为基础的新型弹性材料，使形成的水泥浆能够降低水泥石弹性模量，降低水泥石脆性，增加水泥石变形能力，并合理降低成本。
技术实现思路
本专利技术之一提供了一种复合颗粒，所述复合颗粒由作为内核的弹性颗粒和包覆在所述内核外表面的作为壳层的刚性颗粒组成。此外，通过机械包覆技术，实现了对弹性颗粒进行物理改性的可能，通过在弹性颗粒表面物理包覆例如微硅粉、粉煤灰等刚性的材料，特别是具有水硬性和/或碱激发火山灰质的材料，实现无孔包覆，能够有效改善内核材料的亲水特性，进一步改善弹性颗粒与水泥石间胶结特性，提高弹性颗粒的耐温能力和稳定性，同时能够改善水泥石力学性能，有效降低水泥石弹性模量，增加水泥石应变率。因此，采用本专利技术的核壳结构的复合颗粒，能够有效地满足高温井固井要求。需要指出的是，本专利技术的复合颗粒的内核仅有一个弹性颗粒，而壳层的颗粒的数量远不止一个，而是要达到无孔包覆和/或连续包覆弹性颗粒的数量。其中无孔包覆是指包覆有本专利技术的壳层的复合颗粒通过本专利技术的实施例7的无孔试验测试后，未能发现柴油组分的包覆；连续包覆是指包覆有本专利技术的壳层的复合颗粒通过本专利技术的实施例7的无孔试验测试后，能发现柴油组分的包覆。在一个具体实施例中，所述壳层以无孔的形式包覆在所述内核的外层。采用无孔包覆能够有效阻止水通过壳渗入，防止核遇水膨胀，同时能够减少水泥浆中水灰比，提高水泥石力学性能。当弹性材料在合理加量比例范围内，能保证水泥石在压缩条件下弹性变形量在0.1-0.5％之间，这时能够有效防止分段压裂和热膨胀等因素对水泥石的破坏，从而保证固井后水泥石的长期密封能力，提高油气井的安全生产时间及层间封隔效果。因此，在一个具体实施例中，所述内核的平均粒径与所述壳层的厚度的比例为2:1-8:1，优选为2:1-5:1。在一个具体实施例中，所述弹性颗粒包括弹性模量小于1.5GPa的乳胶粉，优选所述弹性颗粒包括丁腈橡胶粉和/或丁苯橡胶粉。在一个具体实施例中，所述弹性颗粒的平均粒径为100-180微米，粒径d50＝110-165微米；优选所述弹性颗粒的平均粒径120-140微米，粒径d50＝125-145微米。在一个具体实施例中，所述弹性颗粒的邵氏硬度为60-100，以质量计，含碳量小于或等于1.0％；优选所述弹性颗粒的邵氏硬度为70-85，含碳量小于或等于0.5％。在一个具体实施例中，所述刚性颗粒为具有水硬性和/或碱激发火山灰质的材料，优选所述材料包括硅灰、粉煤灰和偏高岭土中的至少一种。在一个具体实施例中，所述刚性颗粒的平平均粒径为1.0-10.0微米，粒径分布d50＝1.35-8.5微米；优选为1.3-5.6微米，粒径分布d50＝1.35-5.4微米。本专利技术之二提供了一种制备如上所述的复合颗粒的方法，其包括如下步骤：气流夹带所述弹性颗粒和所述刚性颗粒在密闭条件下做相对运动，从而形成所述复合颗粒。在一个具体实施例中，所述弹性颗粒和所述刚性颗粒的质量比例为100:(10-50)，优选为100:(20-30)。在一个具体实施例中，控制所述气流的系统转速为1500-3000rpm；优选所述系统转速为2000-2500rpm。在一个具体实施例中，利用气流夹带所述弹性颗粒和所述刚性颗粒做相对运动的时间为20-30分钟。本专利技术之三提供了一种如上所述的复合颗粒在油气井固井中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的复合颗粒耐温性高，提高了弹性颗粒的耐酸碱能力；(2)本专利技术的复合颗粒稳定性好；(3)本专利技术的复合颗粒与水泥浆相容性好，在水泥浆养护过程中，复合颗粒不出现漂浮现象，同时水泥浆不出现增稠现象，从而使水泥浆性能大为改善；(4)本专利技术的复合颗粒能够明显降低水泥石弹性模量，增加水泥石的变形能力；(5)本专利技术的复合颗粒为球形，有利于增加水泥浆的流动性。附图说明图1显示的是核壳结构复合颗粒的结构示意图，其中内部核为弹性颗粒，外部为刚性颗粒包覆内核形成的壳层。图2显示的是复合颗粒的形成过程示意图，根据需要可以首先对弹性材料进行球形化，然后与球形化处理后的刚性颗粒，例如硅灰混合均匀后，之后利用干式冲击复合法形成连续和/或无孔包覆的颗粒。图3显示的是PCS-1系统流程图；其中，1为加料斗，2为进样器，3为处理系统，4为冷却系统，5为控制系统。图4显示的是复合颗粒在扫描电镜下的微观结构，从图中可以看出复合颗粒的球形度非常高。具体实施方式在本专利技术中，利用复合粒子混合系统(清华大学，PCS-1)，使用干式冲击复合法，利用设备旋转产生的高速气流挟带粒子做高速相对运动，通过冲击使弹性颗粒与刚性颗粒以范德华引力与静电作用力发生复合，形成核壳结构的弹性粒子。通过调整系统转速在1500-3000r/min，控制系统投入原料，运行20-30min后再通过控制柜打开排粉开关，排粉15-20min，形成最终产品。在本专利技术中，采用仪器ToniPrax(德国)测量弹性模量，采用的标准为GB/T23561.8。采用仪器ToniPrax(德国)测量泊松比，采用的标准为GB/T50081-2002)。采用美国仪器Instron2450-200测量抗压强度和抗拉强度，采用的标准为GB/T50081-2002，其中，抗压强度和抗拉强度使用同一设备测量)。实施例1将100重量份，平均粒径为120微米，粒径d50＝123微米，弹性模量为0.6GPa，邵氏硬度为70，含碳量为0.5wt％的丁腈橡胶颗粒30份加入球型化后的硅灰中(平均粒径为1.45微米，粒径d50＝1.40微米，搅拌均匀，并调整复合粒子混合系统(清华大学，PCS-1)转速2500转/分钟，控制进料速度5kg/分钟，包覆时间30分钟，收集平均粒径为180微米，粒径d50＝175微米的复合颗粒。实施例2将100重量份，平均粒径为180微米，粒径d50＝165微米，弹性模量为0.8GPa，邵氏硬度为85，含碳量为0.5％的丁苯橡胶颗粒加入球型化后的20重量份，平均粒径为5.6微米，粒径d50＝5.4微米，含碳量为0.5％的粉煤灰中，搅拌均匀，并调整PCS-1转速2000转/分钟，控制进料速度5kg/分钟，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合颗粒，所述复合颗粒由作为内核的弹性颗粒和包覆在所述内核外表面的作为壳层的刚性颗粒组成。

【技术特征摘要】
1.一种复合颗粒，所述复合颗粒由作为内核的弹性颗粒和包覆在所述内核外表面的作为壳层的刚性颗粒组成。2.根据权利要求1所述的复合颗粒，其特征在于，所述壳层以无孔的形式包覆在所述内核的外层。3.根据权利要求1或2所述的复合颗粒，其特征在于，所述内核的平均粒径与所述壳层的厚度的比例为2:1-8:1，优选为2:1-5:1。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的复合颗粒，其特征在于，所述弹性颗粒包括弹性模量小于1GPa的乳胶粉，优选所述弹性颗粒包括丁腈橡胶粉和/或丁苯橡胶粉。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的复合颗粒，其特征在于，所述弹性颗粒的平均粒径为100-180微米，粒径d50＝110-165微米；优选所述弹性颗粒的平均粒径120-140微米，粒径d50＝125-145微米。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的复合颗粒，其特征在于，所述弹性颗粒的邵氏硬度为60-100，以质量计，含碳量小于或等于1.0％；优选所述弹性颗粒的邵氏硬度为70-85，含碳量小于或等于0.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶谦，周仕明，刘伟，刘建，
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