CN103305197B - 一种水泥浆增韧剂及在制备固井用柔性水泥浆中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水泥浆增韧剂及在制备固井用柔性水泥浆中的应用,该增韧剂通过将橡胶粉改性而制备,橡胶粉改性包括清洗、活化和蚀刻、接枝。用该增韧剂制备的固井用柔性水泥浆,由以下各组分按重量份配比组成:100份硅酸盐水泥,5-50份改性橡胶粉,10-40份增强剂,15-80份密度调节剂,35-65份水,0.5-2份分散剂,0.5-3份降失水剂,1.5-4份缓凝剂,0.1-2份消泡剂。用等离子体处理橡胶粉不会改变基体固有性能,不产生污染,工艺简单、操作方便,通过接枝处理的橡胶粉,亲水性稳定,时效性影响小,处理费用低;用改性橡胶粉制得的柔性水泥浆沉降稳定性好,力学性能明显改善,能完全满足现场注水泥施工要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种油井水泥浆增韧剂,主要用于油气井固井领域,改善水泥的力学性能。
背景技术
油井水泥环在井下承受高聚能射流的射孔冲击以及下套管和继续钻进时套管和钻头对水泥环的碰撞冲击,因水泥环具有脆性特点,其整体完整性会遭到破坏,导致后期层间密封性能失效,对油气井特别是高含酸性气体井后期增产措施及开发生产具有潜在安全隐患,无法保障油气井安全生产,造成巨大的经济损失。因此,保证油井水泥环的完整性具有重要的意义。
废旧橡胶是固体废弃物的一种,其主要来源为废旧橡胶制品。随着橡胶工业及汽车工业的发展,大量的废旧轮胎、橡胶制品及其边角料不断增多。废旧橡胶的回收利用成了一个非常重要的问题。以前对废旧橡胶只是做简单的地面堆积、掩埋或焚烧处理,极易造成环境污染和消防安全问题。而且随着废旧橡胶数量迅速增长,已不可能有足够土地可用于堆积场地。已有研究表明,将废旧橡胶粉碎成颗粒作为分散相掺入到水泥基体中,可以提高水泥石的韧性。这是处理和回收废旧橡胶较好的一种途径。但是,由于橡胶颗粒是由橡胶直接粉碎而成,其内部的交联结构未完全破坏,这种结构在一定程度上限制了表面分子链的运动,致使橡胶颗粒的表面呈惰性,亲水性差。橡胶颗粒在水泥浆中成团聚集,不能均匀分散,严重时甚至漂浮在水泥浆表面。同时,与水泥浆相容性差,与成型后的水泥石的界面粘结不好。这将严重影响水泥石成型后的力学性能。因此,对橡胶颗粒进行表面改性尤为重要。
目前,有文献报导了利用臭氧辐照(201010550838.X),微波辐照(ZL03134620.0)以及等离子体处理方法(201010167618.9)对橡胶粉进行表面处理,改善复合材料的力学性能。与传统的工艺相比较,这些技术通常不会改变基体固有性能,改性作用仅仅发生在表面,无需溶解剂和水,不产生污染。但是,单纯利用臭氧辐照或者等离子体对橡胶粉进行活化存在时效性问题,随着时间的推移,处理后的橡胶粉亲水性会下降,表面的极性基团减少,不适宜长期贮存。同时,受时效性的影响,经过处理的橡胶粉长期贮存后会严重影响改性复合材料的后期力学性能。通过等离子体处理的方法对橡胶粉进行表面活化刻蚀,然后通过等离子体接枝向橡胶粉表面专门引入极性基团,进而增加橡胶粉与固井水泥石的界面粘结力,提高固井水泥石力学性能尚未见有专利或非专利文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水泥浆增韧剂,该增韧剂是通过改性橡胶粉而制备,所述橡胶粉改性就是对粒径大小一定的废旧橡胶粉进行表面清洗,除去表面的杂质,然后对其进行等离子体活化和蚀刻处理再通过等离子体接枝,引入其他极性基团,对橡胶粉进行接枝。
本发明的另一目的在于提供该水泥浆增韧剂在制备固井用柔性水泥浆中的应用,将处理后的橡胶粉掺入固井用水泥浆中,可有效提高固井水泥石的力学性能。
为达到以上技术目的,本发明提供以下技术方案。
一种油井水泥浆增韧剂,该增韧剂通过将橡胶粉改性而制备,所述橡胶粉改性过程如下:
(1)橡胶粉的清洗:将目数为80-180目的橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平后,放于等离子处理仪腔体内,开动电源,打开真空泵,待腔体内真空度达到10Pa以下时,打开流量阀,放入处理气体,所述处理气体为空气、氧气、氮气其中一种、两种或两种以上混合物,待流量达到0.1~1L/min时,打开高频电源开始放电,处理功率为50-300W,处理10-60s后关掉高频电源、流量阀和真空泵,取出橡胶粉;
(2)橡胶粉的活化和蚀刻:对清洗后的橡胶粉继续用步骤(1)所述方法处理,调整处理功率为50-300W,处理30-300s后,取出橡胶粉;
(3)橡胶粉的接枝:将活化和蚀刻后的橡胶粉放置于等离子体接枝设备中,在真空条件下,放入接枝用气体,所述接枝用气体为水蒸汽、乙醇蒸气或其混合物,待流量达到0.1~1L/min时,打开高频电源开始放电,处理时间10-250s,处理功率为50-300W。
该油井水泥浆增韧剂用于制备固井用柔性水泥浆,所述柔性水泥浆由以下各组分按重量份配比组成:100份水泥,5-50份改性橡胶粉,10-40份增强剂,15-80份密度调节剂,35-65份水,0.5-2份分散剂,0.5-3份降失水剂,1.5-4份缓凝剂,0.1-2份消泡剂。
所述水泥为硅酸盐水泥。
所述增强剂为硅粉、微硅或其混合物。
所述密度调节剂为铁矿粉、重晶石或漂珠。
所述分散剂为磺化单宁、六偏磷酸钠或其混合物。
所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、羟乙基纤维素或其混合物。
所述缓凝剂为木质素磺酸钠、柠檬酸或其混合物。
所述消泡剂为二甲基硅油或磷酸三丁酯。
以上物质均为市售。
该固井用柔性水泥浆的制备方法如下:
称取100重量份水泥,5-50重量份改性橡胶粉,10-40重量份增强剂,15-80重量份密度调节剂干混为干粉,量取35-65重量份水,称量0.5-2重量份分散剂,0.5-3重量份降失水剂,1.5-4重量份缓凝剂,0.1~2重量份消泡剂溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:等离子体处理不会改变基体固有性能,不产生污染,工艺简单、操作方便,生产可控性强,产品一致性好。通过接枝处理的橡胶粉,亲水性稳定,时效性影响小,处理费用低廉;用等离子体改性橡胶粉制得的柔性水泥浆沉降稳定性好,力学性能明显改善,稠化时间可调、流动性好、失水量较小,能完全满足现场注水泥施工要求。
附图说明
图1是实施例1的三轴应力曲线图
图2是实施例2的三轴应力曲线图
图3是实施例3的三轴应力曲线图
图4是实施例4的三轴应力曲线图
图5是实施例5的三轴应力曲线图
图6是实施例6的三轴应力曲线图
具体实施方式
一、水泥浆增韧剂及固井用柔性水泥浆的制备
实施例1:
1、水泥浆增韧剂的制备:
(1)橡胶粉的清洗:将橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平,放于等离子处理仪腔体内,开动电源,打开真空泵,待腔体内真空度达到10Pa以下时,打开流量阀,放入处理气体,待流量达到设定值时,打开高频电源开始放电;
(2)橡胶粉的活化和蚀刻:对清洗后的橡胶粉继续用步骤(1)所述方法处理;
(3)橡胶粉的接枝:将活化和蚀刻后的橡胶粉放置于等离子体接枝设备中,在真空条件下,放入接枝用气体,待流量达到设定值时,打开高频电源开始放电。
相关参数如下:
2、固井用柔性水泥浆的制备:
称取100重量份油井水泥,50重量份改性橡胶粉,10重量份硅粉,5重量份微硅,80重量份铁矿粉干混为干粉,量取42重量份水,称量0.5重量份磺化单宁,0.5重量份羟乙基纤维素,4重量份木质素磺酸钠,0.1重量份二甲基硅油溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
实施例2:
1、水泥浆增韧剂的制备:
如实施例1所述步骤,相关参数如下:
2、固井用柔性水泥浆的制备:
称取100重量份油井水泥,20重量份改性橡胶粉,10重量份微硅,40重量份重晶石干混为干粉,量取35重量份水,称量2重量份六偏磷酸钠,3重量份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸,2.5重量份柠檬酸,0.5重量份磷酸三丁酯溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
实施例3:
1、水泥浆增韧剂的制备:
如实施例1所述步骤,相关参数如下:
橡胶粉目数 | 80目 | 清洗气体类型 | 氮气 |
清洗气体流量 | 0.1L/min | 清洗功率 | 220W |
清洗时间 | 45s | 活化刻蚀气体类型 | 氧气 |
活化刻蚀气体流量 | 0.1L/min | 活化刻蚀功率 | 280W |
活化刻蚀时间 | 70s | 接枝气体类型 | 乙醇蒸气 |
接枝气体流量 | 1L/min | 接枝功率 | 50W |
接枝时间 | 195s |
2、固井用柔性水泥浆的制备:
称取100重量份油井水泥,18重量份改性橡胶粉,12重量份微硅,35重量份重晶石干混为干粉,量取65重量份水,称量1.7重量份六偏磷酸钠,0.5重量份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸,1重量份羟乙基纤维素,2.3重量份木质素磺酸钠,0.5重量份磷酸三丁酯溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
实施例4:
1、水泥浆增韧剂的制备:
如实施例1所述步骤,相关参数如下:
2、固井用柔性水泥浆的制备:
称取100重量份油井水泥,35重量份改性橡胶粉,20重量份硅粉,5重量份微硅,15重量份重晶石干混为干粉,量取48重量份水,称量0.5重量份六偏磷酸钠,0.5重量份磺化单宁,2.2重量份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸,2.5重量份柠檬酸,0.25重量份磷酸三丁酯溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
实施例5:
1、水泥浆增韧剂的制备:
如实施例1所述步骤,相关参数如下:
橡胶粉目数 | 110目 | 清洗气体类型 | 氧气 |
清洗气体流量 | 1L/min | 清洗功率 | 50W |
清洗时间 | 40s | 活化刻蚀气体类型 | 氮气 |
活化刻蚀气体流量 | 0.9L/min | 活化刻蚀功率 | 240W |
活化刻蚀时间 | 180s | 接枝气体类型 | 水蒸汽 |
接枝气体流量 | 0.3L/min | 接枝功率 | 100W |
接枝时间 | 150s |
2、固井用柔性水泥浆的制备:
称取100重量份油井水泥,10重量份改性橡胶粉,8重量份硅粉,15重量份微硅,18重量份漂珠干混为干粉,量取45重量份水,称量0.7重量份六偏磷酸钠,1.8重量份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸,1.5重量份木质素磺酸钠,0.5重量份二甲基硅油溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
实施例6:
1、水泥浆增韧剂的制备:
如实施例1所述步骤,相关参数如下:
2、固井用柔性水泥浆的制备:
称取100重量份水泥,5重量份改性橡胶粉,35重量份硅粉,5重量份微硅,35重量份漂珠干混为干粉,量取55重量份水,称量1.5重量份磺化单宁,2.5重量份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸,1.5重量份柠檬酸,2重量份磷酸三丁酯溶于水中。然后,将水溶液放在混合容器中,搅拌器以低速(4000±200转/分)转动,并在15秒内加完称取混合的干粉,盖上搅拌器的盖子,并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒,即制得固井用柔性水泥浆。
二、固井用柔性水泥浆的性能测试
按照API规范配制好固井用柔性水泥浆后,测试其工程性能。养护条件为:常压90℃×48h,三轴应力测试条件为:围压16MPa、恒速(2kN/min)循环加载,每周循环最大载荷为20kN。测试结果如表1,图1~图6所示。
表1本发明固井用柔性水泥浆工程性能测试结果
可以看出,在第一应力循环周中,不同等离子改性橡胶颗粒含量的水泥石出现不同程度的塑性变形能力,经多周循环加载压实后,橡胶粉粒子弹性变形能力得到体现,等离子改性橡胶颗粒的加入,既增强了油井水泥石的塑性变形能力,同时也增强了水泥石后期弹性变形能力。此性能有利地保证了油气井固井后油气增产对固井质量的影响,为实现井筒完整性提供了有利的支持。
Claims (4)
1.一种水泥浆增韧剂,该增韧剂通过将橡胶粉改性而制备,其特征在于,所述橡胶粉改性过程如下:
(1)橡胶粉的清洗:将目数为80-180目的橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平后,放于等离子处理仪腔体内,开动电源,打开真空泵,待腔体内真空度达到10Pa以下时,打开流量阀,放入处理气体,所述处理气体为空气、氧气、氮气其中一种、两种或两种以上混合物,待流量达到0.1~1L/min时,打开高频电源开始放电,处理功率为50-300W,处理时间10-60s;
(2)橡胶粉的活化和蚀刻:对清洗后的橡胶粉继续用步骤(1)所述方法处理,调整处理功率为50-300W,处理时间30-300s;
(3)橡胶粉的接枝:将活化和蚀刻后的橡胶粉放置于等离子体接枝设备中,在真空条件下,放入接枝用气体,所述接枝用气体为水蒸汽、乙醇蒸气或其混合物,待流量达到0.1~1L/min时,打开高频电源开始放电,处理时间10-250s,处理功率为50-300W。
2.如权利要求1所述的水泥浆增韧剂在制备固井用柔性水泥浆中的应用,其特征在于,所述柔性水泥浆由以下各组分按重量份配比组成:100份水泥,5-50份水泥浆增韧剂,10-40份增强剂,15-80份密度调节剂,35-65份水,0.5-2份分散剂,0.5-3份降失水剂,1.5-4份缓凝剂,0.1-2份消泡剂。
3.如权利要求2所述的水泥浆增韧剂在制备固井用柔性水泥浆中的应用,其特征在于,所述水泥为硅酸盐水泥。
4.如权利要求2所述的水泥浆增韧剂在制备固井用柔性水泥浆中的应用,其特征在于,所述增强剂为硅粉、微硅或其混合物,所述密度调节剂为铁矿粉、重晶石或漂珠,所述分散剂为磺化单宁、六偏磷酸钠或其混合物,所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、羟乙基纤维素或其混合物,所述缓凝剂为木质素磺酸钠、柠檬酸或其混合物,所述消泡剂为二甲基硅油或磷酸三丁酯。
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