CN107559010B - 一种固井水泥石 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固井水泥石，属于钻井材料技术领域。将壳聚糖溶胀后酶解，并与聚丙烯酰胺混合，制得添加剂，将稻壳纤维低温炭化，得中空纤维，并将中空纤维浸渍于异氰酸酯中，再进行封端处理，制得改性纤维，按重量份数计，依次称取50～70份水泥，20～25份硅粉，20～30份水，10～15份添加剂，12～18份改性纤维，2～5份分散剂，10～15份矿渣和10～12份填充料，将水泥与水混合后，依次加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，矿渣，戊二醛和填充料，搅拌混合，振捣成型，经养护后，得固井水泥石。本发明制备的固井水泥石具有优异的力学性能和抗腐性能。
Description
技术领域
本发明公开了一种固井水泥石，属于钻井材料技术领域。
背景技术
在固井施工中，固井水泥浆被注入套管与地层之间的环空，水泥浆要经受井下环境而最终凝固形成具有一定胶结能力和硬度的水泥环。井内水泥环具有有效地封隔地层和支撑、保护套管的功能。为了稳产、增产，各油田都相继进行注水、压裂、酸化、补孔等提高生产压差等井下工程作业，不同的作业过程必然使井眼条件发生改变，套管内压改变、地层围岩压力变化以及井眼温度改变引起的温度应力等作用，使水泥环受力状态发生改变，可能导致水泥环产生裂纹，甚至会使水泥环的封隔作用失效，造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏，严重时造成油井报废。因此，研究固井水泥石力学性能，提高水泥环本体的完整性对生产及油水井的长期寿命具有重要的意义。研究表明，纤维可改善水泥基材料的力学性能。目前固井中常用的纤维包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、碳纤维等，对水泥石有一定的增韧效果，但存在分散性差、成本高或耐久性差的缺点。
油田进入中后期，随着注水、酸化、压裂、热采等开发措施的实施，井内高压极易使水泥石产生脆性破裂，造成油气水窜流，地层水对水泥石的腐蚀会破坏水泥石结构，由于腐蚀介质对油气井套管的腐蚀损坏，产层油气水窜严重。水泥石脆性破裂和地层水对水泥石腐蚀都会严重影响油气井生产寿命。水溶蚀和离子交换侵蚀是水泥石受腐蚀的主要原因之一，增加水泥石致密性和降低水泥水化产物受溶蚀作用和离子交换作用发生的可能性是提高水泥石耐腐蚀的主要途径。
因此，如何改善固井水泥石力学性能及耐腐蚀性不佳的缺点，以获取更高综合性能的固井水泥石，是其推广与应用于更广阔的领域，满足工业生产需求亟待解决的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统固井水泥石力学性能及耐腐蚀性不佳的缺点，提供了一种固井水泥石。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种固井水泥石，是由以下重量份数的原料组成：
水泥 50～70份
硅粉 20～25份
水 20～30份
添加剂 10～15份
改性纤维 12～18份
分散剂 2～5份
填充料 10～12份
戊二醛 3～5份
矿渣 10～15份
所述添加剂的制备方法为：
将壳聚糖与水按质量比1：5～1：8混合溶胀，得溶胀壳聚糖，将溶胀壳聚糖与壳聚糖酶按质量比10：1～15：1混合酶解，得壳聚糖酶解液，将壳聚糖酶解液与聚丙烯酰胺按质量比8：1～10：1混合，并加入壳聚糖酶解液质量3～5倍的水，得添加剂；
所述改性纤维的制备方法为：
将稻壳纤维移入炭化炉，于氮气保护下，低温慢速炭化，得中空稻壳纤维；将中空稻壳纤维与异氰酸酯按质量比1：10～1：18混合于烧杯中，浸泡，过滤，得浸渍后的中空纤维；按重量份数计依次取15～25份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份质量分数为30%甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后，恒温搅拌反应，再经抽滤、干燥得改性纤维；
所述固井水泥石的制备方法为：
（1）按原料组成称量各原料；
（2）将水泥与水混合后，加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，搅拌混合，振捣成型，经养护后，得固井水泥石。
所述水泥为硅酸盐水泥或铝酸盐水泥中任意一种。
所述矿渣为S105级矿渣或S95级矿渣中任意一种。
所述分散剂为分散剂MF或分散剂CF-40中任意一种。
所述填充料为玻化微珠或二氧化钛中任意一种。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在制备固井水泥石时加入改性纤维，一方面改性纤维的外壳经低温炭化后内部有机质挥发，外部覆盖的角质层得以保留，得到中空稻壳纤维，首先，中空稻壳纤维的加入可填充固井水泥石成型过程中产生的孔隙，在一定程度上增加了固井水泥石体系的致密度，从而是产品的力学性能和抗腐性能得到提高，中空稻壳纤维表面具有天然的二氧化硅角质层，在加入到固井水泥石体系中后，可参与水泥的水化反应，从而进一步提高固井水泥石的致密度，使产品的抗腐性能和力学性能得到提升；另一方面，中空稻壳纤维中包裹了异氰酸酯，在水泥水化，成型过程中，由于外力作用及固井水泥石自身体系膨胀收缩的作用，使中空稻壳纤维产生破裂，异氰酸酯流出，并与体系中的水反应生成二氧化碳，由于水泥水化过程中产生氢氧化钙，所以二氧化碳可以和氢氧化钙反应生成碳酸钙，并且由于生成的碳酸钙体积较小，可填充固井水泥石体系中的毛细裂缝，从而使固井水泥石体系的致密度进一步提升，使产品的力学性能和抗腐性能得到提高；
（2）本发明在制备固井水泥石时加入添加剂，首先，添加剂中含有活化壳聚糖，活化壳聚糖可以螯合屏蔽金属离子，在加入到固井水泥石体系中后，可以防止体系与外界进行离子交换，从而使产品的抗腐性能得到提高，其次，由于壳聚糖在活化后活性提高，在加入到固井水泥石体系中后可发生反应并且在体系中聚合，形成一定的网络结构，从而固井水泥石体系中各物质见的作用力增强，致密度提高，使产品的力学性能和防腐性能得到提高，再者由于添加剂中还含有聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺为良好的固水剂，在加入到固井水泥石体系中后可提高体系中水泥的水化程度，并减少用水量，从而使固井水泥石体系致密度提高，使产品的力学性能得到提高。
附图说明
图1 固井水泥石抗压强度检测结果。
具体实施方式
将壳聚糖与水按质量比1：5～1：8混合于烧杯中，混合溶胀，得溶胀壳聚糖，将溶胀壳聚糖与壳聚糖酶按质量比10：1～15：1混合，于温度为32～37℃的条件下，酶解4～6h，得壳聚糖酶解液，将壳聚糖酶解液与聚丙烯酰胺按质量比8：1～10：1混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入壳聚糖酶解液质量3～5倍的水，将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为40～55℃，转速为300～360r/min的条件下，搅拌混合，得添加剂；将稻壳纤维移入炭化炉，以50～80mL/min的速率向炉内通入氮气，于氮气保护下，以0.4～0.7℃/min的升温速率升温至460～490℃，保温反应4～6h，得中空稻壳纤维，将中空稻壳纤维与异氰酸酯按质量比1：10～1：18混合于烧杯中，浸泡45～70min，过滤，得浸渍后的中空纤维，按重量份数计依次取15～25份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份质量分数为30%甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后于温度为50～60℃，转速为300～500r/min条件下，恒温搅拌反应3～5h，再经抽滤、干燥得改性纤维；按重量份数计，依次称取50～70份水泥，20～25份硅粉，20～30份水，10～15份添加剂，12～18份改性纤维，2～5份分散剂，3～5份戊二醛，10～15份矿渣和10～12份填充料，将水泥和水加入搅拌机中混合，并依次向搅拌机中加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，于转速为90～110r/min，温度为50～60℃的条件下，搅拌混合8～10min后，振捣14～20次，成型，得预处理固井水泥石，将预处理固井水泥石于避光条件下，自然养护7～9天，得固井水泥石。所述水泥为硅酸盐水泥或铝酸盐水泥中任意一种。所述矿渣为S105级矿渣或S95级矿渣中任意一种。所述分散剂为分散剂MF或分散剂CF-40中任意一种。所述填充料为玻化微珠或二氧化钛中任意一种。
实例1
将壳聚糖与水按质量比1：8混合于烧杯中，混合溶胀，得溶胀壳聚糖，将溶胀壳聚糖与壳聚糖酶按质量比15：1混合，于温度为37℃的条件下，酶解6h，得壳聚糖酶解液，将壳聚糖酶解液与聚丙烯酰胺按质量比10：1混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入壳聚糖酶解液质量5倍的水，将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为55℃，转速为360r/min的条件下，搅拌混合，得添加剂；将稻壳纤维移入炭化炉，以80mL/min的速率向炉内通入氮气，于氮气保护下，以0.7℃/min的升温速率升温至490℃，保温反应6h，得中空稻壳纤维，将中空稻壳纤维与异氰酸酯按质量比1：18混合于烧杯中，浸泡70min，过滤，得浸渍后的中空纤维，按重量份数计依次取25份浸渍后的中空纤维，30份尿素，100份质量分数为30%甲醛溶液，5份乙烯-顺丁烯二酸酐，4份氯化铵，6份间苯二酚和60份水，混合后于温度为60℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌反应5h，再经抽滤、干燥得改性纤维；按重量份数计，依次称取70份水泥，25份硅粉，30份水，15份添加剂，18份改性纤维，5份分散剂，5份戊二醛，15份矿渣和12份填充料，将水泥和水加入搅拌机中混合，并依次向搅拌机中加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，于转速为110r/min，温度为60℃的条件下，搅拌混合10min后，振捣20次，成型，得预处理固井水泥石，将预处理固井水泥石于避光条件下，自然养护9天，得固井水泥石。所述水泥为硅酸盐水泥。所述矿渣为S105级矿渣。所述分散剂为分散剂MF。所述填充料为玻化微珠。
实例2
将壳聚糖与水按质量比1：8混合于烧杯中，混合溶胀，得溶胀壳聚糖，将溶胀壳聚糖与壳聚糖酶按质量比15：1混合，于温度为37℃的条件下，酶解6h，得壳聚糖酶解液，将壳聚糖酶解液与聚丙烯酰胺按质量比10：1混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入壳聚糖酶解液质量5倍的水，将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为55℃，转速为360r/min的条件下，搅拌混合，得添加剂；将稻壳纤维移入炭化炉，以80mL/min的速率向炉内通入氮气，于氮气保护下，以0.7℃/min的升温速率升温至490℃，保温反应6h，得中空稻壳纤维，即得改性纤维；按重量份数计，依次称取70份水泥，25份硅粉，30份水，15份添加剂，18份改性纤维，5份分散剂，5份戊二醛，15份矿渣和12份填充料，将水泥和水加入搅拌机中混合，并依次向搅拌机中加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，于转速为110r/min，温度为60℃的条件下，搅拌混合10min后，振捣20次，成型，得预处理固井水泥石，将预处理固井水泥石于避光条件下，自然养护9天，得固井水泥石。所述水泥为硅酸盐水泥。所述矿渣为S105级矿渣。所述分散剂为分散剂MF。所述填充料为玻化微珠。
实例3
将聚丙烯酰胺与水按质量比1：2混合于烧瓶中，将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为55℃，转速为360r/min的条件下，搅拌混合，得添加剂；将稻壳纤维移入炭化炉，以80mL/min的速率向炉内通入氮气，于氮气保护下，以0.7℃/min的升温速率升温至490℃，保温反应6h，得中空稻壳纤维，将中空稻壳纤维与异氰酸酯按质量比1：18混合于烧杯中，浸泡70min，过滤，得浸渍后的中空纤维，按重量份数计依次取25份浸渍后的中空纤维，30份尿素，100份质量分数为30%甲醛溶液，5份乙烯-顺丁烯二酸酐，4份氯化铵，6份间苯二酚和60份水，混合后于温度为60℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌反应5h，再经抽滤、干燥得改性纤维；按重量份数计，依次称取70份水泥，25份硅粉，30份水，15份添加剂，18份改性纤维，5份分散剂，5份戊二醛，15份矿渣和12份填充料，将水泥和水加入搅拌机中混合，并依次向搅拌机中加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，于转速为110r/min，温度为60℃的条件下，搅拌混合10min后，振捣20次，成型，得预处理固井水泥石，将预处理固井水泥石于避光条件下，自然养护9天，得固井水泥石。所述水泥为硅酸盐水泥。所述矿渣为S105级矿渣。所述分散剂为分散剂MF。所述填充料为玻化微珠。
实例4
将壳聚糖与水按质量比1：8混合于烧杯中，混合溶胀，得溶胀壳聚糖，将溶胀壳聚糖与壳聚糖酶按质量比15：1混合，于温度为37℃的条件下，酶解6h，得壳聚糖酶解液，将壳聚糖酶解液与水按质量比1：5混合于烧瓶中，将烧瓶移入数显测速恒温磁力搅拌器，于温度为55℃，转速为360r/min的条件下，搅拌混合，得添加剂；将稻壳纤维移入炭化炉，以80mL/min的速率向炉内通入氮气，于氮气保护下，以0.7℃/min的升温速率升温至490℃，保温反应6h，得中空稻壳纤维，将中空稻壳纤维与异氰酸酯按质量比1：18混合于烧杯中，浸泡70min，过滤，得浸渍后的中空纤维，按重量份数计依次取25份浸渍后的中空纤维，30份尿素，100份质量分数为30%甲醛溶液，5份乙烯-顺丁烯二酸酐，4份氯化铵，6份间苯二酚和60份水，混合后于温度为60℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌反应5h，再经抽滤、干燥得改性纤维；按重量份数计，依次称取70份水泥，25份硅粉，30份水，15份添加剂，18份改性纤维，5份分散剂，5份戊二醛，15份矿渣和12份填充料，将水泥和水加入搅拌机中混合，并依次向搅拌机中加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，于转速为110r/min，温度为60℃的条件下，搅拌混合10min后，振捣20次，成型，得预处理固井水泥石，将预处理固井水泥石于避光条件下，自然养护9天，得固井水泥石。所述水泥为硅酸盐水泥。所述矿渣为S105级矿渣。所述分散剂为分散剂MF。所述填充料为玻化微珠。
对比例：苏州某工程材料有限公司生产的固井水泥石。
将实例1至4所得的固井水泥石及对比例产品进行性能检测，具体检测方法如下：
1.力学性能：参照GB/T19139配制水泥浆，试样均在90℃，21MPa水浴条件下养护28d。水泥石抗压强度和抗拉强度用电子液压试验机测定；水泥石抗折强度用电动抗折试验机测定；
2.抗腐性能：根据油气藏井流物的腐蚀介质浓度（硫化氢质量浓度为71～188g/cm3；二氧化碳体积分数为0.87%～27.6%），分别将其最小的浓度放大5000倍，制备成腐蚀液。将按APISPEC10制备的水泥浆置于试模中，放置于高温高压养护釜中养护48h，取出脱模。再将已制备好并编号的水泥试块及腐蚀介质放入腐蚀器内，随时观察腐蚀器的压力、温度变化并及时调整，腐蚀30d，测定腐蚀试样的腐蚀深度；腐蚀深度越大，则抗腐性能越差。
力学性能具体检测结果见附图说明。
抗腐性能具体检测结果如表1所示：
表1
| 检测项目 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 实例4 | 对比例 |
| 腐蚀深度/mm | 1.1 | 1.3 | 2.1 | 1.9 | 3.8 |
由附图说明图1和表1检测结果可知，本发明技术方案制备的固井水泥石兼具优异的力学性能及抗腐性能的特点，在钻井材料行业的发展中具有广阔的前景。
Claims (5)
1. 一种固井水泥石，其特征在于：是由以下重量份数的原料组成：
水泥 50～70份
硅粉 20～25份
水 20～30份
添加剂 10～15份
改性纤维 12～18份
分散剂 2～5份
填充料 10～12份
戊二醛 3～5份
矿渣 10～15份
所述添加剂的制备方法为：
将壳聚糖与水按质量比1：5～1：8混合溶胀，得溶胀壳聚糖，将溶胀壳聚糖与壳聚糖酶按质量比10：1～15：1混合酶解，得壳聚糖酶解液，将壳聚糖酶解液与聚丙烯酰胺按质量比8：1～10：1混合，并加入壳聚糖酶解液质量3～5倍的水，得添加剂；
所述改性纤维的制备方法为：
将稻壳纤维移入炭化炉，于氮气保护下，以0.4～0.7℃/min的升温速率升温至460～490℃，保温反应4～6h炭化，得中空稻壳纤维；将中空稻壳纤维与异氰酸酯按质量比1：10～1：18混合于烧杯中，浸泡，过滤，得浸渍后的中空纤维；按重量份数计依次取15～25份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份质量分数为30%甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后，恒温搅拌反应，再经抽滤、干燥得改性纤维；
所述固井水泥石的制备方法为：
（1）按原料组成称量各原料；
（2）将水泥与水混合后，加入硅粉，添加剂，改性纤维，分散剂，戊二醛，矿渣和填充料，搅拌混合，振捣成型，经养护后，得固井水泥石。
2.根据权利要求1所述的一种固井水泥石，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥或铝酸盐水泥中任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种固井水泥石，其特征在于：所述矿渣为S105级矿渣或S95级矿渣中任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种固井水泥石，其特征在于：所述分散剂为分散剂MF或分散剂CF-40中任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种固井水泥石，其特征在于：所述填充料为玻化微珠或二氧化钛中任意一种。
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