[發明專利]一種適用于煤層氣的彈韌性固井水泥漿及其制備方法

在審

• 申請號: 202011404874.5
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112500042A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 孫晗森;馬騰飛;程璐;李丹瓊;印薇薇;侯巖波;王德桂;楊剛;王成文
• 申請（專利權）人: 中聯煤層氣有限責任公司;中國石油大學（華東）
• 主分類號: C04B28/00
• 分類號: C04B28/00;C09K8/467
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 張雪嬌

本發明提供了一種適用于煤層氣的彈韌性固井水泥漿，包括：油井水泥100重量份；水溶性樹脂12～15重量份；纖維0.8～4重量份；納米顆粒7～9重量份；水35～48重量份。與現有技術相比，本發明利用納米顆粒調控水泥漿水化反應；同時填充水泥石中的微孔隙，提高水泥石致密性，優化強度；同時加入纖維不僅可在裂縫中起到架橋作用，還可在水泥石中形成致密網狀結構，吸收外力沖擊，提高水泥的抗拉強度；再者加入水溶性樹脂作為膠結材料可提高封堵材料之間及封堵材料與裂縫表面的膠結，進一步提高封堵結構的穩定性，并且由于樹脂材料具有較好的彈韌性，可提高水泥漿的彈韌性。

技術領域

本發明屬于煤層氣開采技術領域，尤其涉及一種適用于煤層氣的彈韌性固井水泥漿及其制備方法。

背景技術

現有煤層氣開采過程中，因為煤層區塊多，煤層之間的間隔小，必須采用射孔的方式注入水泥漿。在射孔過程中，射孔彈會在引爆的瞬間產生高速聚能射流作用到套管、水泥環、圍巖的封隔結構上，對水泥環造成一定的損傷。特別是，套管、水泥環、地層巖石具有不同的彈韌性及強度，在受到外力沖擊的情況下，易發生不同的形變導致水泥環本體破壞以及第一界面(套-水泥環界面)、第二界面(水泥環-圍巖界面)的膠結脫離、微環隙等。

為了保證水泥環及固井界面在射孔過程中的完整性，需提高水泥石的彈韌性和強度。通常，通過在水泥漿中摻入橡膠、樹脂、納米材料、纖維、膠乳、高分子聚合物等材料對水泥漿進行彈韌性改造。如Soltanian等人利用羧基化單體的改性三元共聚物橡膠來提高水泥石彈韌性，增加了水泥石彈性(降低楊氏模量，增加泊松比)，但由于改變了水泥石內部結構，導致其強度降低；Wang等人利用改性多壁碳納米管來提高水泥石韌性，研究表明，少量的改性多壁碳納米管加入即可使水泥漿斷裂能提高5倍，且水泥石致密性提高，表現出較好的水泥石強度發展，但是改性多壁碳納米管成本較高，在當前工程現狀下無法大面積推廣；呂斌等利用經過表面修飾和接枝改性的超細氧化金屬或氧化硅顆粒為主要增強劑，配合相關性能調控劑，制備了早強韌性水泥漿體系，稠化時間可調、過渡時間短，彈性模量小于6.6GPa；吳雪平等人利用膠乳體系及膠乳穩定劑，配合增強增韌劑及纖維材料，大大提高了水泥石抗沖擊性能，降低了彈性模量；程小偉等在專利CN101857800A“一種固井用堵漏水泥漿及其制備方法”提出，采用麻纖維材料，利用纖維表面化學基團的變化導致表面能的改變及化學鍵合作用的增強，以及表面粗糙度的增加引起機械鎖結作用增強，增進界面的致密性，加強界面粘結強度，提高堵漏性能和水泥石韌性；范佳晨等在專利CN104946219A“一種低密度高強水泥漿”中提出，液體二氧化硅與中空玻璃微珠為減輕劑，同時采用纖維材料架橋，在有效降低密度的前提下，保證水泥石強度和較好的流變性。

采用橡膠材料、膠乳材料、纖維材料及納米材料等，雖然均可以在一定程度上改性水泥石內部結構，改性其力學性能，在一定程度上解決水泥石在射孔沖擊作用下易破壞變形的問題，但仍存在以下幾點不足：(1)橡膠材料可改善力學性能，但其耐溫性差，在高溫條件下體系易發生變形，失去原有特性，甚至影響水泥石本身強度，并且橡膠材料本身也有可能改變水泥石內部應力分布，對其強度產生一定的、難以控制的影響；(2)利用膠乳材料可改善微觀結構，提高水泥力學特性，但膠乳材料含有較大量的親油基團，易對水泥水化產生影響，因此在采用膠乳材料時需嚴格控制相關加量，并且膠乳可能對環境產生一定程度的影響；(3)納米材料可以起到填充水泥石孔隙、參與水化反應等作用，改善水泥石微觀結構，但目前對其調控規律研究尚不充分，無法有效指導納米材料優選，并且，部分納米材料成本較高，不適合在工程應用中大面積推廣；(4)纖維材料等具有較高的力學性能改性作用，但往往需要進行合理的表面改性，并且纖維材料對水泥石彈性模量的改性能力有限，無法有效改善水泥石彈性模量。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種高強度的適用于煤層氣的彈韌性固井水泥漿及其制備方法。

本發明提供了一種適用于煤層氣的彈韌性固井水泥漿，包括：

優選的，所述纖維的長度為2～8mm；所述納米顆粒的粒徑為50～200nm。