一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂及其制备和应用

摘要

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100-130重量份的活性矿物和0.2-7.0重量份的硅烷偶联剂组成，所述活性矿物是矿渣、粉煤灰、水泥或者煤矸石，硅烷偶联剂为KH560和KH570；本发明还提供了所述自修复剂的制备和应用，本发明通过硅烷偶联剂，对活性矿物进行包覆，在活性矿物表面形成防水保护膜，使活性矿物的活性成为潜在的活性，在固井水泥浆体系中不参与水化反应，只有在其表面膜因固井水泥环损伤而发生破坏时，才开始水化反应，形成水化产物对水泥环损伤部位进行自动修复，对保证油气井的使用寿命和开采安全性意义重大。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井固井技术领域，特别涉及一种硅烷偶联剂包覆型自修 复剂及其制备和应用。

背景技术

油气井固井水泥环和建筑上的水泥基材料一样是一种易收缩的脆性材 料，再加上各种试井、测试、投产、生产作业和地层条件的影响，使套管和 水泥环受到温度、压力等各种因素大幅度变化的影响和井下各种酸性流体（如 二氧化碳、硫化氢等）的腐蚀，不可避免地会在水泥环内部产生微裂缝，在 固井水泥环与地层井壁的胶结界面产生微间隙，或使水泥环孔隙度增大，造 成油气井固井水泥环损伤。

油气井固井水泥环一旦发生损伤，就会对其封隔性能产生破坏，形成井 下地层流体的窜流通道，造成层间封隔失效和套管保护功能的失效，引起油 层套管损害、油气井含水升高、热采井窜气和地下油气水分布混乱、破坏油 气层、地下天然气和有毒气体泄露等一系列严重的开发问题。

解决油气井固井水泥环损伤问题的基本方法是采用成本昂贵的挤水泥大 修井修复方法和化学堵漏修复方法，但成功率低，许多损伤井的修复作业需 要进行2-3次，有的井在施工过程中就发生事故，修复后的油气井往往在很 短时间内又可能出现问题，需要重新修复。每年各油田投入的大修井资金达 数十亿元。

硅烷偶联剂，化学名称为3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，是一种 环氧官能团硅烷。硅烷偶联剂主要用途是：

1.用来改善有机材料和无机材料表面的粘接性能，如玻璃钢中的玻璃纤 维和塑料、橡胶、油漆、涂料中的硅质填料等材料的处理，还用于粘接剂中 以增加粘接性能，它所适应的树脂包括环氧、酚醛、三聚氰胺、聚硫化物聚 氨酯、聚苯烯等。

2.提高无机填料﹑底材和树脂的粘合力，从而提高复合材料的机械性能、 电气性能，并且在湿态下有较提高的保持率。

3.此产品作为无机填料表面处理剂，广泛应用于陶土、玻璃微珠、滑石 粉、硅灰石、白炭黑、石英、铝粉、铁粉。

由此可见，硅烷偶联剂没有在固井水泥浆体系中的应用，而在其它领域 应用中，多是强调其提高粘合力，未提及自修复功效。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅烷偶联剂包 覆型自修复剂及其制备和应用，将该自修复剂作为固井水泥浆体系的一种材料 加入固井液中，与油井水泥等材料一起凝固形成固井水泥环；正常情况下，自 修复剂不参与固井水泥浆的水化反应，而一旦固井水泥环发生损伤，自修复剂 能够激活自身活性，通过水化反应对损伤部位进行自动修复，从而避免或减少 昂贵的修井作业，保证油气井的耐久性和开采安全性；具有与固井水泥浆融合 性好，对固井水泥环损伤（微裂缝和微间隙）自修复效果好，制造成本低，不 污染环境的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100-130重量份的活性矿物和 0.2-7.0重量份的硅烷偶联剂组成。

所述活性矿物是矿渣、粉煤灰、水泥或者煤矸石。

所述水泥为普通水泥或者油井水泥。

所述的硅烷偶联剂为KH560（γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷）和 KH570（γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷）。

本发明还提供了制备所述硅烷偶联剂包覆型自修复剂的方法，包括如下 步骤：

步骤1.将活性矿物放入固体搅拌机中，保持搅拌器转速3000-10000转/ 分进行搅拌，过程中将所述硅烷偶联剂直接喷洒在活性矿物上并搅拌混合， 维持10-40min；

步骤2.将步骤1得到的混合物放入固体粉碎搅拌机中，保持转速 3000-10000转/分粉碎搅拌10-40min。

所述自修复剂可用于油气井固井水泥环的自修复，在配制固井水泥浆时， 将所述自修复剂按照油井水泥量的5-30%的比例加入固井水泥浆体系中，加 入方式是先将所述自修复剂与油井水泥进行预混合，然后通过水泥浆配制系 统配制成固井水泥浆，固井水泥浆注入封固井段后凝固形成固井水泥环。

本发明应用硅烷偶联剂，对活性矿物进行包覆，在活性矿物表面形成防水 保护膜，使活性矿物的活性成为潜在的活性，在固井水泥浆体系中不参与水化 反应。只有在其表面膜因固井水泥环损伤而发生破坏时，才开始水化反应，形 成水化产物对水泥环损伤部位进行自动修复。

与现有技术相比，本发明的自修复剂在固井水泥浆体系中能够提高水泥环 的增韧抗裂性能，更重要的是对水泥环的损伤能够起到自修复作用。本发明通 过硅烷偶联剂对活性矿物表面进行包覆处理，在活性矿物颗粒表面形成防水保 护层，使活性矿物由显性活性转变为潜在活性。硅烷偶联剂包覆型自修复剂加 入固井水泥浆体系后，能够在水泥环发生损伤时，启动水化反应，形成水化产 物修复损伤部位，实现固井水泥环的自动修复，对保证油气井的使用寿命和开 采安全性意义重大。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。

实施例一

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100重量份的矿渣和1.0重量份的 硅烷偶联剂KH560组成，矿渣的主要作用是构成自修复剂的潜在活性，一旦 表面包覆的防水层破坏，就能够与固井水泥环的氢氧化钙晶体和其他未水化 产物发生水化反应修复水泥环损伤部位。

该自修复剂的制备方法，包括如下步骤：

1.将矿渣放入固体搅拌机(高速固体搅拌机、V型固体搅拌机等)中，保 持搅拌器转速4000转/分搅拌，将硅烷偶联剂KH560直接喷洒在矿渣上并搅 拌混合30min。

2.将步骤1得到的混合物放入固体粉碎搅拌机中，保持转速40000转/ 分粉碎搅拌30min。

实施例二

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100重量份的矿渣和2.0重量份的 硅烷偶联剂KH560组成，矿渣的主要作用是构成自修复剂的潜在活性，一旦 表面包覆的防水层破坏，就能够与固井水泥环的氢氧化钙晶体和其他未水化 产物发生水化反应修复水泥环损伤部位。

该自修复剂的制备方法，包括如下步骤：

1.将矿渣放入固体搅拌机(高速固体搅拌机、V型固体搅拌机等)中，保 持搅拌器转速4000转/分搅拌，将硅烷偶联剂KH560直接喷洒在矿渣上并搅 拌混合30min。

2.将步骤1得到的混合物放入固体粉碎搅拌机中，保持转速40000转/ 分粉碎搅拌30min。

实施例三

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100重量份的矿渣和3.0重量份的 硅烷偶联剂KH570组成，矿渣的主要作用是构成自修复剂的潜在活性，一旦 表面包覆的防水层破坏，就能够与固井水泥环的氢氧化钙晶体和其他未水化 产物发生水化反应修复水泥环损伤部位。

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂的制备方法，包括如下步骤：

1.将矿渣放入固体搅拌机(高速固体搅拌机、V型固体搅拌机等)中，保 持搅拌器转速4000转/分搅拌，将硅烷偶联剂KH570直接喷洒在矿渣上并搅 拌混合30min。

2.将步骤1得到的混合物放入固体粉碎搅拌机中，保持转速40000转/ 分粉碎搅拌30min。

实施例四

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100重量份的矿渣和6.0重量份的 硅烷偶联剂KH570组成，矿渣的主要作用是构成自修复剂的潜在活性，一旦 表面包覆的防水层破坏，就能够与固井水泥环的氢氧化钙晶体和其他未水化 产物发生水化反应修复水泥环损伤部位。

该自修复剂的制备方法，包括如下步骤：

1.将矿渣放入固体搅拌机(高速固体搅拌机、V型固体搅拌机等)中，保 持搅拌器转速4000转/分搅拌，将硅烷偶联剂KH570直接喷洒在矿渣上并搅 拌混合30min。

2.将步骤1得到的混合物放入固体粉碎搅拌机中，保持转速40000转/ 分粉碎搅拌30min。

实施例五

一种硅烷偶联剂包覆型自修复剂，由100重量份的G级油井水泥和2.0 重量份的硅烷偶联剂KH560组成，G级油井水泥的主要作用是构成自修复剂 的潜在活性，一旦表面包覆的防水层破坏，就能够与固井水泥环的氢氧化钙 晶体和其他未水化产物发生水化反应修复水泥环损伤部位。

该自修复剂的制备方法，包括如下步骤：

1.将G级油井水泥放入固体搅拌机(高速固体搅拌机、V型固体搅拌机等) 中，保持搅拌器转速4000转/分搅拌，将硅烷偶联剂KH560直接喷洒在G级 油井水泥上并搅拌混合30min。

2.将步骤1得到的混合物放入固体粉碎搅拌机中，保持转速40000转/ 分粉碎搅拌30min。

以上几个实施例中的自修复剂可用于油气井固井水泥环的自修复，主要 用于修复因油气井固井水泥环损伤而形成的微裂缝和微间隙，保证固井水泥 环封固的有效性和耐久性。使用的具体方法是：在配制固井水泥浆时，在原 有配方的基础上将所述自修复剂按照油井水泥加量的5-30%的比例加入固井 水泥浆体系中。加入方式是先将所述的自修复剂与油井水泥进行预混合，然 后通过水泥浆配制系统配制成固井水泥浆。固井水泥浆被注入封固井段后， 自修复剂与油井水泥和固井添加剂等材料一起凝固形成固井水泥环。