一种用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂

摘要

本发明公开了一种用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂，通过以下步骤制备：(1)将椰碳纤维与二氯甲烷均匀混合，加入无水乙醇，经高速分散再抽滤烘干；(2)将预处理后的椰碳纤维加入去离子水中，通过超声波振荡搅拌分散，加入十二烷基苯磺酸钠做为乳化剂，缓慢滴加甲基丙烯酸甲酯和引发剂过硫酸钾，通入氮气保护，升温至85℃，恒温反应8h后冷却，陈化2～3h，将产物离心沉淀、过滤、洗涤后，抽滤并减压干燥；(3)将乳液聚合改性的椰碳纤维置于喷雾干燥设备中，干燥温度为100～200℃，处理30min。本发明保持了椰碳纤维的原有性能，并能很好地与水泥材料相结合，在一定程度上改变了水泥石的脆性结构，能够改善固井水泥石的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发中用于油气井固井的一种增韧剂，此增韧剂能够改善固 井水泥石的力学性能。

背景技术

固井作业后水泥浆凝固形成固井水泥石，要求水泥石能对地层进行有效的层间封隔，并 为套管提供保护和支撑，这对后续钻井和油气开采至关重要。由于水泥石是脆性材料，受射 孔、压裂、开采等后续作业和地下岩层复杂作用力的影响，易产生微裂缝和微环隙，导致油 气井层间封隔失效，不利于油气开采及增产。国内外研究表明，纤维可改善固井水泥石的力 学性能，此类纤维主要包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、碳纤维及各种有机纤维等，纤维的缺点 主要是在水泥浆中分散性差、成本高。

椰碳纤维是一种新型环保功能纤维，是将椰子外壳的纤维质加热到1600℃，生成活性炭， 再与聚酯混合并添加其他化学物质制成椰碳母粒，并以聚酯为载体稀释，抽成椰碳长纤及短 纤。椰碳纤维巨大的比表面积是竹炭纤维的4-6倍，有更高的吸附性、耐湿性、耐热性和韧 性。椰碳纤维的成本较低，如能够用于改善固井水泥环力学性能，将极大降低固井成本。但 要将椰碳纤维用于改善固井水泥环力学性能，就必须对椰碳纤维进行表面改性，使其在水泥 浆中具有良好的分散性。

由于椰碳纤维表面光滑、易团聚和搭桥、与基体的润湿性较差，在复合材料中会促成应 力集中，造成复合材料的低性能。因此，必须对椰碳纤维的表面进行改性。乳液聚合是借助 乳化剂的作用，在机械搅拌或振荡下，单体在水中形成乳液而进行的聚合。乳液聚合可以在 较高的反应速度下，获得较高分子量的聚合物，物料的粘度低，易于传热和混合，生产容易 控制，残留单体容易除去。采用乳液聚合法来改性椰碳纤维，在椰炭纤维表面包裹聚合物膜， 可达到改性椰碳纤维的目的。改性后的椰碳纤维保持了椰碳纤维的原有性能，并且能够很好 地与固井水泥石相结合，不影响水泥石原有的工程性能，并可改善固井水泥石力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂，该增韧剂 保持了椰碳纤维的原有性能，并且能够很好地与水泥材料相结合，不影响水泥石原有的工程 性能，并在一定程度上改变了水泥石的脆性结构，能够改善固井水泥石力学性能。

为达到上述技术目的，本发明提供以下技术方案：

一种用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂，通过以下步骤制备：

(1)椰碳纤维预处理

为增加椰碳纤维与水泥石基体的亲和性，减少表面基团的影响，将椰碳纤维与二氯甲烷 按照1：1.5～2的质量比均匀混合，加入无水乙醇，经高速分散后再抽滤，105℃烘干4h；

(2)椰碳纤维的乳液聚合改性

纤维分散：将5～15g预处理后的椰碳纤维加入到100～200mL去离子水中，通过超声波振 荡搅拌分散10～30min，装入带有搅拌器、氮气导管、回流冷凝管及温度计的500mL四口烧 瓶中。

乳液聚合：将0.01～0.05g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)做为乳化剂溶于50mL去离子水中， 引入四口烧瓶并充分搅拌，缓慢滴加2g甲基丙烯酸甲酯(MMA)，同时缓慢加入引发剂过 硫酸钾(KPS)，通入氮气保护10～30min，并升温至85℃，恒温反应8h后冷却至室温，此 时在椰碳纤维表面包覆聚甲基丙烯酸甲酯，聚合物分子量为10～11万。

纤维处理：反应完毕后陈化2～3h，将所得产物离心沉淀、过滤、无水乙醇洗涤后，抽滤 并60℃减压干燥8～10h，得到乳液聚合改性的椰碳纤维；

(3)喷雾干燥

将乳液聚合改性的椰碳纤维置于喷雾干燥设备中，干燥温度设为100～200℃，处理30min 后取出，即得用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂。

以上所述物质均为市售。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)该增韧剂通过乳液聚合后，保存了椰碳纤维原有的性能结构，具有良好的力学性能、 吸附性、耐湿性、耐热性和韧性，上述性能均能在固井水泥石中发挥作用；

(2)乳液聚合改性，改变了椰碳纤维的表面性质，显著改善了椰碳纤维与固井水泥石的 结合；

(3)该增韧剂能够最大程度上发挥椰碳纤维的增韧作用，有效改善固井水泥石的力学性 能。与未加入该增韧剂的水泥石相比较，加入增韧剂的水泥石的抗压强度变化很小，抗拉强 度提高约60％以上，杨氏模量降低30％以上，水泥石的力学性能显著改善，韧性得到极大提 高。

具体实施方式

以下通过椰碳纤维增韧剂及性能测试的各实施例进一步说明本发明。

实施例1

制备用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂相关参数如下：

纤维预处理：将椰碳纤维与二氯甲烷按照1：1.5的质量比均匀混合，加入无水乙醇，经 高速分散后再抽滤，105℃烘干4h。

纤维处理：5g椰碳纤维加入到100mL去离子水中，超声波分散10min。

乳液聚合条件：通入氮气，0.01gSDBS，搅拌10min，缓慢滴加单体2gMMA，水温升 温至85℃，缓慢滴加单体质量1％的引发剂KPS，恒温反应8h后冷却至室温。

干燥条件：减压干燥60℃，8h。

喷雾干燥：100℃，30min。

制备使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥浆(以下均为重量份)：称取油井水泥100份， 羧甲基纤维素钠2份，木质素磺酸盐0.5份，微硅粉5份，所称干粉混合均匀；称取水60份， 将磷酸三丁酯0.1份和增韧剂1～10份溶于水中。将含有增韧剂的水溶液与混合均匀的干粉在 容器中预混合，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物， 盖上搅拌器的盖子，高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得使用了椰碳纤维增韧剂 的固井水泥浆。

按照API规范测试固井水泥浆的工程性能和水泥石的力学性能。稠化时间的测试条件： 90℃×50MPa(升温时间50min)。水泥石养护条件：90℃×21MPa×7d。

该水泥浆与水泥石性能情况见表1和表2。

表1实施例1制备的使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥浆工程性能(90℃)

表2实施例1制备的使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥石力学性能

(水泥石养护条件：90℃×21MPa×7d)

实施例2

制备用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂相关参数如下：

纤维预处理：将椰碳纤维与二氯甲烷按照1：1.7的质量比均匀混合，加入无水乙醇，经 高速分散后再抽滤，105℃烘干4h。

纤维处理：10g椰碳纤维加入到150mL去离子水中，超声波分散20min。

乳液聚合条件：通入氮气，0.03gSDBS，搅拌20min，缓慢滴加单体2gMMA，水温升 温至85℃，缓慢滴加单体质量1％的引发剂KPS，恒温反应8h后冷却至室温。

干燥条件：减压干燥60℃，9h。

喷雾干燥：150℃，30min。

制备使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥浆(以下均为重量份)：称取油井水泥100份， 羧甲基纤维素钠2份，木质素磺酸盐0.5份，微硅粉5份，所称干粉混合均匀；称取水60份， 将磷酸三丁酯0.1份和增韧剂1～10份溶于水中。将含有增韧剂的水溶液与混合均匀的干粉在 容器中预混合，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物， 盖上搅拌器的盖子，高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得使用了椰碳纤维增韧剂 的固井水泥浆。

按照API规范测试固井水泥浆的工程性能和水泥石的力学性能。稠化时间的测试条件： 90℃×50MPa(升温时间50min)。水泥石养护条件：90℃×21MPa×7d。

该水泥浆与水泥石性能情况见表3和表4。

表3实施例2制备的使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥浆工程性能

表4实施例2制备的使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥石力学性能

(水泥石养护条件：90℃×21MPa×7d)

实施例3

制备用于改善固井水泥石力学性能的椰碳纤维增韧剂相关参数如下：

纤维预处理：将椰碳纤维与二氯甲烷按照1：2的质量比均匀混合，加入无水乙醇，经高 速分散后再抽滤，105℃烘干4h。

纤维处理：15g椰炭纤维加入到200mL去离子水中，超声波分散30min。

乳液聚合条件：通入氮气，0.05gSDBS，搅拌30min，缓慢滴加单体2gMMA，水温升 温至85℃，缓慢滴加单体质量1％的引发剂KPS，恒温反应8h后冷却至室温。

干燥条件：减压干燥60℃，10h。

喷雾干燥：200℃，30min。

制备使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥浆(以下均为重量份)：称取油井水泥100份， 羧甲基纤维素钠2份，木质素磺酸盐0.5份，微硅粉5份，所称干粉混合均匀；称取水60份， 将磷酸三丁酯0.1份和增韧剂1～10份溶于水中。将含有增韧剂的水溶液与混合均匀的干粉在 容器中预混合，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物， 盖上搅拌器的盖子，高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得使用了椰碳纤维增韧剂 的固井水泥浆。

按照API规范测试固井水泥浆的工程性能和水泥石的力学性能。稠化时间的测试条件： 90℃×50MPa(升温时间50min)。水泥石养护条件：90℃×21MPa×7d。

该水泥浆与水泥石性能情况见表5和表6。

表5实施例3制备的使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥浆工程性能

表6实施例3制备的使用了椰碳纤维增韧剂的固井水泥石力学性能

(水泥石养护条件：90℃×21MPa×7d)