改性天然纤维素纤维及其制备方法和抗水侵固井水泥浆

摘要

本发明公开一种改性天然纤维素纤维及其制备方法和抗水侵固井水泥浆。天然纤维素纤维改性方法，包括：采用氢氧化钠溶液预处理天然纤维素纤维，结合行星球磨机配套立式刚玉氧化铝球磨罐，球磨预处理后的天然纤维素纤维，按照质量百分比，包括高抗硫酸盐G级油井水泥和外掺料总质量100份、降失水剂1.0～5.0份、分散剂0.2～2.0份、缓凝剂0～1.0份、改性纤维素纤维0.1～0.5份、消泡剂0.05～0.1份和水40～50份。该固井水泥浆体系具有清洁环保、低成本、水中不分散、抗水侵能力好、早期抗压强度高及稠化时间可调等优势。

说明书

技术领域

本发明属于油气井固井材料领域，具体涉一种改性天然纤维素纤维及其制备方法和抗水侵固井水泥浆，此方法获得的改性天然纤维素纤维在水泥浆中具有强亲水、高分散、对水泥浆流动性能影响小，且能明显提高固井水泥浆抗水侵和早期力学性能的特征。

背景技术

我国老油田已陆续进入开发中后期，因长期的注水开发，使老油田面临着地层压力系统紊乱、地层含水率高、原油采收率低等突出难题。为了稳定老油田产量，目前常见且有效的方式是在老油田新钻加密调整井优化老油田的注采方式。然而，在调整井固井工程中，因压力系统紊乱、地层含水率高等地质特点和固井水泥浆凝固过程的失重行为，易导致地层水侵入环空水泥浆中，进而恶化水泥浆性能，降低水泥浆与地层岩石间的第二界面胶结质量。因此，近年来业界学者围绕如何提高调整井固井水泥浆体系抗水侵性能开展大量研究。

例如，张兴国等通过水流冲刷水泥浆并测试水流电导率的方法，建立了固井水泥浆抗水侵能力的定量评价方法(张兴国,王金山,王金星,等.固井水泥浆在候凝过程中抗水侵能力的评价装置及方法[P].CN107167499A,2017)；卢海川等通过混配海泡石等无机材料、苯乙烯磺酸-马来酸酐等共聚物的方式制备了固井用防水窜材料(卢海川,刘勇,张维滨等.一种固井用防水窜材料及其制备方法[P].CN106701048A,2017)；刘景丽等通过利用N,N二甲基丙烯酰胺单体、丙烯酰胺单体、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和丙烯酸单体制备抗水侵调节剂，并以此剂制备了一种耐温型抗水侵凝胶水泥浆体系(刘景丽,李立昌,任强.耐温型抗水侵凝胶水泥浆[P].CN107352862A,2017)；王建瑶等用自由基聚合方式合成了一种油井水泥抗分散絮凝剂，能满足水泥浆在80℃受水冲刷作用下不离析、不分散(王建瑶,曾建国,孙富全,等.一种油井水泥用抗分散絮凝剂[J].钻井液与完井液,2018,35(2):90-93)；李成等以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、马来酸酐和丙烯酸十八酯为单体合成了一种固井水泥浆用水溶性疏水缔合聚合物，将其能显著提高固井水泥浆的抗水侵能力(李成,张谦,刘欢.动态压力固井用疏水缔合聚合物防窜剂的合成与性能[J].合成化学,2020,28(8):722-727.)。对比分析上述研究成果可知，在固井水泥浆中，抗分散絮凝剂和疏水缔合聚合物通过吸附于水泥颗粒表面，使水泥浆形成絮凝结构，进而提高水泥浆的抗水侵能力，但是这些聚合物的引入会减缓固井水泥的水化速率、进而导致其早期力学性能降低；同时这些材料的合成工艺较为复杂，一定程度上也会增加固井水泥浆的成本。因此，亟需研发一种既可增强固井水泥浆抗水侵能力又能提高其早期力学性能的低成本抗水侵处理剂，以提升老油田调整井固井第二界面胶结质量，保障水泥环层间封隔质量和油田开发效益。

天然纤维素纤维普遍存在于各类植物中，具有可再生、清洁、低成本等优势，并且其分子结构中含大量羟基，通过多价金属离子桥接、氢键等方式能使纤维素纤维与水泥颗粒产生吸附作用；同时，纤维在水泥浆中的物理架桥作用，可促使水泥浆形成絮凝结构，具有提升固井水泥浆的抗水侵能力的巨大潜力。但天然纤维素纤维因其长度和直径较大，在水泥浆中容易团聚、不易分散。因此，本发明建立一种适用于固井水泥浆的天然纤维素纤维改性方法，并基于改性后的纤维素纤维制备了水中不分散、抗水侵性能强及力学性能好的抗水侵水泥浆体系。

发明内容

本发明的目的在于通过一种改性方法来制备出适用于油气井固井水泥浆的改性天然纤维素纤维，并以此剂制备出具有良好抗水侵能力和早期力学性能的抗水侵固井水泥浆体系。

改性天然纤维素纤维的制备方法，按以下步骤进行：

(1)配制0.1mol/L的氢氧化钠溶液，并将该溶液加热至60℃后，取一部分未处理的天然纤维素纤维加入该氢氧化钠溶液中，溶液与天然纤维素纤维的质量比为20:1。利用沈阳航空航天大学应用技术研究所制造的恒速搅拌器，在4000r/分钟的转速下搅拌5分钟；利用循环水式多用真空泵配套快速型滤纸，过滤搅拌后的天然纤维素纤维，并利用蒸馏水浸泡、真空抽滤两次，获得预处理后的天然纤维素纤维；

(2)取预处理后的天然纤维素纤维置于烧杯中，加入一定量的蒸馏水，蒸馏水与预处理后的天然纤维素纤维的质量比为20:1，用玻璃棒搅拌，使预处理后的天然纤维素纤维完全分散于蒸馏水中；

(3)将含天然纤维素纤维的蒸馏水倒入立式刚玉氧化铝球磨罐，并将刚玉磨球放入球磨罐中，在设定转速下球磨预处理后的天然纤维素纤维至设定时间，根据所需纤维素纤维的尺寸可调整行星球磨机转速和球磨时间；

(4)将球磨后的天然纤维素纤维倒出，分离磨球和天然纤维素纤维溶液，并利用环水式多用真空泵过滤配套中速型滤纸，过滤球磨后的天然纤维素纤维，并收集过滤后的天然纤维素纤维，即获得改性天然纤维素纤维。

利用上述得到的改性天然纤维素纤维，制备一种抗水侵固井水泥浆，包括以下重量份的组分：高抗硫酸盐G级油井水泥和外掺料总质量100份、降失水剂1.0～5.0份、分散剂0.2～2.0份、缓凝剂0～1.0份、改性纤维素纤维0.1～0.5份、消泡剂0.05～0.1份和水40～50份。

进一步，所述外掺料为矿渣、粉煤灰、微硅、石英砂、硅粉、玻璃微珠的一种或任意两种的混合物。

进一步，所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸共聚物，购置于卫辉市化工有限公司；

进一步，所述分散剂为丙酮-甲醛缩聚物，购置卫辉市化工有限公司；

进一步，所述缓凝剂为多羟基羧酸和磺酸盐的共混物；

进一步，所述消泡剂为磷酸三丁酯，购置成都市科隆化学品有限公司；

抗水侵固井水泥浆的制备方法如下：

称取100重量份高抗硫酸盐G级油井水泥和外掺料、1.0～5.0重量份降失水剂、0.2～2.0重量份分散剂、0～1.0重量份缓凝剂、0.1～0.5重量份改性纤维素纤维，将上述固体粉料干混为干混料；

再称取0.05～0.1重量份消泡剂混入40～50重量份水中，将水溶液倒入恒速搅拌器(沈阳航空航天大学应用技术研究所提供)，在4000±200r/min的转速下搅拌，在15秒内将干混料倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min持续搅拌35秒，即获得抗水侵水泥浆体系。

本发明提供的技术方案是从油井水泥浆角度出发，为提升高含水地层固井水泥浆体系的抗水侵能力，通过改性天然可再生纤维素纤维，研发出一种抗水侵固井水泥浆，具有绿色环保、低成本、水中不分散、抗水侵能力强、力学性能优良、可根据施工要求调整水泥浆稠化时间等优势。

附图说明

图1对照组水泥浆体系水中分散状态；

图2实施例1含1.2g改性纤维素纤维水泥浆体系的水中分散状态；

图3实施例2含1.2g改性纤维素纤维水泥浆体系的水中分散状态。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

对照组

水泥浆体系：高抗硫酸盐G级油井水泥540g+微硅60g+降失水剂12g+分散剂3g+消泡剂0.5g+水264g。

表1对照组水泥浆体系性能测试结果

图1为该对照组水泥浆体系水中分散状态。

在常温下，利用注射器取5mL新配对照组水泥浆注入含150mL清水的烧杯中，水泥浆在烧杯水中分散，使用烧杯中清水变得浑浊。

实施例1

天然纤维素纤维的改性：

配置800ml浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液，加热至60℃，再称量40g天然纤维素纤维置于该氢氧化钠溶液中，利用恒速搅拌器4000r/min的转速下搅拌5分钟；利用环水式多用真空泵配套快速型滤纸，过滤氢氧化钠溶液；再利用蒸馏水浸泡、清洗天然纤维素纤维两次后，将预处理后的天然纤维素纤维置于蒸馏水中(蒸馏水和天然纤维素纤维的质量比为20:1)。然后，利用行星球磨机配套立式刚玉球磨罐，在300r/min转速下球磨预处理后的天然纤维素纤维溶液60分钟；再利用环水式多用真空泵配套中速型滤纸，过滤球磨后的天然纤维素纤维，即获得改性天然纤维素纤维。

抗水侵水泥浆体系1：

高抗硫酸盐G级油井水泥540g+微硅60g+降失水剂12g+分散剂3g+表2中质量的改性天然纤维素纤维+消泡剂0.5g+水264g。

表2实施例1中抗水侵水泥浆体系1性能测试结果

图2为实施例2含1.2g改性纤维素纤维水泥浆体系的水中分散状态。

在常温下，利用注射器取5mL新配抗水侵水泥浆体系1(含1.2g改性天然纤维素纤维)注入含150mL清水的烧杯中，该抗水侵水泥浆体系1(含1.2g改性天然纤维素纤维)在水中无明显分散现象，烧杯中清水透明。

实施例2

天然纤维素纤维的改性：

配置800ml浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液，加热至60℃，再称量40g天然纤维素纤维置于该氢氧化钠溶液中，利用恒速搅拌器4000r/min的转速下搅拌5分钟；利用环水式多用真空泵配套快速型滤纸，过滤氢氧化钠溶液；再利用蒸馏水浸泡、清洗天然纤维素纤维两次后，将预处理后的天然纤维素纤维置于蒸馏水中(蒸馏水和天然纤维素纤维的质量比为20:1)。然后，利用行星球磨机配套立式刚玉球磨罐，在400r/min转速下球磨预处理后的天然纤维素纤维溶液60分钟；再利用环水式多用真空泵配套中速型滤纸，过滤球磨后的天然纤维素纤维，即获得改性天然纤维素纤维。

抗水侵水泥浆体系2：

高抗硫酸盐G级油井水泥540g+微硅60g+降失水剂12g+分散剂3g+表3中质量的改性天然纤维素纤维+消泡剂0.5g+水264g。

表3实施例2中抗水侵水泥浆体系2性能测试结果

图3为实施例2含1.2g改性纤维素纤维水泥浆体系的水中分散状态。

在常温下，利用注射器取5mL新配抗水侵水泥浆体系2(含1.2g改性天然纤维素纤维)注入含150mL清水的烧杯中，该抗水侵水泥浆体系2(含1.2g改性天然纤维素纤维)在水中无明显分散现象，烧杯中清水透明。由此证明，天然纤维素纤维通过球磨改性后能较好的抑制水泥浆在水中分散的现象，且利用改性天然纤维素纤维能提高固井水泥浆的抗水侵能力。

实施例3

抗水侵水泥浆体系3：为验证缓凝剂对该抗水侵水泥浆体系的效果，实施了以下实验。

高抗硫酸盐G级油井水泥540g+微硅60g+降失水剂12g+分散剂3g+改性天然纤维素纤维1.2g(300r/min)+表4中质量的缓凝剂+消泡剂0.5g+水264g。

表4实施例3中抗水侵水泥浆体系3性能测试结果

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。