一种纳米复合增韧的油井水泥及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米复合增韧的油井水泥及其制备方法和应用，所述的纳米复合增韧的油井水泥，其特征在于，原材料包括以下重量份物质：水泥100份、自组装碳纳米管/纳米碳黑0.5‑5份、分散剂0.1‑1.0份、缓凝剂0.2‑0.9份、降失水剂0‑2份、消泡剂0‑0.5份和水40‑60份。所述自组装碳纳米管/纳米碳黑由静电自组装工艺制备而成，呈现葡萄串型结构。本发明专利技术可在低自组装碳纳米管/纳米碳黑掺量下，采用传统工艺制备得到稳定性好、无沉降现象、流变性好、稠化时间可调且失水量小的油井水泥浆，硬化后的油井水泥石具有低弹性模量、高极限抗压强度的优异特性，可解决非常规复杂荷载环境下油井水泥环易于开裂的问题，保障固井长期封固完整性，延长油气井寿命，提高采收率。

A kind of nano-composite toughened oil well cement and its preparation method and Application

The invention discloses a nano-composite toughened oil well cement and its preparation method and application. The nano-composite toughened oil well cement is characterized by the following raw materials: 100 portions of cement, 0.5 portions of self-assembled carbon nanotubes/nano carbon black, 0.1 1.0 portions of dispersant, 0.2 0.9 portions of retarder, 0 2 portions of water loss reducer, 0 0.5 portions of defoamer and 40 portions of water. Sixty copies. The self-assembled carbon nanotubes/nano-carbon black is prepared by an electrostatic self-assembly process and presents a grape string structure. The oil well cement slurry with good stability, no sedimentation, good rheology, adjustable thickening time and low water loss can be prepared by traditional process with low self-assembled carbon nanotubes/nano-carbon black content. The hardened oil well cement stone has the advantages of low elastic modulus and high ultimate compressive strength, and can solve the problem of easy opening oil well cement ring under unconventional complex load environment. The problem of fracture ensures long-term cementing integrity, prolongs the life of oil and gas wells and improves recovery.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米复合增韧的油井水泥及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种纳米复合增韧的油井水泥及其制备方法和应用，属于低脆、高韧、高强油井水泥材料制备以及石油天然气勘探开发领域。
技术介绍
油井水泥石在井下需承受温度、压力、钻进、注采等复杂环境条件，易产生裂缝与环隙，破坏水泥石完整性，并严重影响油气井产能、生产寿命和安全。在严苛的非常规油气开采环境下，固井水泥应具有较高强度和较低弹性模量，这将有利于保证其在生命周期内抵抗各种复杂环境荷载而不致破坏。目前已有研究中采用的油井水泥增韧材料主要包括纤维类材料、有机胶乳类材料、颗粒类材料及纳米材料。1)常用的有机纤维、玻璃纤维及碳纤维类增韧材料，在油井水泥浆中容易产生团聚，影响了纤维的增韧效果；2)有机胶乳在油井水泥浆中分散不稳定，易聚集增稠，在硬化油井水泥石中形成孔洞、空隙等薄弱区域，降低硬化水泥石的强度和耐久性；3)颗粒类材料中的无机颗粒，如膨润土、硅灰、微珠和活性矿渣等，对油井水泥的韧性改善效果非常有限；而颗粒类材料中的有机颗粒，如橡胶粉和有机玻璃珠等，与油井水泥浆的相容性较差，对油井水泥石的强度和耐久性产生不利影响；4)纳米材料在油井水泥中易团聚，且比表面积较大导致浆体需水量过高，这需要开发新的配套分散剂。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种纳米复合增韧的油井水泥及其制备方法和应用，其将静电自组装碳纳米管/纳米碳黑用于油井水泥增韧增强改性，可解决常规纳米增韧材料在油井水泥中的分散问题，克服有机胶乳类增韧材料在硬化水泥石中产生的薄弱区域，解决传统纤维类增韧材料的团聚问题，采用传统工艺制备得到的油井水泥浆稳定性好，无沉降现象，流变性好，稠化时间可调，失水量小，且具有低弹性模量、高极限抗压强度的优异特性，可解决非常规复杂荷载环境下油井水泥环易于开裂的问题，保障固井长期封固完整性，延长油气井寿命，提高采收率。本专利技术采用的技术手段如下：一种纳米复合增韧的油井水泥，原材料包括以下重量份物质：水泥100份、自组装碳纳米管/纳米碳黑0.5-5份、分散剂0.1-1.0份、缓凝剂0.2-0.9份、降失水剂0-2份、消泡剂0-0.5份和水40-60份。所述自组装碳纳米管/纳米碳黑由静电自组装工艺制备而成，呈现葡萄串型结构，其中碳纳米管与纳米碳黑的重量比为40：60，比表面积为65-75m2/g，密度为2.0g/cm3，碳纳米管的外径大于50nm，碳纳米管的长度为10-20μm，碳纳米管的比表面积大于40m2/g，纳米碳黑的粒径为23nm，纳米碳黑的比表面积为23m2/g。所述分散剂为萘系分散剂。所述缓凝剂为有机磷酸盐类缓凝剂。所述降失水剂为聚乙烯醇类或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述水泥为G级油井水泥。本专利技术还公开了一种制备上述所述的纳米复合增韧的油井水泥的方法，具有如下步骤：搅拌流程：将水泥、自组装碳纳米管/纳米碳黑、分散剂、缓凝剂及降失水剂混合，得到水泥混合物，将水倒入搅拌杯中，以4000±200r/min搅拌15s，将水泥混合物在15s内倒入水中，加入消泡剂之后以12000±500r/min搅拌35s；养护制度：80℃蒸压釜中常压养护7天。本专利技术还公开了上述所述的纳米复合增韧的油井水泥和上述所述的方法得到的纳米复合增韧的油井水泥在非常规油气开采环境下水泥环的应用。本专利技术采用纳米碳材料中的静电自组装碳纳米管/纳米碳黑来降低油井水泥的弹性模量、提高油井水泥的极限抗压强度，并保证油井水泥的稠化时间、失水量及析水率等作业要求性能。静电自组装碳纳米管/纳米碳黑可使油井水泥的弹性模量降低22.4％，极限抗压强度提高20.3％，且静电自组装碳纳米管/纳米碳黑复合油井水泥的密度、稠化时间、流动度、析水率/失水等工作性能满足固井作业要求。静电自组装碳纳米管/纳米碳黑复合油井水泥的主要作用机理为：碳纳米管和纳米碳黑通过静电作用结合成葡萄串型结构，在这种葡萄串型结构中，碳纳米管为茎，纳米碳黑为葡萄，解决了碳纳米管在水泥基材料中的团聚问题；广泛分布的自组装碳纳米管/纳米碳黑在油井水泥中构成阻裂和增强区域，提高了油井水泥的变形能力，在微裂纹产生后可发挥桥连和钉扎作用，还可传递裂纹尖端应力，抑制裂纹的产生和扩展，进而提高油井水泥石的极限抗压强度；自组装碳纳米管/纳米碳黑不会在硬化油井水泥石中产生空隙、孔洞等薄弱区域，在低掺量下即可产生优异的改性效果。本专利技术的有益效果如下：目前，尚未有关于自组装纳米碳材料复合油井水泥的应用研究。静电自组装碳纳米管/纳米碳黑独特的葡萄串型结构解决了碳纳米管等纳米材料在油井水泥中的团聚问题，且采用常规搅拌工艺，无需采用额外的物理或化学分散方法，所获得的油井水泥浆体失水量及析水率小，流变性好，稠化时间满足固井作业要求，自组装碳纳米管/纳米碳黑还可在硬化油井水泥体系中形成良好的增韧和增强网络，在降低油井水泥弹性模量的同时提高其极限抗压强度，这对提高非常规开采环境下油井水泥环抵抗开裂和损伤的能力、提高油气井长期封固完整性及采收率具有重要意义。与油井水泥常用的增韧材料相比：①解决了纤维类及纳米类材料在油井水泥中易于团聚的问题；②解决了胶乳类有机增韧材料在油井水泥中易于形成缺陷结构，影响硬化油井水泥石强度和耐久性的问题；③解决了有机颗粒类材料与油井水泥浆体相容性差的问题；④在低掺量下即可在油井水泥内部形成增韧与增强网络，使得本专利技术中的静电自组装碳纳米管/纳米碳黑复合油井水泥不但施工性能满足要求，还具有低其弹性模量及高极限抗压强度的优异特性，80℃高温养护7d的抗压强度大于60MPa，弹性模量约为8MPa，满足非常规开采环境下油井水泥环所处的复杂荷载环境的要求。本专利技术可在低自组装碳纳米管/纳米碳黑掺量下，采用传统工艺制备得到稳定性好、无沉降现象、流变性好、稠化时间可调且失水量小的油井水泥浆，硬化后的油井水泥石具有低弹性模量、高极限抗压强度的优异特性，可解决非常规复杂荷载环境下油井水泥环易于开裂的问题，保障固井长期封固完整性，延长油气井寿命，提高采收率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的是实施例1、实施例2及对比例1在三轴压缩下的应力-应变曲线。图2是本专利技术的纳米复合增韧的油井水泥的微观结构。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种纳米复合增韧的油井水泥，是将自组装碳纳米管/纳米碳黑加入到油井水泥中，降低其弹性模量，同时提高其极限抗压强度，采用高温高压稠化仪在80℃和40MPa下测试其稠化时间，采用六速旋转粘度计测试其在常温和高温80℃下的流变性能，参照API规范采用水泥石三轴试验机测试其三轴应力-应变特性，试样尺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米复合增韧的油井水泥，其特征在于，原材料包括以下重量份物质：水泥100份、自组装碳纳米管/纳米碳黑0.5‑5份、分散剂0.1‑1.0份、缓凝剂0.2‑0.9份、降失水剂0‑2份、消泡剂0‑0.5份和水40‑60份。

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合增韧的油井水泥，其特征在于，原材料包括以下重量份物质：水泥100份、自组装碳纳米管/纳米碳黑0.5-5份、分散剂0.1-1.0份、缓凝剂0.2-0.9份、降失水剂0-2份、消泡剂0-0.5份和水40-60份。2.根据权利要求1所述的纳米复合增韧的油井水泥，其特征在于，所述自组装碳纳米管/纳米碳黑由静电自组装工艺制备而成，呈现葡萄串型结构，其中碳纳米管与纳米碳黑的重量比为40：60，比表面积为65-75m2/g，密度为2.0g/cm3，碳纳米管的外径大于50nm，碳纳米管的长度为10-20μm，碳纳米管的比表面积大于40m2/g，纳米碳黑的粒径为23nm，纳米碳黑的比表面积为23m2/g。3.根据权利要求1所述的纳米复合增韧的油井水泥，其特征在于：所述分散剂为萘系分散剂。4.根据权利要求1所述的纳米复合增韧的油井水泥，其特征在于：所述缓凝剂为有机磷酸盐类缓凝剂。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：韩宝国，董素芬，李妍，欧进萍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21