一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂1‑2份、尿素改性碳纳米管0.02‑0.15份、消泡剂0.05‑0.2份和清水44份；尿素改性碳纳米管由以下方法制备：取碳纳米管1份，加入10份浓硫酸和30份硝酸，混合，得溶液A；溶液A在140‑150℃超声处理3h，用质量分数为20%的过氧化氢水溶液处理2‑3h，离心，用蒸馏水冲洗至中性，抽滤，干燥，得到固体S；向固体S中依次加入20份乙腈和1.2份EDCI，得到混合溶液B；向混合溶液B中依次加入1.2份尿素和2份三乙胺，室温下搅拌2h，过滤，旋蒸去除溶剂，回收底层黑色固体，用去离子水冲洗，干燥，即可。是通过尿素改性碳纳米管在固井水泥浆中的分散性，来提高碳纳米管固井水泥浆的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆及其制备方法
本专利技术属于固井水泥浆
，具体涉及一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆及其制备方法。
技术介绍
近年来，鉴于纳米材料的高速发展，采用纳米材料提高固井水泥石的性能在学术界及固井工程领域是研究的一个热点。碳纳米管是一种具有高模量和高强度的一维材料，直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，长度可达数微米。研究及实践证明，碳纳米管可以提高固井水泥石的力学性能，但是由于其长径比较大，极易发生管与管之间的缠绕，影响其效果的发挥。因此，对于碳纳米管固井水泥浆来说，最大的难点是解决其分散性的问题。刘鉴增等、刘慧婷等、冯宇思等、窦倩等分别在其科技论文中对油井水泥掺入碳纳米管的性能变化进行了研究，主要借助分散剂对碳纳米管进行分散，取得了较好的实验效果。但是进一步深入研究发现，对碳纳米管分散效果较好的分散剂与固井水泥浆混合使用时存在一定的问题，主要是以下两个方面：①为达到一定的性能要求，固井水泥浆一般需加入一定量的外加剂，碳纳米管分散剂与外加剂之间配伍性存在一定的问题，极易发生不可预料的相互反应、相互影响导致总体效果出现偏差；②碳纳米管分散剂在高温高压条件下会对油井水泥本身水化产生不确定的影响，室内测试表明，碳纳米管分散剂在一定加量范围内，对油井水泥的稠化时间和沉降稳定性有极大的影响，会出现严重的上下分层，导致固井施工出现一定的风险，而且进一步导致固井质量较差。因此，为提高碳纳米管在水泥浆中的分散效果，弃用分散剂转而采用一定的方法提高其自身的分散功能是一种行之有效的解决方案。据研究，碳纳米管接枝酰胺基团，对提高其分散性、增强与水泥水化产物的结合力，进而提升固井水泥浆性能是极为有利的。有一种方法是采用甘氨酸对碳纳米管进行改性，接枝酰胺基团。但是该方法一方面需要先对羧基碳纳米管进行酰氯化，再采用甘氨酸进行改性，反应步骤较多，反应产率受到限制；另一方面，该方法需要用碳酸氢钠水溶液进行淬灭反应，原料较多、过程复杂。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种较为温和且步骤更简洁的碳纳米管酰胺化方法，其设计思路及反应机理为，先将碳纳米管羧基化，羧基负离子作为亲核试剂再与EDCI中的碳发生亲电加成反应形成酸酐，进一步加入尿素后，尿素的胺基作为亲核试剂与酸酐的碳发生亲核取代反应得到酰胺。本专利技术的目的通过是尿素改性的方法提高碳纳米管在固井水泥浆中的分散性，以此提高碳纳米管固井水泥浆的力学性能。一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂1-2份、尿素改性碳纳米管0.02-0.15份、消泡剂0.05-0.2份和清水44份；所述尿素改性碳纳米管的制备方法为：（1）称取碳纳米管1份，依次加入10份浓硫酸和30份硝酸，混合，得溶液A；将溶液A在140-150℃超声处理3h，再用质量分数为20%的过氧化氢水溶液处理2-3h，离心，用蒸馏水冲洗至中性，抽滤，干燥，得到固体S；（2）向步骤（1）得到的固体S中依次加入20份乙腈和1.2份EDCI，得到混合溶液B；（3）向步骤（2）得到的混合溶液B中依次加入1.2份尿素和2份三乙胺，在室温下搅拌2h，过滤，旋蒸去除溶剂，回收底层黑色固体，用去离子水冲洗，干燥，得到尿素改性碳纳米管。优选地，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂1.5份、尿素改性碳纳米管0.06份、消泡剂0.1份和清水44份.优选地，所述油井水泥为G级油井水泥。优选地，所述降失水剂为纤维素衍生物类，优选地，所述纤维素衍生物类为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素或羧甲基羟乙基纤维素但不限于上述几种。优选地，所述消泡剂为磷酸三丁酯、甘油聚醚或聚乙二醇。一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆的制备方法，所述制备方法，包括以下步骤：（1）取油井水泥和降失水剂混合，得到固体混合物A；（2）取清水、尿素改性碳纳米管和消泡剂混合，在320W的功率下超声处理20min，得到混合溶液B；（3）在步骤（2）得到的混合溶液在转速4500r/min的搅拌条件下，将步骤（1）得到的固体混合物在10-15s加入其中，然后以转速8000r/min继续搅拌50-60s，得到尿素改性碳纳米管固井水泥浆。本专利技术的优点（1）本专利技术提供的碳纳米管尿素改性实验方法，与现有技术相比，一方面不必提前酰氯化，羧基可以直接与胺发生反应，减少了不必要的步骤并且提高了反应产率；另一方面，使用EDCI得到的反应副产物不溶于乙腈，可以直接通过过滤旋蒸即可得到产物，不必加入碳酸氢钠水溶液淬灭反应；本专利技术提供的反应过程中较为温和，避免了大量原料在发生反应时产生的过多热量导致危险；（3）本专利技术提供的固井水泥浆，加入尿素改性碳纳米管后，水泥浆（石）力学性能得到增强，杨氏模量在一定范围内降低，对于一些需要高强及韧性兼顾的固井水泥石工程应用具有极大的功效。况且，本专利技术提供的技术路线及改造方案工艺简单、安全可控，使用试剂均为常用化学试剂，具有极大的应用价值；（4）实验表明，羧基之间存在氢键作用，也会导致碳纳米管的聚集，因此羧基化碳纳米管的溶解性和分散性仍不是特别理想，对在羧基碳纳米管基础之上进行尿素改性，接枝酰胺基团，一方面可以利用酰胺基团的优势，进一步增大碳纳米管的极性提高其分散性，另一方面碳纳米管疏水性强，尿素改性接枝酰胺基团后，碳纳米管的亲水性相对较高，有利于其在油井水泥浆中的均匀分散，并且维持了其本身优良的力学属性。具体实施方式实施例1尿素改性碳纳米管的制备方法：（1）取碳纳米管1份，依次加入10份浓硫酸和30份硝酸，混合，得溶液A；将溶液A在140-150℃超声处理3h，再用质量分数为20%的过氧化氢水溶液处理2-3h，离心，用蒸馏水冲洗至中性，抽滤，干燥，得到固体S；（2）向步骤（1）得到的固体S中依次加入20份乙腈20份和1.2份EDCI，得到混合溶液B；（3）向步骤（2）得到的混合溶液B中依次加入1.2份尿素、2份三乙胺，在室温下搅拌2h，过滤，旋蒸去除溶剂，回收底层黑色固体，用去离子水冲洗，干燥，得到尿素改性碳纳米管。实施例2尿素改性碳纳米管的制备方法同实施例1；一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂1.5份、尿素改性碳纳米管0.02份、消泡剂0.1份和清水44份；所述油井水泥为G级油井水泥；所述降失水剂为纤维素衍生物类，具体是但不限于羧甲基纤维素、羟乙基纤维素或羧甲基羟乙基纤维素；所述消泡剂主要成分为聚乙二醇；一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：（1）取油井水泥和降失水剂混合，得到固体混合物A；（2）取清水、尿素改性碳纳米管和消泡剂，混合，在320W的功率下超声处理20min，得到混合溶液B；（3）步骤（2）得到的混合溶液B在转速4500r/min的搅拌条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆，其特征在于，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂1-2份、尿素改性碳纳米管0.02-0.15份、消泡剂0.05-0.2份和清水44份；/n所述尿素改性碳纳米管由以下制备方法制备：/n（1）称取碳纳米管1份，依次加入10份浓硫酸和30份硝酸，混合，得溶液A；将溶液A在140-150℃超声处理3h，再用质量分数为20%的过氧化氢水溶液处理2-3h，离心，用蒸馏水冲洗至中性，抽滤，干燥，得到固体S；/n（2）向步骤（1）得到的固体S中依次加入20份乙腈和1.2份EDCI，得到混合溶液B；/n（3）向步骤（2）得到的混合溶液B中依次加入1.2份尿素和2份三乙胺，在室温下搅拌2h，过滤，旋蒸去除溶剂，回收底层黑色固体，用去离子水冲洗，干燥，得到尿素改性碳纳米管。/n

【技术特征摘要】
1.一种尿素改性碳纳米管固井水泥浆，其特征在于，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂1-2份、尿素改性碳纳米管0.02-0.15份、消泡剂0.05-0.2份和清水44份；
所述尿素改性碳纳米管由以下制备方法制备：
（1）称取碳纳米管1份，依次加入10份浓硫酸和30份硝酸，混合，得溶液A；将溶液A在140-150℃超声处理3h，再用质量分数为20%的过氧化氢水溶液处理2-3h，离心，用蒸馏水冲洗至中性，抽滤，干燥，得到固体S；
（2）向步骤（1）得到的固体S中依次加入20份乙腈和1.2份EDCI，得到混合溶液B；
（3）向步骤（2）得到的混合溶液B中依次加入1.2份尿素和2份三乙胺，在室温下搅拌2h，过滤，旋蒸去除溶剂，回收底层黑色固体，用去离子水冲洗，干燥，得到尿素改性碳纳米管。


2.根据权利要求1所述的尿素改性碳纳米管固井水泥浆，其特征在于，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份、降失水剂2份、尿素改性碳纳米管0.15份、消泡剂0.05份和清水44份。


3.根据权利要求1或2所述的尿素...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪军，王涛，窦倩，王仙仙，于小龙，
申请(专利权)人：陕西延长石油集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61