一种水性复合乳液及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种水性复合乳液，包括二氧化硅和轻烧氧化镁。本发明专利技术所述所述水性复合乳液材料还包括其他添加剂，所述其他添加剂包括选自蒸馏水、pH调节剂、空间位阻剂、表面处理剂、助溶剂、乳化剂和增稠剂中的一种或多种。其固含量可达70％，粘度小于0.20Pa

【技术实现步骤摘要】
一种水性复合乳液及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于石油勘探领域，具体涉及一种水性复合乳液及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]油井水泥环固化后，水化反应仍会在很长一段时期内持续发生，导致油井水泥环体积收缩。水泥固化后的体积收缩率一般在1％～2％。这种体积收缩现象将使水泥与地层之间、套管与地层之间的两个界面没有胶结强度，界面处产生微环隙，水泥环失去对地层的封隔能力。
[0003]常规的解决方法是水泥中添加膨胀剂。凝固后能够适度膨胀的水泥体系，可作为一种补偿微环隙，提高界面胶结强度的方法，膨胀剂在水泥浆整个候凝段和凝固后都能保持一定程度的膨胀。目前较常用的油井水泥膨胀剂都存在一定的局限性：
①
钙矾石类膨胀剂。水泥反应生成钙铝矾晶体，但在温度超过75℃时，钙铝矾晶体不稳定，并转为更致密的硫代铝酸钙水化物和石膏，起不到膨胀作用；
②
发气膨胀剂。精细磨碎的铝粉类膨胀剂主要以产生微小的氢气气泡来产生膨胀，只能在浅井中应用，由于在深井中，地层压力将超过气泡的膨胀压力，限制了该类膨胀剂的应用。
③
晶格膨胀剂(氧化钙和氧化镁)。这类膨胀剂应用最为广泛。这些晶格膨胀剂的尺度都在数十微米甚至上百微米，水泥固化后，这些颗粒还在持续的发生体积膨胀，将会对水泥石内部结构产生破坏，影响水泥石强度发育。目前，油气井固井行业使用几类膨胀剂可以减少水泥浆浆体的水化体积收缩，从而提高界面胶结强度，但这几类膨胀剂都各自存在明显局限性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种由二氧化硅复配轻烧氧化镁制成的高分散性的水性复合乳液，氧化镁颗粒同常规氧化镁膨胀剂相比尺度小，且氧化镁水化反应产物的体积膨胀不会破坏水泥石的微观结构。
[0005]在第一个方面，本专利技术提供了一种水性复合乳液，包括粒径小于500nm的二氧化硅和粒径小于500nm的轻烧氧化镁。
[0006]根据本专利技术的一些实施方式，所述二氧化硅为球形二氧化硅。
[0007]根据本专利技术的优选实施方式，所述二氧化硅的粒径为100nm-300nm。
[0008]根据本专利技术的一些实施方式，所述轻烧氧化镁的粒径为100nm-300nm。
[0009]根据本专利技术的优选实施方式，所述轻烧氧化镁为氧化镁在700-1000℃温度下煅烧2-3h所得。
[0010]根据本专利技术的一些实施方式，所述二氧化硅中，SiO2≥98％，CaO≤0.5％，Al2O3≤0.5％。
[0011]根据本专利技术的一些实施方式，所述轻烧氧化镁中，MgO≥98％，CaO≤0.5％，Al2O3≤0.5％。
[0012]根据本专利技术的一些实施方式，所述轻烧氧化镁与二氧化硅的质量比为1:3-3:1。
[0013]根据本专利技术的一些实施方式，二氧化硅与轻烧氧化镁的质量和为所述水性复合乳液材料的40-70wt％。
[0014]根据本专利技术的一些实施方式，所述水性复合乳液材料还包括水和其他添加剂。
[0015]根据本专利技术的优选实施方式，所述其他添加剂包括选自pH调节剂、空间位阻剂、表面处理剂、助溶剂、乳化剂和增稠剂中的一种或多种。
[0016]根据本专利技术的一些实施方式，以二氧化硅与轻烧氧化镁的质量和计，所述空间位阻剂的含量为1-5％，所述表面处理剂的含量为0.5-1％，所述助溶剂的含量为2-10％，所述乳化剂的含量为0.5-2％，所述增稠剂的含量为0.1-0.5％。
[0017]根据本专利技术的一些实施方式，所述水为蒸馏水。
[0018]根据本专利技术的一些实施方式，所述pH调节剂为碱性pH调节剂，优选为氢氧化钠。
[0019]根据本专利技术的一些实施方式，所述空间位阻剂选自分子量为200-1000的聚乙二醇中的一种或多种。
[0020]根据本专利技术的一些实施方式，所述助溶剂选自醇类化合物。
[0021]根据本专利技术的优选实施方式，所述助溶剂选自甲醇、乙二醇、丙醇、乙醇、二乙二醇、丙三醇和丙二醇中的一种或多种。
[0022]根据本专利技术的一些实施方式，所述表面处理剂选自γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基甲基二甲基硅烷中的一种或多种。
[0023]根据本专利技术的一些实施方式，所述乳化剂选自聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、聚环氧乙烷山梨糖醇单硬质酸酯、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯和十二烷基磺酸钠中的一种或多种。
[0024]根据本专利技术的一些实施方式，所述增稠剂为膨润土和/或凹凸棒土。
[0025]本专利技术的专利技术人选用活性二氧化硅，再复配轻烧氧化镁，将其制备成高分散性的水性复合乳液材料，其固含量可达70％，粘度小于0.20Pa
·
s，稳定期可达1.5年。加入到水泥浆体系中，固化后的7D胶结强度可达2.5MPa以上，7D水泥石强度可达50MPa以上，提高了固井水泥环界面胶结强度。其作用原理主要体现在两方面：(1)足量的纳米颗粒均匀分布在水泥浆里，颗粒间相互堆积搭接成支架的形式，水泥颗粒在固化后产生的体积收缩会因为这些支架的存在而被限制在微观局部区域，即纳米颗粒的限位作用抑制了宏观体积收缩。(2)界面孔隙处填充的活性二氧化硅参与水化反应，生成水化硅酸钙胶结物，显著增加界面胶结强度；轻烧后的氧化镁可以长期发生水化反应，水化反应产物体积比氧化镁体积增加了17％，补偿体积收缩。利用氧化镁颗粒同常规氧化镁膨胀剂相比尺度小，氧化镁水化反应产物的体积膨胀不会破坏水泥石的微观结构。
[0026]这种可以增加固井水泥环界面胶结强度的复合纳米材料通常都是以团聚体的形式存在，团聚体的粒径都在微米量级，无法有效填充在水泥颗粒间，必须采用分散、颗粒表面改性、乳化、阻聚等方法加以制备而成。因此，以二氧化硅和氧化镁为原料，制备可以抑制固井水泥环收缩的水性纳米乳液材料，(1)利用物理分散方法破坏微硅颗粒间的团聚体如：高速搅拌分散、超声分散技术，将二氧化硅颗粒团聚体分散开。(2)调整水相pH值，增加二氧化硅颗粒的zeta电位，提高颗粒间的静电斥力，防止颗粒间的二次团聚。(3)需要加入空间位阻剂吸附在颗粒表面，增加颗粒间的空间位阻斥力，预防颗粒间二次团聚；(4)加入助溶
剂与表面改性剂，将表面处理成部分亲油性；(5)加入O/W乳化剂，乳化剂与表面改性剂的亲油链结合在一起，使颗粒被乳化，(6)加入增稠剂，主要无机悬浮剂，增加基液粘度，提高颗粒间布朗运动阻力。
[0027]在第二个方面，本专利技术提供了一种根据第一个方面所述的水性复合乳液的制备方法，包括如下步骤：
[0028](1)将氧化镁进行煅烧，得到轻烧氧化镁；
[0029](2)在水中加入pH调节剂，调节水的pH值在10-13之间，得到水溶液a；
[0030](3)将空间位阻剂加入水溶液a中，搅拌，得到水溶液b；
[0031](4)将二氧化硅与轻烧氧化镁加入到水溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水性复合乳液，包括粒径小于500nm的二氧化硅和粒径小于500nm的轻烧氧化镁。2.根据权利要求1所述的水性复合乳液材料，其特征在于，所述二氧化硅为球形二氧化硅，优选所述二氧化硅的粒径为100nm-300nm，和/或所述轻烧氧化镁的粒径为100nm-300nm，优选所述轻烧氧化镁为氧化镁在700-1000℃温度下煅烧所得，优选地，所述二氧化硅中，SiO2≥98％，CaO≤0.5％，Al2O3≤0.5％；和/或所述轻烧氧化镁中，MgO≥98％，CaO≤0.5％，Al2O3≤0.5％。3.根据权利要求1或2所述的水性复合乳液，其特征在于，所述轻烧氧化镁与二氧化硅的质量比为1:3-3:1；和/或二氧化硅与轻烧氧化镁的质量和为所述水性复合乳液材料的40-70wt％。4.根据权利要求1-3中任一项所述的水性复合乳液，其特征在于，所述水性复合乳液材料还包括水和其他添加剂，所述其他添加剂包括选自pH调节剂、空间位阻剂、表面处理剂、助溶剂、乳化剂和增稠剂中的一种或多种，优选地，以二氧化硅与轻烧氧化镁的质量和计，所述空间位阻剂的含量为1-5％，所述表面处理剂的含量为0.5-1％，所述助溶剂的含量为2-10％，所述乳化剂的含量为0.5-2％，所述增稠剂的含量为0.1-0.5％。5.根据权利要求1-4中任一项所述的水性复合乳液，其特征在于，所述水为蒸馏水，所述pH调节剂为碱性pH调节剂，优选为氢氧化钠；所述空间位阻剂选自分子量为200-1000的聚乙二醇中的一种或多种；所述助溶剂选自醇类化合物，优选选自甲醇、乙二醇、丙醇、乙醇、二乙二醇、丙三醇和丙二醇中的一种或多种；所述表面处理剂选自γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和乙烯基甲基二甲基硅烷中的一种或多种；所述乳化剂选自聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、聚环氧乙烷山梨...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红歧，魏浩光，周仕明，李小江，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：