一种水泥基自修复材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种水泥基自修复材料及其制备方法和应用，属于油田固井技术领域。本发明专利技术的水泥基自修复材料的制备方法，包括以下步骤：将主要由聚合单体、交联剂、引发剂和溶剂组成的混合物在聚合温度下静置，使聚合单体、交联剂在引发剂的作用下进行聚合反应；所述聚合单体包括双丙酮丙烯酰胺和烯基季铵盐，所述烯基季铵盐中含有两个以上烯属不饱和双键。本发明专利技术的水泥基自修复材料的制备方法，工艺简单，制备的水泥基自修复材料具有良好的耐碱、耐水解能力，在水泥浆高温碱性环境中具有良好的稳定性，并且在钙离子的作用下，会发生解交联反应，提高材料的吸水倍数，实现水泥石微裂缝的遇水自修复。遇水自修复。遇水自修复。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥基自修复材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种水泥基自修复材料及其制备方法和应用，属于油田固井


技术介绍

[0002]固井作业是将水泥浆注入井筒和套管之间或两个连续套管柱之间的环形空间的过程。硬化后的水泥石能够支撑井壁和套管、封隔地层、防止套管腐蚀、控制异常孔隙压力等。完整和持久的层间封隔是固井施工的首要目标。然而，油气井固井过程中滤饼的存在、井下温度和压力的变化以及水泥石体积收缩等因素会导致二界面之间出现微环隙，从而形成井下地层流体的窜流通道。若不能及时修复微环隙，将导致层间封隔失效，继而发生环空窜流。环空窜流会增加地层内腐蚀性流体侵蚀套管的机会，缩短油井的生产寿命，影响油气井安全、高效、绿色开采，直接造成固井质量和油气井产能下降、油气资源严重浪费以及后期作业困难等。
[0003]近年来逐渐形成了解决油气井水泥环微裂缝的自修复水泥新技术，旨在使水泥石具有自我修复功能从而提供长期的层间封隔性能。其最大优点是：在提高水泥环的耐用性的同时，无需中断油气井的正常生产。油井水泥自修复技术目前最主要的设计思路是通过在水泥浆中加入自修复材料，自修复材料在特定条件下激活，生成新的物质或提供内部挤压应力使微裂隙闭合。
[0004]响应膨胀自修复技术是在油井水泥浆中预先加入对渗入微裂缝的油、气、水等物质具有灵敏响应的自修复材料(如可膨胀的橡胶粒子)。当水泥环受损产生微裂缝时，预置的自修复材料在渗入物质的刺激下做出响应产生膨胀，从而堵塞油气运移通道。其优点在于响应时间短，作用效果明显。然而，目前，针对遇水膨胀的响应膨胀自修复技术还不成熟，还没有工业化产品。遇水膨胀的自修复材料的最大难点在于，材料会在水泥浆拌合过程中吸收水泥浆中的水分，影响水泥浆的可泵入性能。但是目前已经有大量关于水泥基自修复材料的研究报道，例如，中国专利文献CN115448656A公开了一种聚钙离子超吸水纤维水泥基自修复材料及制备方法，按质量份计，由以下组分组成：水泥500～1000份，水230～460份，聚Ca离子超吸水纤维2～6份；所述聚Ca离子超吸水纤维为丙烯酸和丙烯酸酯在交联剂的作用下，与超吸水纤维混合聚合，得到树脂；将得到的树脂经碱水解，即可。该水泥基自修复材料具有较强的吸附钙离子的能力，吸附大量钙离子之后，高浓度钙离子加速与空气中的水以及二氧化碳反应，从而生成碳酸钙起到加固裂缝的作用，并且能保持纤维的完整性，在水泥基材料中可以起到良好的自修复效果。该专利文献中采用聚Ca离子超吸水纤维作为自修复材料，但是聚Ca离子超吸水纤维在水泥浆中较难分散均匀，制备工艺不当会导致自修复效果较差，导致产品性能不稳定。并且聚Ca离子超吸水纤维的制备工艺复杂，造成制备成本较高，不利于大规模工业化利用。另外，也可以采用在水泥浆中分散性好的合成树脂类材料，例如，中国专利文献CN107759725B利用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵作为pH敏感性功能单体，制备得到适用于油井水泥浆的pH敏感性吸水树脂，但
是甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵都含有酯基，造成合成的树脂中的酯基在水泥浆高温碱性条件下容易水解产生羧基，产生的羧基会使树脂丧失pH敏感性，同时会造成水泥浆超缓凝，因此，该专利文献公开的pH敏感性吸水树脂无法用于高温高碱性环境中。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种水泥基自修复材料的制备方法，可以解决目前制备的合成树脂类水泥基自修复材料在高温高碱性条件下存在稳定性差的问题。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提供一种水泥基自修复材料，可以解决目前合成树脂类水泥基自修复材料存在无法用于高温高碱性环境中的问题。
[0007]本专利技术的第三个目的在于提供一种水泥基自修复材料在油气井固井中的应用，可以解决目前用于油气井固井领域的合成树脂类水泥基自修复材料存在耐碱性差的问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术的水泥基自修复材料的制备方法所采用的技术方案为：
[0009]一种水泥基自修复材料的制备方法，包括以下步骤：将主要由聚合单体、交联剂、引发剂和溶剂组成的混合物在聚合温度下静置，使聚合单体、交联剂在引发剂的作用下进行聚合反应；所述聚合单体包括双丙酮丙烯酰胺和烯基季铵盐，所述烯基季铵盐中含有两个以上烯属不饱和双键，所述双丙酮丙烯酰胺和烯基季铵盐的质量比为1:(4～6)；所述交联剂为N,N
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亚甲基双丙烯酰胺；所述交联剂的质量为聚合单体的质量的0.3％～0.7％。
[0010]本专利技术的水泥基自修复材料的制备方法，工艺简单，制备的水泥基自修复材料具有良好的耐碱、耐水解能力，在水泥浆高温碱性环境中具有良好的稳定性，并且在钙离子的作用下，会发生解交联反应，提高材料的吸水倍数，实现水泥石微裂缝的遇水自修复。烯基季铵盐是一种阳离子单体，并且是一种pH敏感性功能单体，能够降低材料在水泥浆碱性环境中的吸水倍数，减少对水泥浆性能的影响，保障了固井施工安全；双丙酮丙烯酰胺分子中酰胺基团附近含有甲基，提供了空间位阻作用，提高了材料的耐碱、耐水解能力，保障了材料在水泥浆高温碱性环境中的稳定性。此外，实验结果表明，双丙酮丙烯酰胺参与聚合反应时，酮羰基可以发生交联反应，降低材料的吸水倍数，当制备的水泥基自修复材料遇到钙离子环境时，酮羰基可以发生解联反应，进一步提高材料的吸水倍数，有利于后期遇水膨胀以修复水泥石裂缝或孔隙。
[0011]优选地，所述烯基季铵盐为二甲基二烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵、甲基乙基二烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基溴化铵、二乙基二烯丙基溴化铵、甲基乙基二烯丙基溴化铵。
[0012]优选地，所述引发剂包括主引发剂和助引发剂。主引发剂的作用是引发聚合单体和交联剂在聚合温度下发生聚合反应，助引发剂的作用是为了提高引发剂的引发效果，降低引发剂的用量，保证聚合反应能够彻底地进行。
[0013]优选地，所述主引发剂为过硫酸盐，所述助引发剂为叔胺类化合物。
[0014]引发剂的用量会影响聚合反应发生的难易程度，并且会影响聚合反应的速度以及生成的聚合产物的分子量和分子量的分布，综合考虑聚合反应的时间以及聚合产物的分子量，优选地，所述主引发剂的质量为聚合单体的质量的0.4％～0.8％。优选地，所述助引发
剂的质量为引发剂的质量的15％～30％。
[0015]在选取溶剂时，为了保证混合物中各组分能够混匀，所选的溶剂需要能够溶解聚合单体、交联剂和引发剂。为了降低成本，同时为了使生产过程绿色环保，优选地，所述溶剂为水。
[0016]溶剂的用量会影响聚合单体和交联剂的浓度，进而影响聚合反应发生的难易程度以及聚合反应的时间，为了节省时间并且为了避免反应过快带来的不利影响，优选地，所述聚合单体的质量为溶剂的质量的5％～13.5％。例如，所述聚合单体的质量为溶剂的质量的5.9％～13.3％。
[0017]当溶剂为水时，为了保证引发剂能够均匀分散于溶剂中，进而更好地引发聚合反应，使反应产物内基团分布更均匀，优选地，所述主本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水泥基自修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将主要由聚合单体、交联剂、引发剂和溶剂组成的混合物在聚合温度下静置，使聚合单体、交联剂在引发剂的作用下进行聚合反应；所述聚合单体包括双丙酮丙烯酰胺和烯基季铵盐，所述烯基季铵盐中含有两个以上烯属不饱和双键，所述双丙酮丙烯酰胺和烯基季铵盐的质量比为1:(4～6)；所述交联剂为N,N
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亚甲基双丙烯酰胺；所述交联剂的质量为聚合单体的质量的0.3％～0.7％。2.如权利要求1所述的水泥基自修复材料的制备方法，其特征在于，所述烯基季铵盐为二甲基二烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵、甲基乙基二烯丙基氯化铵、二甲基二烯丙基溴化铵、二乙基二烯丙基溴化铵、甲基乙基二烯丙基溴化铵。3.如权利要求1所述的水泥基自修复材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂包括主引发剂和助引发剂；所述主引发剂为过硫酸盐，所述助引发剂为叔胺类化合物。4.如权利要求3所述的水泥基自修复材料的制备方法，其特征在于，所述主引发剂的质量为聚合单体的质量的0.4％～0.8％；所述助引发剂的质量为引发...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟卫东，赵林，王海娟，杨军虎，仝继昌，梁国进，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司河南油田分公司，
类型：发明
国别省市：