本發(fā)明涉及一種固井水泥漿用纖維增韌劑及其制備方法，屬于石油開采領(lǐng)域的油氣井固井技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

井筒中水泥環(huán)長期有效的層間封隔能力是實現(xiàn)油氣田開發(fā)增產(chǎn)的前提，也是油氣井長期開采壽命的保障。然而，固井水泥石是一種有先天微觀缺陷的脆性材料，其具有形變能力差、抗拉強度低、抗沖擊能力差等固有缺陷。其在后續(xù)施工如試壓、射孔、壓裂及開采生產(chǎn)等過程中，由于受溫度壓力變化、沖擊、震動等影響，易發(fā)生破裂，導(dǎo)致水泥環(huán)的力學完整性受到破壞，這樣輕則造成環(huán)空帶壓、油氣水竄，重則導(dǎo)致油氣井報廢。

目前，在固井領(lǐng)域，多采用纖維來改善水泥石的力學性能。纖維可在水泥石基體間起到“搭橋”作用，以“拉筋”的作用方式來改善油井水泥石力學性能。

水泥漿體系中常用的纖維材料有無機纖維，如玻璃纖維、碳纖維等；合成纖維，如尼龍纖維、聚酯、聚丙烯等纖維；植物纖維，如竹纖維、麻纖維等。然而，這些纖維還存在以下缺陷：一是密度較低，混漿后分散不開，懸浮于漿體表面；二是表面疏水、潤濕性能差，混漿時易團聚，泵送時易阻塞管線，造成憋泵，影響施工安全。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種固井水泥漿用纖維增韌劑及其制備方法。本發(fā)明的纖維增韌劑可均勻地分散于水泥漿中，對水泥石的韌性具有較好的改善，且不影響施工安全。

為達到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，以重量份計，其原料組成包括：20～60份晶須材料、5～10份表面活性劑、5～10份硅烷偶聯(lián)劑、1～5份消泡劑、10～25份穩(wěn)定劑、100份水以及250～1000份無水乙醇。

在本發(fā)明中，晶須材料是指自然形成或者在人工控制條件下(主要形式)以單晶形式生長成的一種纖維，其直徑非常小(微米數(shù)量級)，不含有通常材料中存在的缺陷(晶界、位錯、空穴等)，其原子排列高度有序，因而其強度接近于完整晶體的理論值。其機械強度等于鄰接原子間力。晶須的高度取向結(jié)構(gòu)使其具有高強度、高模量和高伸長率，主要用作復(fù)合材料的增強體，用于制造高強度復(fù)合材料。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述晶須材料包括鈦酸鉀晶須、硼酸鋁晶須、硫酸鎂晶須、碳化硅晶須以及硼酸鎂晶須等中的一種或幾種的組合。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述晶須材料的長度為10-500μm，直徑為0.1-10μm，長徑比為1-5000。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述表面活性劑包括苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸鈉以及脂肪酸聚氧乙烯醚等中的一種或幾種的組合。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述硅烷偶聯(lián)劑包括KH-550和/或KH-560等。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述消泡劑包括磷酸三丁酯等。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述穩(wěn)定劑包括超細礦渣、白炭黑、微硅粉、硅灰石粉、納米二氧化硅以及黃原膠等中的一種或幾種的組合。

在上述的固井水泥漿用纖維增韌劑中，優(yōu)選地，所述水為蒸餾水。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，優(yōu)選地，上述固井水泥漿用纖維增韌劑是通過以下步驟制備的：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將5～10份硅烷偶聯(lián)劑用250～1000份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為1～2％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將20～60份晶須材料、5～10份表面活性劑、1～5份消泡劑及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份水的容器中，攪拌20～40min，再置于超聲波中分散20～40min，抽濾后得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在100～150℃條件下干燥48～96h，再將干燥后的改性晶須與10～25份穩(wěn)定劑進行共混，得到所述的固井水泥漿用纖維增韌劑。

在上述制備步驟中，優(yōu)選地，步驟(2)還包括：在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到所述的改性晶須。

晶須是一種短切纖維，具有較好地潤濕性能，經(jīng)本發(fā)明的改性后，可均勻地分散于水泥漿中，對水泥石的韌性具有較好的改善，且不影響施工安全。

在石油的開采過程中，為了增加產(chǎn)能，常常需要對儲層進行改造，酸化壓裂就是其中一種最有效也最常用的措施。因此就要求水泥石及其組成材料具有耐酸腐蝕的特性，本發(fā)明采用鈦酸鉀晶須、硼酸鋁晶須、硫酸鎂晶須、碳化硅晶須以及硼酸鎂晶須中的一種或幾種的組合，均具有良好的耐酸性能，而不采用易與酸發(fā)生化學反應(yīng)的碳酸鎂晶須等，無需對晶須進行進一步包覆處理，即可達到耐酸腐的效果。

晶須材料由于具有超細尺寸，表面能比較大，容易聚集成團，導(dǎo)致其在基體中分散性較差，未經(jīng)改性的晶須材料在水中的分散情況見圖1。本發(fā)明采用的表面活性劑能夠降低晶須材料的表面能，使晶須材料在基體中分散更均勻；采用的消泡劑能夠抑制因加入表面活性劑而引起的起泡問題，消除水泥漿因含有大量氣泡導(dǎo)致堆積不緊密而使水泥石強度下降這一問題；因硼酸鋁晶須(2.93g/cm³)、硫酸鎂晶須(2.69g/cm³)、碳化硅晶須(3.21g/cm³)以及硼酸鎂晶須(2.91g/cm³)等物質(zhì)的密度相對較高，在水泥漿中易發(fā)生沉降，導(dǎo)致增韌材料在水泥漿中分散不均一，從而影響增韌效果，因此采用本發(fā)明的穩(wěn)定劑以解決該問題；同時，穩(wěn)定劑中的部分組份如超細礦渣、微硅粉等還可以改善晶須-水泥基體的界面性能，增大基體對晶須的粘結(jié)包裹力。通過本發(fā)明所提供的纖維增韌劑的各原料的協(xié)同作用，該纖維增韌劑加入到固井水泥漿中，可均勻地分散于水泥漿中，從而有效改善油井水泥石的力學性能，對油井水泥石的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗沖擊性能都具有較大程度的提高，同時降低水泥石楊氏模量，且不影響施工安全。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種上述的固井水泥漿用纖維增韌劑的制備方法，其包括以下步驟：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將5～10份硅烷偶聯(lián)劑用250～1000份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為1～2％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將20～60份晶須材料、5～10份表面活性劑、1～5份消泡劑及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份水的容器中，攪拌20～40min，再置于超聲波中分散20～40min，抽濾后得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在100～150℃條件下干燥48～96h，再將干燥后的改性晶須與10～25份穩(wěn)定劑進行共混，得到所述的固井水泥漿用纖維增韌劑。

在上述制備方法中，優(yōu)選地，步驟(2)還包括：在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到所述的改性晶須。

本發(fā)明提供的纖維增韌劑的制備工藝簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該纖維增韌劑具有較好地親水性能，在水中的潤濕性能好，能均勻地分散在油井水泥漿中，不影響施工安全。該纖維增韌劑可有效地提高油井水泥石的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗沖擊性能，同時降低水泥石楊氏模量。

綜上所述，本發(fā)明提供的纖維增韌劑，具有較好地親水性能，在水中的潤濕性能好，能均勻地分散在油井水泥漿中。將本發(fā)明的纖維增韌劑加入固井水泥漿中，不會影響水泥漿的施工安全性，且可有效改善油井水泥石的力學性能，對油井水泥石的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗沖擊性能具有較大程度地提高，同時降低水泥石楊氏模量。本發(fā)明提供的纖維增韌劑適用于油氣井固井作業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明提供的固井水泥漿用纖維增韌劑與已有技術(shù)相比，其主要優(yōu)勢在于：

(1)晶須的表面改性工藝以及纖維增韌劑的制備工藝簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；

(2)該纖維增韌劑具有較好地親水性能，在水中的潤濕性能好，能均勻地分散在油井水泥漿中，不影響施工安全；

(3)該纖維增韌劑可以有效地提高油井水泥石的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗沖擊性能；

(4)將該纖維增韌劑添加到水泥中以后，使水泥具有抗沖擊性強的特性，射孔對水泥環(huán)的破壞小，從根本上解決“二次竄流”問題。

附圖說明

圖1是未經(jīng)改性的晶須材料在水中的分散情況圖。

圖2是實施例1提供的纖維增韌劑在水中的分散情況圖。

圖3是傳統(tǒng)聚合物類纖維增韌劑在水中的分散情況圖。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的技術(shù)方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

實施例1

本實施例提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，其是通過以下步驟制備得到：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將5份硅烷偶聯(lián)劑KH-550用500份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為1％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將20份晶須材料(其由10份硫酸鎂晶須、5份碳化硅晶須、5份硼酸鎂晶須組成；其中，硫酸鎂晶須的長度為10-60μm、直徑為0.1-1μm，碳化硅晶須的長度為50-100μm、直徑為0.1-0.6μm，硼酸鎂晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm)、5份表面活性劑苯乙烯基苯酚聚氧乙烯醚、1份消泡劑磷酸三丁酯及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份蒸餾水的燒杯中，攪拌20min，再置于超聲波中分散20min，然后進行抽濾，且在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在150℃條件下干燥48h，再將干燥后的改性晶須與10份穩(wěn)定劑(其由9份硅灰石粉、1份黃原膠組成)進行共混，得到所述的固井水泥漿用纖維增韌劑，記為XWZR-1。

將本實施例提供的纖維增韌劑XWZR-1加入到水中，其分散情況如圖2所示。

將聚合物類纖維增韌劑(聚丙烯纖維，分子結(jié)構(gòu)式長度1.5-50mm)以相同的比例加入到水中，其分散情況如圖3所示。通過圖2-3的對比可以看出，本實施例提供的纖維增韌劑具有較好地親水性能，在水中的潤濕性能好，能均勻地分散水中。

實施例2

本實施例提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，其是通過以下步驟制備的：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將5份硅烷偶聯(lián)劑KH-550用250份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為2％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將60份晶須材料(其由30份硫酸鎂晶須、10份碳化硅晶須、20份硼酸鎂晶須組成；其中，硫酸鎂晶須的長度為10-60μm、直徑為0.1-1.0μm，碳化硅晶須的長度為50-100μm、直徑為0.1-0.6μm，硼酸鎂晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm)、10份表面活性劑十二烷基磺酸鈉、5份消泡劑磷酸三丁酯及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份蒸餾水的燒杯中，攪拌20min，再置于超聲波中分散20min，然后進行抽濾，且在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在120℃條件下干燥72h，再將干燥后的改性晶須與25份穩(wěn)定劑(其由10份超細礦渣、5份白炭黑、5份微硅粉、3份硅灰石粉、1份納米二氧化硅、1份黃原膠組成)進行共混，得到所述的固井水泥漿用纖維增韌劑，記為XWZR-2。

實施例3

本實施例提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，其是通過以下步驟制備的：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將10份硅烷偶聯(lián)劑KH-560用1000份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為1％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將30份晶須材料(其由5份鈦酸鉀晶須、5份硼酸鋁晶須、5份碳化硅晶須、15份硫酸鎂晶須組成；其中，鈦酸鉀晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-1.0μm，硼酸鋁晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm，碳化硅晶須的長度為50-100μm、直徑為0.1-0.6μm，硫酸鎂晶須的長度為10-60μm、直徑為0.1-1μm)、5份表面活性劑脂肪酸聚氧乙烯醚、3份消泡劑磷酸三丁酯及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份蒸餾水的燒杯中，攪拌20min，再置于超聲波中分散20min，然后進行抽濾，且在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在130℃條件下干燥72h，再將干燥后的改性晶須與20份穩(wěn)定劑(其由10份微硅粉、8份硅灰石粉、1份納米二氧化硅、1份黃原膠組成)進行共混，得到所述的固井水泥漿用纖維增韌劑，記為XWZR-3。

實施例4

本實施例提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，其是通過以下步驟制備的：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將10份硅烷偶聯(lián)劑KH-560用500份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為2％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將50份晶須材料(其由5份鈦酸鉀晶須、5份硼酸鋁晶須、10份硫酸鎂晶須、15份碳化硅晶須、15份硼酸鎂晶須組成；其中，鈦酸鉀晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-1.0μm，硼酸鋁晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm，硫酸鎂晶須的長度為10-60μm、直徑為0.1-1.0μm，碳化硅晶須的長度為50-100μm、直徑為0.1-0.6μm，硼酸鎂晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm)、10份表面活性劑脂肪酸聚氧乙烯醚、5份消泡劑磷酸三丁酯及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份蒸餾水的燒杯中，攪拌20min，再置于超聲波中分散20min，然后進行抽濾，且在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在100℃條件下干燥96h，再將干燥后的改性晶須與25份穩(wěn)定劑(其由1份超細礦渣、1份白炭黑、10份微硅粉、10份硅灰石粉、2份納米二氧化硅、1份黃原膠組成)進行共混，得到所述的固井水泥漿用纖維增韌劑，記為XWZR-4。

對比例1(不加消泡劑，與實施例2對比)

本對比例提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，其是通過以下步驟制備的：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將5份硅烷偶聯(lián)劑KH-550用250份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為2％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將60份晶須材料(其由30份硫酸鎂晶須、10份碳化硅晶須、20份硼酸鎂晶須組成；其中，硫酸鎂晶須的長度為10-60μm、直徑為0.1-1.0μm，碳化硅晶須的長度為50-100μm、直徑為0.1-0.6μm，硼酸鎂晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm)、10份表面活性劑十二烷基磺酸鈉及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份蒸餾水的燒杯中，攪拌20min，再置于超聲波中分散20min，然后進行抽濾，且在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑及硅烷偶聯(lián)劑，得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在120℃條件下干燥72h，再將干燥后的改性晶須與25份穩(wěn)定劑(其由10份超細礦渣、5份白炭黑、5份微硅粉、3份硅灰石粉、1份納米二氧化硅、1份黃原膠組成)進行共混，得到固井水泥漿用纖維增韌劑，記為XWZR-5。

對比例2(不加穩(wěn)定劑，與實施例3對比)

本對比例提供了一種固井水泥漿用纖維增韌劑，其是通過以下步驟制備得到：

(1)硅烷偶聯(lián)劑稀釋液的配制：以重量份計，將10份硅烷偶聯(lián)劑KH-560用1000份無水乙醇配成質(zhì)量分數(shù)為1％的稀釋液；

(2)晶須的表面改性：以重量份計，將30份晶須材料(其由5份鈦酸鉀晶須、5份硼酸鋁晶須、5份碳化硅晶須、15份硫酸鎂晶須組成；其中，鈦酸鉀晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-1.0μm，硼酸鋁晶須的長度為10-100μm、直徑為0.1-2.0μm，碳化硅晶須的長度為50-100μm、直徑為0.1-0.6μm，硫酸鎂晶須的長度為10-60μm、直徑為0.1-1μm)、5份表面活性劑脂肪酸聚氧乙烯醚、3份消泡劑磷酸三丁酯及步驟(1)配制好的硅烷偶聯(lián)劑稀釋液依次倒入盛有100份蒸餾水的燒杯中，攪拌20min，再置于超聲波中分散20min，然后進行抽濾，且在抽濾期間反復(fù)使用蒸餾水沖洗改性晶須粗產(chǎn)物，以去除多余的表面活性劑、硅烷偶聯(lián)劑及消泡劑，得到改性晶須；

(3)纖維增韌劑的制備：以重量份計，將步驟(2)得到的改性晶須在130℃條件下干燥72h，得到固井水泥漿用纖維增韌劑，記為XWZR-6。

表1水泥漿配方及性能

備注：[1].依據(jù)API10A規(guī)范配制及測定水泥漿；[2].劈裂抗拉強度由巴西劈裂實驗測得；[3].楊氏模量由三軸力學實驗測得；[4].抗沖擊性能由擺錘實驗測得；[5].表中BCG-200L為AMPS共聚物類防氣竄降失水劑，BXR-200L為小分子酸類緩凝劑，G603為磷酸三丁酯消泡劑，XWZR-1、XWZR-2、XWZR-3、XWZR-4、XWZR-5、XWZR-6分別為實施例1-4和對比例1-2制備的纖維增韌劑。

由表1可以看出，纖維增韌劑XWZR-1、XWZR-2、XWZR-3、XWZR-4對油井水泥石的力學性能均有較好的改善效果，能較好的提高油井水泥石的抗壓強度、劈裂抗拉強度及抗沖擊性能，同時還能降低油井水泥石的楊氏模量，且不會影響水泥漿的施工性能，因此本發(fā)明提供的固井水泥漿用纖維增韌劑可有效降低水泥石的脆性，從而確保水泥環(huán)的長期密封完整性。