一种碳纳米管触变性固井水泥浆及其制备方法与流程

本发明属于固井水泥浆技术领域，具体涉及一种碳纳米管触变性固井水泥浆及其制备方法。

背景技术：

水泥浆触变性是指搅拌后水泥浆变稀可流动，但是搅拌停止后浆体快速变稠形成凝胶结构的现象。在一定的剪切速率下，随着作用时间的延长粘度逐渐减小并趋于定值，但剪切作用停止后，水泥浆的粘度又重新升高。触变性水泥浆可以在漏失地层裂缝中停止流动后快速形成凝胶得以停留，进而凝固形成强度而达到堵漏的目的；在存在油气水潜在窜流的井中，触变性水泥浆在固井完成、泵送停止后快速变稠，可以与井壁形成密实结构，缩短失重时间快速形成挂壁效应，可有效防止油气水的上窜，提高封固质量。因此，在漏失井堵漏、油气水防窜方面触变性水泥浆具有很大的优势和巨大的应用价值。

常规水泥浆的触变性较弱，主要靠加入触变剂来实现。目前主要的触变剂有混合金属层状氢氧化物、硫酸铝和硫酸亚铁系列、钛螯合物、聚丙烯酰胺类、改性纤维素、水溶性纤维素衍生物等，这些触变剂具有一定的优点和应用领域，但是也存在着一些不足，如：（1）对水泥浆后期强度无贡献甚至还会降低其强度；（2）温度的适应范围较窄，高温下触变性较弱；（3）触变剂本身的化学稳定性较差，在井下高矿化度高温条件下，易与水泥浆中的其他化学物质或钻井液中的不稳定化合物发生反应，产生不可控的固井风险；（4）部分触变剂对触变性效果较好，但会对水泥浆的失水、析水产生影响，造成高压下失水过大，丧失水泥浆固井基本属性。

针对以上不足，本发明采用羟基改性碳纳米管作为触变剂，碳纳米管表面的极性基团羟基与油井水泥中的硅形成稳定的化学键，提升了碳纳米管与水泥的界面粘结强度，使其在外部环境发生剧烈变化时，水泥浆内部影响较小，稳定性显著提高。一定长径比的碳纳米管接枝一定比例的羟基后可与油井水泥产生快速的物理交联作用，宏观上表现为触变性，同时碳纳米管本身的材料属性（如比钢高100倍的拉伸强度）又对水泥浆后期力学性能发展有显著的提升效果。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种碳纳米管触变性固井水泥浆及其制备方法，所述固井水泥浆的触变性强，后期强度高。

一种碳纳米管触变性固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：油井水泥100份，降失水剂2-5份，分散剂0.06-0.12份，羟基改性碳纳米管0.03-0.06份，消泡剂0.05-0.2份、清水45-50份。

优选地，所述羟基改性碳纳米管式通过以下方法制备得到的：将原料碳纳米管与聚乙烯按照质量比1:3混合，然后加入水中，机械搅拌10min后超声处理15min，形成碳纳米管溶液，然后加入四聚丙烯基苯磺酸钠，在150℃下搅拌反应2h，自然冷却后过滤，清水洗涤，105℃下干燥24h，即得到羟基改性碳纳米管。

优选地，所述碳纳米管触变性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3份，分散剂0.06-0.12份，羟基改性碳纳米管0.03-0.06份，消泡剂0.2份、清水48份。

优选地，所述降失水剂为聚合物类降失水剂。

优选地，所述分散剂为阿拉伯树胶。

优选地，所述油井水泥为g级油井水泥。

优选地，所述消泡剂为有机硅类消泡剂。

优选地，所述原料碳纳米管的长径比为100-400，比表面积大于100m²/g。

优选地，所述羟基改性碳纳米管中羟基的重量含量为0.7-2.0%。

上述碳纳米管触变性固井水泥浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）取油井水泥、降失水剂，混合，得到固体混合物；

（2）取清水、羟基改性碳纳米管、分散剂、消泡剂混合，在300w的功率下超声处理20-30min，得到混合溶液；

（3）在步骤（2）得到的混合溶液转速为4000±200r/min的搅拌条件下，将步骤（1）得到的固体混合物在15s内加入其中，然后继续搅拌35s，即可。

本发明所述的聚合物类降失水剂为现有技术中的聚合物类降失水剂，比如：非离子型聚合物聚乙烯醇、阳离子型聚合物。

本发明所述的有机硅类消泡剂为现有技术中的有机硅类消泡剂，如：聚二甲基硅氧烷、乙二醇硅氧烷。

本发明的优点：

本发明提供的固井水泥浆，加入羟基改性碳纳米管后，触变性和水泥浆后期强度均提高，24h抗压强度提高60%以上、抗折强度提高40%以上，另外，碳材料的化学稳定性极高，与水泥浆及钻井液中的其他化学物质无反应，因此不会影响其他化学外加剂的效果发挥，浆体的失水、析水可有效控制。

附图说明

图1采用滞后环法检测实施例3和对比例1固井水泥浆的触变性；

图2采用滞后环法检测实施例4和对比例1固井水泥浆的触变性；

图3对比例1水泥浆的触变性随时间的变化关系；

图4实施例4水泥浆的触变性随时间的变化关系。

具体实施方式

实施例1

1.一种碳纳米管触变性固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：g级油井水泥100份，降失水剂2份，分散剂0.06份，羟基改性碳纳米管0.03份，消泡剂0.05份、清水45份，

其中，羟基改性碳纳米管是通过以下方法制备得到的：将长径比为100-400，比表面积大于100m²/g的原料碳纳米管与表面活性剂聚乙烯按照质量比1:3混合，然后加入水中，搅拌10min后超声处理15min，形成碳纳米管溶液，然后加入四聚丙烯基苯磺酸钠，在150℃下搅拌反应2h，自然冷却后过滤，清水洗涤，然后在105℃下干燥24h，即得到羟基改性碳纳米管，制备得到的羟基改性碳纳米管中的羟基重量含量为0.7-2.0%；

所述降失水剂为聚合物类降失水剂；

所述分散剂为阿拉伯树胶；

所述消泡剂为有机硅类消泡剂；

2.所述碳纳米管触变性固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：

（1）取油井水泥、降失水剂，混合，得到固体混合物；

（2）取清水、羟基改性碳纳米管、分散剂、消泡剂混合，在300w的功率下超声处理25min，得到混合溶液；

（3）在步骤（2）得到的混合溶液转速为4000±200r/min的搅拌条件下，将步骤（1）得到的固体混合物在15s内加入其中，然后继续搅拌35s，即可。

实施例2

1.一种碳纳米管触变性固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：g级油井水泥100份，降失水剂5份，分散剂0.1份，羟基改性碳纳米管0.04份，消泡剂0.15份、清水50份，

其中，羟基改性碳纳米管同实施例1；

所述降失水剂为聚合物类降失水剂；

所述分散剂为阿拉伯树胶；

所述消泡剂为有机硅类消泡剂；

2.所述碳纳米管触变性固井水泥浆的制备方法，同实施例1。

实施例3

一种碳纳米管触变性固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：g级油井水泥100份，降失水剂3份，分散剂0.06份，羟基改性碳纳米管0.03份，消泡剂0.2份、清水48份，

其中，羟基改性碳纳米管同实施例1；

所述降失水剂为聚合物类降失水剂；

所述分散剂为阿拉伯树胶；

所述消泡剂为有机硅类消泡剂；

2.所述碳纳米管触变性固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：

（1）取油井水泥、降失水剂，混合，得到固体混合物；

（2）取清水、羟基改性碳纳米管、分散剂、消泡剂混合，在300w的功率下超声处理20min，得到混合溶液；

（3）在步骤（2）得到的混合溶液转速为4000±200r/min的搅拌条件下，将步骤（1）得到的固体混合物在15s内加入其中，然后继续搅拌35s，即可。

实施例4

一种碳纳米管触变性固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：g级油井水泥100份，降失水剂3份，分散剂0.12份，羟基改性碳纳米管0.06份，消泡剂0.2份、清水48份，

其中，羟基改性碳纳米管同实施例1；

所述降失水剂为聚合物类降失水剂；

所述分散剂为阿拉伯树胶；

所述消泡剂为有机硅类消泡剂；

2.所述碳纳米管触变性固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：

（1）取油井水泥、降失水剂，混合，得到固体混合物；

（2）取清水、羟基改性碳纳米管、分散剂、消泡剂混合，在300w的功率下超声处理30min，得到混合溶液；

（3）在步骤（2）得到的混合溶液转速为4000±200r/min的搅拌条件下，将步骤（1）得到的固体混合物在15s内加入其中，然后继续搅拌35s，即可。

对比例1（不含羟基改性碳纳米管，其他同实施例3）

一种固井水泥浆，由以下重量份的原料组成：g级油井水泥100份，降失水剂3份，分散剂0.06份，消泡剂0.2份、清水48份，

其中，所述降失水剂为聚合物类降失水剂；

所述分散剂为阿拉伯树胶；

所述消泡剂为有机硅类消泡剂；

2.所述固井水泥浆的制备方法，同实施例3。

一.常规性能检测

对实施例3-4及对比例1的固井水泥性能，测试结果见表1。

表1常规性能检测结果

由表1可知，本发明提供的碳纳米管触变性固井水泥浆与对比例1不添加碳纳米管的水泥浆相比，失水、析水性能相近，但是24h抗压强度和抗折强度提高明显，这对固井工程即为有利。

二.触变性检测

1.采用滞后环法检测固井水泥的触变性，结果见图1、图2。

根据滞后环法测试原理，粘度计转速由高到低测试的剪切应力与由低到高测试的剪切应力围成的面积越大，则触变性越强。

由图1、图2可知，实施例3和实施例4测试的剪切应力围成的“3”和“4”区域的面积远大于对比例1测试的剪切应力围成的区域“1”的面积。加入羟基改性碳纳米管的水泥浆的触变性要远强于对比例1不含有碳纳米管的，而且，实施例4中羟基改性碳纳米管碳纳米管的加量大于实施例3，实施例4的触变性优于实施例3，羟基改性碳纳米管的含量增加有助于固井水泥浆触变性的提高。

2.采用稠化停机实验评价水泥浆的触变性随时间的变化关系，分别测试对比例1和实施例4高温高压搅拌过程中短暂停止搅拌后的稠度变化，第一次停机时间为5min，第二次停机时间为10min，测试结果见图3、图4。

由图3、图4中可知，5min停机后开始搅拌后，两种水泥浆均有一定的稠度增稠并快速恢复的现象（触变性），但实施例4的稠度增稠幅度达250%以上，而对比例1仅为90%左右；10min停机后，实施例4增稠幅度达到了350%以上，对比例1为220%左右。因此，与对比例1相比，本发明提供的水泥浆在添加羟基改性碳纳米管后，触变性更强，且随着时间的增长幅度不断增大。