一種改性天然巖瀝青增韌劑及其增韌的油井水泥漿體系的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種低溫等離子體改性的天然巖瀝青增韌劑，以及該改性天然巖瀝青 增韌的油井水泥漿體系。
【背景技術】
[0002] 固井工程是鉆井后下入套管，并在套管與井壁的環空中注入水泥漿，將泥漿自下 而上地置換出來，同時固結井壁筒的作業。水泥漿與地層和套管形成良好膠結，并形成均一 完整的水泥環，能夠固定套管、加固井壁、有效封隔油氣層，具有良好的層間封隔能力，是油 氣正常開采的有力保障。
[0003] 固井作業中注入的水泥漿體硬化后形成的水泥石是一種多相多晶非均質的復合 材料體系，其鍵合類型主要以離子鍵和共價鍵為主，體系的可活動滑移系較少，在外力作用 下水泥石不能產生塑性變形，表現為脆性斷裂。注水泥所形成的水泥石本身就是帶有大量 微裂紋和孔隙缺陷的脆性材料，隨著應力的增加容易引起缺陷的發展。油井開采過程中的 套管試壓，大規模強化開采措施，如射孔、酸化、壓裂等后期作業均會對水泥環帶來嚴重的 應力沖擊，根據斷裂力學理論，隨著應力水平的發展，一旦斷裂強度因子大于材料的斷裂韌 性時，裂紋將迅速擴展，導致突發性脆性開裂，造成油、氣、水薄夾層段間竄槽，使水泥環失 去層間封固能力。所以提高水泥環的形變能力，使其在整個油氣井正常生產壽命期保持完 整性，對提高固井質量，滿足油氣井長期安全開采的生產要求意義重大。
[0004] 目前，國內外學者多借鑒陶瓷增韌的機理和方法，采用摻入各種外摻料的方式來 降低固井水泥石的脆性，提高其抗形變能力。也有學者曾采用乳化瀝青、磺化瀝青等來增韌 油井水泥石（張春梅，張虎，尹強.改性瀝青粉對油井水泥漿體系的影響研究.鉆井液與 完井液，2014, 31 (5) :75-77)。研究發現，瀝青能明顯地提高油井水泥石的抗拉強度和抗形 變變形的能力，在固井工程中極具應用前景。由于井底高溫高壓的特殊環境和固井水泥漿 體系性能的要求，使得瀝青的軟化點和親水性成為了衡量瀝青能否在固井中應用的重要指 標。要使瀝青增韌油井水泥漿體系達到大規模的工程化應用，還需重點解決以下兩方面的 問題：一是滿足井底環境的要求，選擇的瀝青材料的軟化點要高，能滿足中深井或深井的使 用要求；二是水泥漿體的穩定性問題，解決瀝青與水泥漿體的相容性和分散性問題。
[0005] 針對以上問題，本發明采用天然巖瀝青作為固井水泥石的增韌劑。天然巖瀝青 是石油在自然界長期受地殼的擠壓，從地殼中冒出來，存在于山體和巖石裂縫中，在熱、壓 力、氧化、觸媒、細菌等的綜合作用下，經過長達億萬年的蒸發凝固而形成的以天然形態存 在的瀝青類物質。同人工煉制的瀝青相比，天然巖瀝青的優點是性質穩定，軟化點高，可達 120-200°C，能滿足中深井和深井的使用的要求。但是天然巖瀝青表面是親油的，與油井水 泥漿體系相容性差，因此本發明采用低溫等離子體技術對其進行表面改性，改善巖瀝青表 面的浸潤性，提高其與水泥漿體的相容性。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種改性天然巖瀝青增韌劑，該增韌劑軟化點高達120°C， 能在中深井環境中使用，其制備方法具有高效、低溫、低能耗、環保、不破壞材料本體性能等 優點，應用前景廣闊。
[0007] 本發明的另一目的還在于提供上述改性天然巖瀝青增韌劑增韌的油井水泥漿體 系，該水泥漿體系改善了增韌劑與油井水泥漿體的相容性和分散性，保證了水泥漿體的穩 定性，其綜合力學性能良好，硬化后的水泥石初性提尚幅度大，能滿足中深井使用要求。
[0008] 為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案。
[0009] -種改性天然巖瀝青增韌劑，通過如下方法制備：將2-10克天然巖瀝青粉末盛于 干燥的樣品板上，放入低溫等離子體處理儀腔體內，打開真空栗，待腔體內真空度達到l〇Pa 以下時，通入氧氣，設置氧氣流量為30-50cm3/min，調節高頻電源功率為80-120w，開始對天 然巖瀝青進行低溫等離子體改性，60-300S后即得改性天然巖瀝青增韌劑。
[0010] 上述改性天然巖瀝青增韌劑增韌的油井水泥漿體系，由以下各組分按重量份配比 組成：
[0011] 油井水泥 100份，
[0012] 改性天然巖瀝青增韌劑1~4份，
[0013] 分散劑 1~3份，
[0014] 降失水劑 1~3份，
[0015] 緩凝劑 0.1~2份，
[0016] 懸浮穩定劑1~3份，
[0017] 消泡劑 0.01~0.6份，
[0018]水 40~50份。
[0019] 所述油井水泥為G級油井水泥。
[0020] 所述分散劑為磺化三聚氰胺甲醛樹脂。
[0021] 所述降失水劑為羥丙基纖維素或磺化聚乙烯甲苯。
[0022] 所述緩凝劑可以是葡萄糖酸鈣、磺化單寧中的一種或兩種混合物。
[0023] 所述懸浮穩定劑為膨潤土，產品技術指標符合標準GB/T5005-2001。
[0024] 所述消泡劑為磷酸三丁酯或聚乙二醇。
[0025] 改性天然巖瀝青增韌的油井水泥漿體系的制備方法如下：
[0026] 稱取100重量份油井水泥、1~4重量份增韌劑、1~3重量份懸浮穩定劑、1~3 重量份分散劑、1~3重量份降失水劑、0. 1~2重量份緩凝劑，將上述材料干混為干粉混合 物。量取40~50重量份水，0. 01~0. 6重量份消泡劑混于水中，將水溶液放在高速攪拌器 中，攪拌器以低速（4000±200轉/分）轉動，并在15秒內加完稱取的干粉混合物，蓋上攪 拌器的蓋子，高速（12000±500轉/分）下繼續攪拌35秒，即得改性天然巖瀝青增韌的油 井水泥漿體系。
[0027] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0028] (1)增韌劑采用的天然巖瀝青軟化點高達120°C，能滿足中深井和深井使用要求；
[0029] (2)低溫等離子體技術改性天然巖瀝青的方法可靠，成本低，性能優良；
[0030] (3)低溫等離子體技術改性后的天然巖瀝青親水性好，配制的水泥漿體系穩定性 好、流動性好、能延長安全注水泥時間，滿足現場注水泥施工要求；
[0031] (4)該水泥漿體硬化后形成的水泥石同未加改性天然巖瀝青增韌劑的水泥石 相比，抗壓強度降低幅度不大。60°C抗拉強度最大可以提高69. 5%，脆性系數最大降低 44. 6% ;90°C抗拉強度最大可以提高20. 3%，脆性系數最大降低23. 2% ;120°C抗拉強度最 大可以提高31. 7%，脆性系數最大降低39. 7%，水泥石脆性改善，韌性得到提高。
[0032] 本發明提供了一套技術可靠，現場施工方便，成本低，既能滿足固井所需的各項工 程性能指標，又能改善水泥石固有脆性的天然巖瀝青增韌的油井水泥漿體系。
【具體實施方式】
[0033] 下面通過實施例進一步說明本發明。
[0034] 實施例1
[0035] 空白水泥漿體系的配制：
[0036] 稱取100重量份油井水泥、1重量份的膨潤土、1重量份磺化三聚氰胺甲醛樹脂、3 重量份磺化聚乙烯甲苯、〇. 5重量份葡萄糖酸鈣干混為干粉混合物。量取46重量份水、0. 03 重量份磷酸三丁酯混于水中，將水溶液放在高速攪拌器中，攪拌器以低速（4000 ± 200轉/ 分）轉動，并在15秒內加完稱取的干粉混合物，蓋上攪拌器的蓋子，高速（12000±500轉/ 分）下繼續攪拌35秒，即得空白對比樣水泥漿體系。
[0037] 實施例2
[0038]①改性天然巖瀝青增韌劑的制備：
[0039] 將5克天然巖瀝青粉末盛于干燥的樣品板上，放入低溫等離子體處理儀腔體內， 然后關閉反應腔門。點擊手動實驗后打開真空栗，待腔體內真空度達到l〇Pa以下時，打開 氧氣瓶閥門，在控制面板上設置流量閥流量為40cm3/min，打開流量閥，待當前流量與設定 流量一致時，設置改性功率為l〇〇w，調節高頻電源使當前功率與設置功率相同，此時，開始 對天然巖瀝青進行低溫等離子體改性。待改性時間為180s時，依次關掉高頻電源、流量閥 和真空栗，待腔體內真空度穩定后取出樣品，即得改性天然巖瀝青增韌劑。
[0040] ②改性天然巖瀝青增韌的油井水泥漿體系的配制：
[0041 ] 稱取100重量份油井水泥、1重量份的改性天然巖瀝青粉、3重量份的膨潤土、1重 量份磺化三聚氰胺甲醛樹脂、2重量份磺化聚乙烯甲苯、1. 5重量份葡萄糖酸鈣、0. 1重量份 磺化單寧干混為干粉混合物。量取48重