[发明专利]一种适用于煤层气的弹韧性固井水泥浆及其制备方法

说明书

本发明提供了一种适用于煤层气的弹韧性固井水泥浆，包括：油井水泥100重量份；水溶性树脂12～15重量份；纤维0.8～4重量份；纳米颗粒7～9重量份；水35～48重量份。与现有技术相比，本发明利用纳米颗粒调控水泥浆水化反应；同时填充水泥石中的微孔隙，提高水泥石致密性，优化强度；同时加入纤维不仅可在裂缝中起到架桥作用，还可在水泥石中形成致密网状结构，吸收外力冲击，提高水泥的抗拉强度；再者加入水溶性树脂作为胶结材料可提高封堵材料之间及封堵材料与裂缝表面的胶结，进一步提高封堵结构的稳定性，并且由于树脂材料具有较好的弹韧性，可提高水泥浆的弹韧性。

技术领域

本发明属于煤层气开采技术领域，尤其涉及一种适用于煤层气的弹韧性固井水泥浆及其制备方法。

背景技术

现有煤层气开采过程中，因为煤层区块多，煤层之间的间隔小，必须采用射孔的方式注入水泥浆。在射孔过程中，射孔弹会在引爆的瞬间产生高速聚能射流作用到套管、水泥环、围岩的封隔结构上，对水泥环造成一定的损伤。特别是，套管、水泥环、地层岩石具有不同的弹韧性及强度，在受到外力冲击的情况下，易发生不同的形变导致水泥环本体破坏以及第一界面(套-水泥环界面)、第二界面(水泥环-围岩界面)的胶结脱离、微环隙等。

为了保证水泥环及固井界面在射孔过程中的完整性，需提高水泥石的弹韧性和强度。通常，通过在水泥浆中掺入橡胶、树脂、纳米材料、纤维、胶乳、高分子聚合物等材料对水泥浆进行弹韧性改造。如Soltanian等人利用羧基化单体的改性三元共聚物橡胶来提高水泥石弹韧性，增加了水泥石弹性(降低杨氏模量，增加泊松比)，但由于改变了水泥石内部结构，导致其强度降低；Wang等人利用改性多壁碳纳米管来提高水泥石韧性，研究表明，少量的改性多壁碳纳米管加入即可使水泥浆断裂能提高5倍，且水泥石致密性提高，表现出较好的水泥石强度发展，但是改性多壁碳纳米管成本较高，在当前工程现状下无法大面积推广；吕斌等利用经过表面修饰和接枝改性的超细氧化金属或氧化硅颗粒为主要增强剂，配合相关性能调控剂，制备了早强韧性水泥浆体系，稠化时间可调、过渡时间短，弹性模量小于6.6GPa；吴雪平等人利用胶乳体系及胶乳稳定剂，配合增强增韧剂及纤维材料，大大提高了水泥石抗冲击性能，降低了弹性模量；程小伟等在专利CN101857800A“一种固井用堵漏水泥浆及其制备方法”提出，采用麻纤维材料，利用纤维表面化学基团的变化导致表面能的改变及化学键合作用的增强，以及表面粗糙度的增加引起机械锁结作用增强，增进界面的致密性，加强界面粘结强度，提高堵漏性能和水泥石韧性；范佳晨等在专利CN104946219A“一种低密度高强水泥浆”中提出，液体二氧化硅与中空玻璃微珠为减轻剂，同时采用纤维材料架桥，在有效降低密度的前提下，保证水泥石强度和较好的流变性。

采用橡胶材料、胶乳材料、纤维材料及纳米材料等，虽然均可以在一定程度上改性水泥石内部结构，改性其力学性能，在一定程度上解决水泥石在射孔冲击作用下易破坏变形的问题，但仍存在以下几点不足：(1)橡胶材料可改善力学性能，但其耐温性差，在高温条件下体系易发生变形，失去原有特性，甚至影响水泥石本身强度，并且橡胶材料本身也有可能改变水泥石内部应力分布，对其强度产生一定的、难以控制的影响；(2)利用胶乳材料可改善微观结构，提高水泥力学特性，但胶乳材料含有较大量的亲油基团，易对水泥水化产生影响，因此在采用胶乳材料时需严格控制相关加量，并且胶乳可能对环境产生一定程度的影响；(3)纳米材料可以起到填充水泥石孔隙、参与水化反应等作用，改善水泥石微观结构，但目前对其调控规律研究尚不充分，无法有效指导纳米材料优选，并且，部分纳米材料成本较高，不适合在工程应用中大面积推广；(4)纤维材料等具有较高的力学性能改性作用，但往往需要进行合理的表面改性，并且纤维材料对水泥石弹性模量的改性能力有限，无法有效改善水泥石弹性模量。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高强度的适用于煤层气的弹韧性固井水泥浆及其制备方法。

本发明提供了一种适用于煤层气的弹韧性固井水泥浆，包括：

优选的，所述纤维的长度为2～8mm；所述纳米颗粒的粒径为50～200nm。