一种低密度水泥浆用悬浮早强剂的制作方法

本发明涉及油田固井水泥浆，特别涉及一种低密度水泥浆用悬浮早强剂。

背景技术：

1、随着勘探开发的不断深入，易漏失地层、全井封固井施工越来越多，对低密度水泥浆高温下的沉降稳定性和顶部强度发展要求也也来越高。低密度水泥浆中需要加入减轻材料部分代替油井水泥或者提高液/固比，以降低水泥浆的密度，这些材料多为惰性材料，不具备反应活性，因此会造成固化后水泥石强度偏低、孔隙度变大，特别是对于长封固段固井，顶部强度发展慢等。如果单纯以降低水灰比来提升水泥石强度，又会造成水泥浆流变性变差，难以施工。国外斯伦贝谢公司最先将颗粒级配理论引入到非常规密度水泥浆设计中，通过不同粒径材料的级配达到紧密堆积的目的，在保证水泥浆流变性的前提下，减小自由水含量，开发形成了litecreat水泥浆，实现了低密度水泥浆在抗压强度、稳定性、耐腐蚀性等诸多性能指标上与常规密度水泥浆相媲美。国内各大油服公司也开展了相关的研究，比如中油渤星公司基于紧密堆积理论，开发了bxe-600s、bxe-680s系列减轻增强材料，宁夏亿昀公司开发的nxyn系列减轻剂，国内也有中钢马鞍山、圣莱特开发了系列的高强度玻璃微珠作为减轻剂，然而这些材料在使用的过程中，低温强度发展慢、高温沉降稳定性差等共性问题没有彻底解决。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种克服目前的低密度水泥浆低温强度发展慢、高温沉降稳定性差等问题的低密度水泥浆用悬浮早强剂。

2、为此，本发明技术方案如下：

3、一种低密度水泥浆用悬浮早强剂，包括以重量份计的30～60份的改性纳米介孔分子筛粉末、10～20份纳米偏高岭土、10～20份改性生物多糖共聚物和20～30 份超细二氧化硅粉末；其中改性纳米介孔分子筛采用模板剂交换的方式将硝酸锂、氯化锂和甲酸钙混合溶液中的金属阳离子与mcm-48介孔分子筛中的阳离子表面活性剂进行交换改性，再经混合的三乙醇胺和三异乙醇胺进行吸附改性制备而成；改性生物多糖共聚物采用对苯乙烯磺酸和丙烯腈对温轮胶进行接枝共聚制备而成。

4、优选地，改性纳米介孔分子筛的制备过程中，硝酸锂、氯化锂和甲酸钙的重量比为1:1:0.5；三乙醇胺和三异乙醇胺的重量比为1:1。

5、优选地，改性纳米介孔分子筛粉末的粒径为0.05～0.3μm。

6、优选地，改性纳米介孔分子筛采用如下方法制备而成：

7、交换改性：将重量比为1:1:0.5的硝酸锂、氯化锂和甲酸钙溶于水，配制得到0.5wt.％的混合盐溶液；按照每100重量份混合盐溶液中加入10重量份的mcm-48 介孔分子筛粉末的比例配制混合体系，待搅拌2～4h后，经过滤，将分子筛粉末置于550℃下焙烧8h，得到完成交换改性的分子筛粉末；

8、吸附改性：在1000重量份乙醇中加入50重量份交换改性的分子筛粉末，搅拌条件下，再加入0.5重量份由重量比为1:1三乙醇胺和三异乙醇混合的混合物，并继续搅拌至少2h；经过滤、干燥，制得到改性纳米介孔分子筛粉末。

9、在低密度水泥浆用悬浮早强剂中，改性纳米介孔mcm-48能够利用其悬浮作用，使体系粘度增加；同时，钙、锂离子、三乙醇胺均匀的分散在介孔纳米材料孔道表面，增加了其活性位点，可提高水泥石的早期强度。

10、优选地，纳米偏高岭土的粒径为80～150nm。纳米偏高岭土为高活性的人工火山灰材料，可与ca(oh)2和水发生火山灰反应，生成与水泥类似的水化产物。在低密度水泥浆中可不仅使水泥石的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度增强，而且增加水泥石的韧性。

11、优选地，超细二氧化硅的粒径为0.1～2μm。超细二氧化硅粉末在低密度水泥浆用悬浮早强剂中的作用为填充水泥石的微小缝隙，此外其颗粒较小，可起到二次激发水化的作用。

12、优选地，在改性生物多糖共聚物中，温轮胶、苯乙烯磺酸和丙烯腈的重量比为(5～10):(1～2):(2～3)。

13、优选地，该改性生物多糖采用如下方法制备而成：

14、s1、在300～500r/min的搅拌条件下，将温轮胶缓慢加入至200～400重量份水中，使温轮胶充分水化；

15、s2、待温轮胶在水中呈胶体状时，加入对苯乙烯磺酸和丙烯腈，并搅拌至全部溶解后，向其中滴加20～25wt.％的naoh水溶液以调节混合溶液的ph为5～5.5；

16、s3、向混合溶液中加入引发剂过硫酸铵引发自由基聚合反应，并于常温下反应2h后，将所得聚合物烘干，碾磨成粉，备用。

17、该改性生物多糖在低密度水泥浆用悬浮早强剂中的作用进一步提升水泥浆在高温下的悬浮稳定性能，来削弱水泥石在高温下的热稀释效应。

18、该低密度水泥浆用悬浮早强剂的特点在于，其采用多种具有悬浮作用的改性纳米介孔mcm-48、纳米偏高岭土、改性生物多糖共聚物以及超细二氧化硅粉复合而成，使其兼具悬浮性能在高温下性能良好，以及低温下早期强度发展快的优点；与此同时，各组分以自纳米级至微米级颗粒的形式加入形成颗粒级配，能够进一步提升水泥浆的非渗透性能。

19、与现有技术相比，该低密度水泥浆用悬浮早强剂为采用多种亲水性材料制备而成，使其在水相中分散性好，且体系密度在1.10～1.60g/cm3内可调；经实验验证，该早强剂在高温下性能稳定，抗温可达到150℃，其水泥石在150℃，24h 下的抗压强度≥17mpa，水泥石在50℃，48h下的顶部抗压强度≥7mpa/48h；在实际应用中，该早强剂相对于现有常规使用的悬浮剂加量大大减少，体系的悬浮稳定性、流变性均表现优异，且与其它外加剂配伍性好。

技术特征：

1.一种低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，包括以重量份计的30～60份的改性纳米介孔分子筛粉末、10～20份纳米偏高岭土、10～20份改性生物多糖共聚物和20～30份超细二氧化硅粉末；其中改性纳米介孔分子筛采用模板剂交换的方式将硝酸锂、氯化锂和甲酸钙混合溶液中的金属阳离子与mcm-48介孔分子筛中的阳离子表面活性剂进行交换改性，再经混合的三乙醇胺和三异乙醇胺进行吸附改性制备而成；改性生物多糖共聚物采用对苯乙烯磺酸和丙烯腈对温轮胶进行接枝共聚制备而成。

2.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，改性纳米介孔分子筛的制备过程中，硝酸锂、氯化锂和甲酸钙的重量比为1:1:0.5；三乙醇胺和三异乙醇胺的重量比为1:1。

3.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，改性纳米介孔分子筛粉末的粒径为0.05～0.3μm。

4.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，改性纳米介孔分子筛采用如下方法制备而成：

5.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，纳米偏高岭土的粒径为80～150nm。

6.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，超细二氧化硅的粒径为0.1～2μm。

7.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，温轮胶、苯乙烯磺酸和丙烯腈的重量比为(5～10):(1～2):(2～3)。

8.根据权利要求1所述的低密度水泥浆用悬浮早强剂，其特征在于，改性生物多糖采用如下方法制备而成：

技术总结本发明公开了一种低密度水泥浆用悬浮早强剂，包括改性纳米介孔分子筛粉末、纳米偏高岭土、改性生物多糖共聚物和超细二氧化硅粉末；改性纳米介孔分子筛采用模板剂交换的方式将硝酸锂、氯化锂和甲酸钙混合溶液中的金属阳离子与MCM‑48介孔分子筛中的阳离子进行交换改性，再经混合的三乙醇胺和三异乙醇胺进行吸附改性制备而成；改性生物多糖共聚物采用对苯乙烯磺酸和丙烯腈对温轮胶进行接枝共聚制备而成；该低密度水泥浆用悬浮早强剂在高温下性能稳定，抗温达150℃，其水泥石抗压强度≥17MPa/24h/150℃，水泥石顶部抗压强度≥7MPa/48h/50℃；在实际应用中，该早强剂相对于现有常规使用的悬浮剂加量大大减少，体系的悬浮稳定性、流变性均表现优异，且与其它外加剂配伍性好。技术研发人员：齐奔,马如然,刘文明,吴朝明,闫振峰,宗勇,凌勇,李小林,朱禹受保护的技术使用者：中国石油集团渤海钻探工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/19