温敏性膨胀微胶囊防气窜剂及防气窜水泥浆体系

摘要

本发明公开了温敏性膨胀微胶囊防气窜剂及防气窜水泥浆体系，该微胶囊防气窜剂制备如下：在烧杯中加入3‑4份丙烯腈、0.4‑0.5份丙烯酸甲酯、2‑3份甲基丙烯酸甲酯，再加入1‑2份过氧化月桂酰作为引发剂，10‑30份低沸点溶剂作为发泡剂，0.1‑0.2份1，4‑丁二醇二甲基丙烯酸酯作为交联剂，搅拌溶解，转入玻璃反应釜，加入20‑25份纳米二氧化硅作为分散剂，加入300‑350份去离子水，在氮气保护下60‑70℃恒温水浴反应20‑24h，降温、洗涤、干燥。该防气窜水泥浆体系包括：油井水泥100份，降失水剂1.5‑2份，分散剂2‑3份，防气窜剂0.1‑1份，缓凝剂0‑3份，消泡剂0.2份，密度调节剂0‑50份，水44份。本发明能有效弥补水泥石体积收缩，封隔地层流体防止窜流，预防环空带压现象发生，延长油井使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及固井水泥浆领域一种温敏性膨胀微胶囊防气窜剂及其在制备防气窜水泥浆体系中的应用。

背景技术

油井水泥水化过程中的体积收缩，是造成水泥环界面胶结质量差、诱发井内油、气、水窜流及油层污染、投产后环空带压的主要原因，这是尚未得到很好解决的固井技术难题。水泥浆在塑性状态下体积收缩会使水泥浆柱的孔隙压力降低(胶凝失重)，凝固后体积收缩使水泥环与地层和套管间的胶结出现问题，形成微间隙，收缩量的95％以上发生在水泥浆终凝以后，体积收缩量为水泥浆总体积的2.6％-5.0％，水泥浆的体积收缩既影响固井质量，形成潜在风险，又会造成油气资源大量流失。

在水泥中添加膨胀剂是封闭微环空间隙从而提高水泥石两界面固井质量的有效措施之一。国内外使用的膨胀剂种类很多，膨胀剂的作用方式主要有充气法、发气法、固相膨胀法等，传统的防气窜剂主要是金属铝及其氧合物、胶乳类、聚乙烯醇和硫酸钙。但现有防气窜剂存在以下问题：发气类防气窜剂(如KQ系列)，具有发气量不可控的缺陷；胶乳类防气窜剂(油田深井固井用多效胶乳防气窜剂及其制备方法CN103834374A)添加量较大，当存储温度较低时还会发生破乳，影响防气窜效果；聚乙烯醇不能在高温高盐环境中使用；固相膨胀类防气窜剂(郑国生等.塑性膨胀防气窜水泥浆体系研究与应用.[J].石油钻采工艺,2013,35(5):52-55)的主要成分是硫酸钙，主要缺点是膨胀性能不足，膨胀时间、膨胀井深不可控。

发明内容

本发明的目的在于提供温敏性膨胀微胶囊防气窜剂，该防气窜剂是一种遇热体积发生变化的微胶囊，其发气量可控，定点定温发挥作用且包衣耐碱，地面性能稳定，不影响正常配浆打浆，施工工艺简单易推广，具有广阔的市场前景。

本发明的另一目的还在于提供利用上述温敏性膨胀微胶囊防气窜剂制备的防气窜水泥浆体系，该防气窜水泥浆体系能在预设位置开始膨胀，有效弥补水泥石体积收缩，封隔地层流体防止窜流，预防环空带压现象发生，提高油井产能，延长油井使用寿命。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

温敏性膨胀微胶囊防气窜剂，通过以下组分采用悬浮聚合法制备，过程如下：在烧杯中加入3-4份丙烯腈(AN)、0.4-0.5份丙烯酸甲酯(MA)、2-3份甲基丙烯酸甲酯(MMA)，再加入1-2份过氧化月桂酰(LPO)作为引发剂，10-30份低沸点溶剂作为发泡剂，0.1-0.2份1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯(BDDMA)作为交联剂，电磁搅拌溶解，转入玻璃反应釜，然后加入20-25份纳米二氧化硅作为分散剂，加入300-350份去离子水，以1200r/min的速度搅拌8-10min，在氮气保护下60-70℃恒温水浴反应20-24h后，降温、洗涤、干燥，即得微胶囊防气窜剂，上述物质均为重量份。

在过氧化月桂酰(LPO)的引发下丙烯腈(AN)、丙烯酸甲酯(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)发生共聚反应形成长链线型分子，在1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯(BDDMA)的作用下线型分子相互键合交联成网状分子结构，在纳米二氧化硅的作用下低沸点溶剂逐渐被网状分子包裹，形成温敏性膨胀微胶囊。

所述低沸点溶剂为气化温度在-40-40℃范围内的有机溶剂，如丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷等。

所述温敏性膨胀微胶囊防气窜剂是一种遇热体积发生变化的微胶囊，具有热塑性外壳，内包低沸点有机溶剂，根据不同用途其直径一般为5-500μm不等。

该微胶囊的壁材为丙烯腈(AN)、丙烯酸甲酯(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)三者共聚物，芯材为低沸点溶剂，地面常温常压下性质稳定，单独与水泥浆共混后不影响配浆、打浆，当微胶囊随温度升高而高于溶剂沸点时，溶剂汽化而使微胶囊逐渐地、均匀地气化膨胀，弥补水泥浆的体积收缩，温度下降后壁材不收缩且具有较高气密性从而维持膨胀后的状态，能够保证水泥浆温度降低后不会出现体积回缩的现象，保证施工的安全性。

利用上述温敏性膨胀微胶囊防气窜剂制备的防气窜水泥浆体系，由以下各组分按重量份配比组成：油井水泥100份，降失水剂1.5-2份，分散剂2-3份，防气窜剂0.1-1份，缓凝剂0-3份，消泡剂0.2份，密度调节剂0-50份，水44份。

所述油井水泥是满足API规范的G级高抗硫油井水泥。

所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸或羟乙基纤维素。

所述分散剂为聚苯乙烯磺酸盐。

所述防气窜剂为温敏性膨胀微胶囊。

所述缓凝剂为木质素磺酸钠或柠檬酸。

所述消泡剂为二甲基硅油或磷酸三丁酯。

所述密度调节剂为铁矿粉或重晶石。

在4000转/min转速的搅拌条件下，将以上材料均匀混合，然后以12000转/min的转速搅拌并消泡，即可得到温敏性膨胀微胶囊防气窜水泥浆体系。

温敏性膨胀微胶囊防气窜水泥浆体系通过微胶囊膨胀弥补水泥浆收缩，预防因水泥浆体积收缩造成地层流体窜流的风险，能有效封隔油气水层，具有膨胀率高、水泥石强度高、不衰退、体积稳定的优点，克服了现有技术存在的缺陷和不足。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)该温敏性膨胀微胶囊防气窜剂具有发气量可控，定点定温发挥作用且包衣耐碱，地面性能稳定，原料常见且成本低廉；

(2)该温敏性膨胀微胶囊防气窜剂自身膨胀倍率在50-70倍，按照适当比例掺混到水泥浆中，能有效弥补水泥硬化过程中的体积收缩；

(3)该膨胀微胶囊防气窜水泥浆体系，配制简单，易于推广，能在预设位置开始膨胀，弥补水泥石体积收缩，封隔地层流体防止窜流，预防环空带压现象发生，提高油井产能，延长油井使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对该温敏性膨胀微胶囊防气窜剂及防气窜水泥浆体系进行详细说明。

实施例1

温敏性膨胀微胶囊防气窜剂的制备(以下物质均为重量份)，过程如下：

配方1：丙烯腈3份，丙烯酸甲酯0.4份，甲基丙烯酸甲酯2份，引发剂过氧化月桂酰1份，发泡剂异丁烷10份，交联剂1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯0.1份，电磁搅拌溶解，转入反应玻璃釜，加入分散剂纳米二氧化硅20份，去离子水300份，1200r/min搅拌8-10min，氮气保护下62℃恒温水浴反应24h后，降温，洗涤，干燥即得。

配方2：发泡剂异丁烷15份，其他与配方1相同。

配方3：发泡剂异丁烷20份，其他与配方1相同。

配方4：发泡剂异丁烷25份，其他与配方1相同。

配方5：发泡剂异丁烷30份，其他与配方1相同。

表1 发泡剂用量对微胶囊膨胀温度的影响

配方号最佳膨胀温度/℃承受最高温度/℃1102125298123390120487119583120

实施例2(以下物质均为重量份)

空白样：油井水泥100份，2份分散剂，混合搅拌均匀即得干混材料；1.5份降失水剂、1份缓凝剂、0.2份消泡剂溶于44份水中搅拌均匀，即得湿混材料；在4000转/min转速的搅拌条件下，将干混材料匀速加入湿混材料中(用时15s)，然后以12000转/min的转速搅拌35s并消泡，即得到对比组水泥浆体系。

一种温敏性膨胀微胶囊防气窜水泥浆体系的制备，过程如下：

配方A：油井水泥100份，防气窜剂膨胀微胶囊0.1份，2份分散剂，混合搅拌均匀即得干混材料；1.5份降失水剂、1份缓凝剂、0.2份消泡剂溶于44份水中搅拌均匀，即得湿混材料；在4000转/min转速的搅拌条件下，将干混材料匀速加入湿混材料中(用时15s)，然后以12000转/min的转速搅拌35s并消泡，即得到温敏性膨胀微胶囊防气窜水泥浆体系。

配方B：防气窜剂微胶囊0.3份，其他均与配方A相同，参照GB/T 19139-2012(油井水泥试验方法)和SY/T 5504.5-2010(油井水泥外加剂评价方法第5部分：防气窜剂)对上述水泥浆的性能进行评定，结果见表2、表3。

表2 空白样、配方A、配方B在不同温度下的水泥浆综合性能

注：API失水条件为90℃×7.1MPa×30min

稠化条件为120℃×80MPa×60min

表3 空白样、配方A、配方B的防气窜性能评价

依据表2、表3可知防气窜剂膨胀微胶囊并不影响水泥浆的工程性能，50℃时并不能很好的防止气窜，这是由于温敏性膨胀微胶囊的特点是定温定点发挥作用，其起始膨胀温度是70℃，达到其膨胀温度后防气窜性能良好，与现有技术相比具有明显进步。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不能以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。