[发明专利]一种表面亲水的废旧橡胶胶粉及其制备和应用方法

说明书

本发明提供一种表面亲水的废旧橡胶胶粉及其制备和应用方法，是以废旧橡胶胶粉为起始原料，依次经过卵清蛋白粉溶液和单宁酸溶液浸泡处理之后而得到的亲水改性橡胶粉，主要用作石油天然气井的固井水泥添加剂，可明显改善固井水泥石的抗冲击性能。与现有废旧橡胶粉表面亲水性改性方法相比，本发明提供的废旧橡胶粉亲水化改性方法工艺简单易行，对不同粒径的橡胶粉都适用，不涉及复杂的生产设备和生产装置，易于实现大规模工业化生产；整个生产过程都是在室温下进行，无需另外加热，能耗低；生产过程中使用的所有原料对生产人员和生态环境无毒无害，属于绿色环保技术工艺。

技术领域

本发明属于油气井固井水泥添加剂技术领域，主要涉及一种表面经过亲水化改性处理的弹塑性材料及其制备方法。

背景技术

固井作业是在套管与地层之间的环形空间注入水泥浆，凝固后形成水泥环(石)，对地层进行有效封隔，同时支撑和保护套管。在石油天然气勘探开发过程中，固井是钻完井作业过程中必不可少的一个重要环节，它包括下套管和注水泥等。注入油井水泥后形成的水泥环(石)的性能优劣对后续施工和生产具有重要影响。譬如，后续的钻进、固井、射孔及压裂施工过程中，水泥环(石)不可避免受到钻头、钻杆、套管、射孔弹和压裂液等的强烈碰撞和冲击，因普通水泥环具有脆性特点，其完整性会遭到破坏，导致后期层间密封性能失效，对油气井特别是高含酸性气体井后期增产措施及开发生产具有潜在安全隐患，无法保障油气井安全生产，造成巨大的经济损失。因此，水泥环(石)必须具备较高的韧性和抗冲击性。

提高固井水泥环(石)弹韧性和抗冲击性的技术方法之一，是向水泥浆中添加弹性微粒材料，常用的弹性颗粒材料包括合成胶乳和废旧橡胶胶粉等。废旧橡胶胶粉是以废旧轮胎等废旧橡胶制品为原料经过粉碎加工得到的产品，将其作为固井水泥增韧剂，不仅有助于解决日益严重的废旧橡胶污染环境问题，还可为固井作业公司提供物美价廉的水泥增韧剂产品，有利于相关企业降低成本、达到降本增效的目的。具有良好的社会意义和经济意义。但由于未经改性的橡胶胶粉表面呈惰性，亲水性差，因此与水泥浆相容性差，添加到水泥浆中之后难以均匀分散，容易聚集成团，且水泥固化成型后胶粉与水泥石的界面直接粘结性不强，严重影响水泥石的弹韧性和坑冲击性等力学性能，因此，废旧橡胶胶粉用作固井水泥增韧剂，使用之前必须对其进行表面亲水化改性。

目前，对废旧橡胶胶粉进行表面亲水化改性，其主要技术方法包括化学方法和物理方法。化学方法包括：通过表面接枝反应向橡胶粉表面接入亲水性化学基团(合成橡胶工业，2007，30(4)，290-293)；采用硅烷偶联剂对胶粉表面进行改性(当代化工，2019，48(3)，538-542)；采用溶胶-凝胶方法(正硅酸乙酯在氨水作用下水解)对胶粉进行改性(202010768215.3)；采用氢氧化钠溶液对胶粉进行表面物理清洗方法(201810516256.6)；采用多酚类物质和多巴胺组合物对胶粉表面进行改性(202010579329.3)。物理方法包括：利用臭氧辐照(201010550838.X)、微波辐照(ZL03134620.0)、离子体处理方法(201010167618.9)等物理方法进行改性；采用等离子体改性和接枝反应改性相结合的改性方法(201310228597.0)。

与化学改性方法相比较，物理改性方法改性作用仅发生在表面，不改变基材本体性能，无需溶剂，污染较小。但随着时间的推移，物理方法处理后的橡胶粉亲水性会下降，表面的极性基团减少，而且，物理方法通常需要复杂昂贵的设备装置、改性处理能力小，不利于大规模工业化生产。上述现有化学方法也面临这样那样的问题，比如：接枝反应改性方法需要复杂的前处理工艺、而且反应产物质量难以控制(产物是接枝产物和非接枝产物的混合物，分离纯化困难)。硅烷偶联剂改性和溶胶-凝胶改性方法能够向胶粉表面引入的亲水基团较少，改性后胶粉表面亲水性不甚理想；氢氧化钠清洗方法只能除去胶粉表面油脂类杂质，不能向胶粉表面引入亲水基团。采用多酚类物质和多巴胺组合物改性方法中，多巴胺属于生化试剂，价格非常昂贵，因此这种方法成本很高，难以实现大规模工业推广应用。综上所述，仍有必要研究开发新的改性效果良好、经济简便的废旧橡胶胶粉表面亲水化改性方法。

发明内容