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核壳型微球的制备及其对水泥石弹性和自愈合性的影响

王兵 丛谧 郑其林 李冀 马浩飞 齐奔 杨延琴

王兵,丛谧,郑其林,等. 核壳型微球的制备及其对水泥石弹性和自愈合性的影响[J]. 钻井液与完井液,2026,43(3):394-401 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.03.013
引用本文: 王兵,丛谧,郑其林,等. 核壳型微球的制备及其对水泥石弹性和自愈合性的影响[J]. 钻井液与完井液,2026,43(3):394-401 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.03.013
WANG Bing, CONG Mi, ZHENG Qilin, et al.Preparation of core-shell microspheres and their influence on the elasticity and self-healing performance of set cement[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2026, 43(3):394-401 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.03.013
Citation: WANG Bing, CONG Mi, ZHENG Qilin, et al.Preparation of core-shell microspheres and their influence on the elasticity and self-healing performance of set cement[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2026, 43(3):394-401 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.03.013

核壳型微球的制备及其对水泥石弹性和自愈合性的影响

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2026.03.013
基金项目: 中国石油集团渤海钻探工程有限公司课题“新能源产业关键技术研究与示范工程-空气储能库钻完井技术研究”(2024T-001-004)。
详细信息
    作者简介:

    王兵,工程师,博士,1993年生,毕业于中国科学院大学物理化学专业,现在从事固井外加剂及技术研究工作。电话 15010052776;E-mail:wbinging93@163.com

    通讯作者:

    齐奔,高级工程师,主要从事水泥浆外加剂和水泥浆体系研究工作。E-mail:benqi2007@163.com

  • 中图分类号: TE256

Preparation of Core-Shell Microspheres and Their Influence on the Elasticity and Self-Healing Performance of Set Cement

  • 摘要: 针对页岩气井在固井、压裂后出现的微裂缝和微环隙,开展兼具弹性与甲烷触发响应的自膨胀型聚合物微球和弹性自愈合水泥浆体系实验研究。所开发的自膨胀型聚合物微球通过乳液聚合制备而成,具有“刚韧互补”的核壳型功能结构,且其壳层含有少量羧基与磺酸基,可突破传统自膨胀型聚合物材料在水泥浆内难以均匀分散的局限性。通过红外、粒径、Zeta电位、扫描电子显微镜综合表征了该微球的微观结构,评价了其耐热性和遇甲烷体积膨胀性。结果表明,所开发的核壳型自膨胀微球为近似球状的粒子,粒径在200 nm左右,表面带负电荷,热分解温度达300 ℃以上,但存在“热黏性”,高温处理再降温后将固化为块状物。将其与无机纳米粒子白炭黑复配可抑制“热黏性”,所得的复合型自膨胀微球在160 ℃处理24 h后仍保持粉末状,且其遇甲烷体积膨胀率在30%以上。该复合型自膨胀微球可配制出适用温度在50~120 ℃、弹性模量小于5.5 GPa的常规密度自愈合水泥浆,该水泥浆稠化曲线正常,失水量可控,可以满足固井需求。在憋压和气窜条件下,添加10%复合型自膨胀微球的水泥石遇甲烷自愈合性均可达100%。该水泥浆体系兼具弹性和遇甲烷自愈合性,为抑制页岩气井发生环空窜流等问题提供了新的解决方案。

     

  • 图  1  两种微球样品及白炭黑的FT-IR谱图

    图  2  核壳型自膨胀微球的SEM图(a)和TEM图(b)

    图  3  核乳液和核壳型自膨胀微球的粒径分布图

    图  4  两种微球样品的TGA曲线

    图  5  固化后核壳型自膨胀微球的应力-应变曲线

    图  6  两种微球样品及白炭黑的XRD谱图

    图  7  两种微球样品遇甲烷后的体积膨胀率

    图  8  添加10%复合型自膨胀微球的水泥浆在不同温度下的稠化曲线

    图  9  添加10%复合型自膨胀微球的水泥石应力作用曲线图

    图  10  憋压养护不同龄期的水泥石甲烷渗透性

    图  11  添加10%复合型自膨胀微球水泥石的动态渗流情况

    图  12  添加10%复合型自膨胀微球水泥石(带有微裂缝)自愈合前后微观形貌对比

    表  1  添加10%复合型自膨胀微球水泥浆的主要性能

    水泥浆
    体系
    ρ/
    g·cm−3
    T/
    初始稠度/
    Bc
    t稠化/
    min
    游离液/
    %
    FL/
    mL
    1# 1.89 50 17 295 0 34
    2# 1.88 90 27 233 0 38
    3# 1.90 120 24 252 0 44
    下载: 导出CSV

    表  2  添加不同比例复合型自膨胀微球水泥石的力学性能

    含量/% 抗压强度/MPa 杨氏模量/GPa
    0 40.1 8.17
    5 32.8 5.23
    10 28.3 5.16
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-12-24
  • 修回日期:  2026-02-04
  • 网络出版日期:  2026-06-12
  • 刊出日期:  2026-06-12

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