一种热弹性稠油热采固井水泥的制作方法

本发明涉及一种油气田固井水泥，尤其涉及一种热弹性稠油热采固井水泥，属于油气井固井材料技术领域。

背景技术：

我国有丰富的稠油资源，探明和控制储量已达16×10⁸t，是继美国、加拿大和委内瑞拉之后的世界第四大稠油生产国。重点分布在胜利、辽河、河南、新疆等油田。然而，由于稠油粘度高,密度大,在地层中流动阻力大，常规开采方式开采效率低。为了提高采收率，稠油开采采用了一系列特殊的技术，到目前为止,已形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驱等为主要开采方式的稠油热采技术,以及以碱驱、聚合物驱、混相驱等为主的稠油冷采技术。其中以蒸汽吞吐、蒸汽驱、热水驱等热力开采为主。蒸汽热采是目前最成熟的热采技术，其主要机理主要是降低稠油粘度,提高原油的流度。蒸汽相不仅由水蒸汽组成,同时也含烃蒸汽,烃汽与蒸汽一起凝结,驱替并稀释前缘原油,从而留下较少的但较重的残余油。

采用蒸汽热采时，对固井水泥环的耐高温性能提出了苛刻的要求。目前，常用的耐高温水泥为g级油井水泥加石英砂，该水泥浆体系具有一定的耐高温性能。但在工程运用过程中发现，经蒸汽热采两三个高低温循环后，出现水泥石强度衰退、井口抬升等问题，导致生产受到影响，必须予以维修甚至报废。有研究认为是g级加砂水泥的高温水化产物硬硅钙石，随着养护时间的延长，因晶粒粗化导致内部孔隙增加，从而致使水泥石抗压强度降低。

随着研究的深入，对稠油蒸汽热采井固井水泥环的破坏机理有了新的认识，水泥浆在井底静止温度条件下凝固，在井内注入蒸汽时，整个井内都被加热至高温。水泥环和套管均受热膨胀。然而，套管的膨胀系数远大于水泥环的膨胀系数，致使水泥石不同部位呈完全不同的受力状态，第一界面的水泥石呈环向、竖向受拉作用，第二界面的水泥石呈受压状态，力学环境的复杂性导致水泥石在两三次高温循环后被彻底破坏。因此，除了改善水泥石的耐高温性能，提高水泥石的韧性及抗拉强度也至关重要。

为了提高水泥环在高温蒸汽驱或蒸汽吞吐环境条件下的工作寿命，大量研究集中于开发新型耐高温固井水泥浆体系，目的是提高水泥石的耐高温性能。申请号为cn201410028033.7，名称为一种耐高温热采水泥及其制备方法的发明专利中，采用的热采水泥为铝酸盐水泥熟料、磷矿渣、矿渣进行混合，然后倒入球磨机研磨，待混合粉体研磨到勃氏比表面积250-300m²/kg，加入陶瓷纤维和橡胶粉混拌10分钟而得，具有优异的耐高温性能。申请号为cn200910011363.4，名称为一种抗高温水泥浆制备方法的发明专利中，采用的是在固井用的铝酸盐水泥中加入浓度为水泥量0.5-5％的钡盐作为抗衰退外加剂，混配过程中添加硼酸和硼酸盐、有机磷盐、有机酸类等在内的缓蚀剂，从而得到所需抗高温水泥浆。申请号为cn201210147386.x，名称为一种耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法的发明专利中，采用耐高温水泥主要组分为铝酸一钙和硅酸二钙组成。通过优化级配，使耐温达到800℃、耐压大于60mpa、弹性模量低于10gpa。

上述现有技术均是以铝酸盐水泥为基础，制备具有耐高温性能的固井水泥，然而，该类水泥存在成本高、配套外加剂少，水泥石的韧性、抗拉强度和完整性不强，在实际应用时会受到限制。

技术实现要素：

本发明在于克服现有稠油热采井固井水泥环存在的问题，提出了一种热弹性稠油热采固井水泥。本发明在蒸汽热采条件下通过加入纤维、胶乳及热可逆交联聚合物，改善固井水泥环在热应力环境下的力学性能，同时通过热可逆交联聚合物在井筒降温后的低温聚合反应，填充水泥环与套管之间的间隙，达到提高水泥环在高温复杂力学环境下完整性的目的。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出了一种热弹性稠油热采固井水泥，所述组分包括以下成分且成分对应的比例如下：水泥：50%-75%；硅质材料：20%-40%；纤维：0.2%-2%；胶乳：0.5%-10%；热可逆交联反应聚合物：1%-8%；所述水泥为硅酸盐水泥a级、g级、d级油井水泥中的一种。

所述热可逆交联聚合物包括：热可逆交联乙丙橡胶、热可逆交联环氧树脂、热可逆交联聚氨酯、热可逆交联丁基橡胶、热可逆交联丙烯酸酯橡胶、热可逆交联聚酰亚胺树脂、热可逆交联聚苯硫醚、热可逆交联聚醚醚酮中的一种或几种。

所述胶乳有改善硬硅钙石c6s6h的晶体结构。

所述纤维为玄武岩纤维，纤维长度为1-9mm，纤维直径＞15um，纤维强度＞0.5n/tex，纤维表面涂敷耐碱型浸润剂，纤维耐碱性＞80%。

所述硅质材料为石英砂或石英粉；所述硅质材料中sio2含量大于85%，比表面积＞350m³/kg，粒径d90≤80μm。

所述胶乳为丁苯胶乳、丁腈胶乳、苯丙胶乳、醋酸乙烯胶乳、氯化乙烯胶乳、聚丙烯酰胺胶乳、丙烯酸酯胶乳中的一种或几种。

由于上述技术方案的采用，本发明具有以下优点：

1、本发明，水泥：50-75%；硅质材料：20-40%；纤维：0.2-2%；胶乳：0.5-10%；热可逆交联反应聚合物：1-8%；所述水泥为硅酸盐水泥a级、g级、d级油井水泥中的一种，纤维、胶乳和热可逆交联聚合物，可以有效提高水泥石的韧性力学性能，在套管受热膨胀时，水泥环被压缩产生变形而不会开裂，从而保证水泥环的完整性不被破坏。

2、本发明，热可逆交联聚合物包括：热可逆交联乙丙橡胶、热可逆交联环氧树脂、热可逆交联聚氨酯、热可逆交联丁基橡胶、热可逆交联丙烯酸酯橡胶、热可逆交联聚酰亚胺树脂、热可逆交联聚苯硫醚、热可逆交联聚醚醚酮中的一种或几种，在低温时呈刚性颗粒存在于水泥环中，随着温度的升高，聚合物解聚形成具有热塑性的单体，待降温后套管收缩，热塑性聚合物单体从水泥环中溢出进入水泥环与套管之间的微环隙，并二次聚合成具有一定力学性能的聚合物，保证水泥环继续具有稳定套管、分割地层的作用，避免套管抬升的问题，提高了水泥环的工作寿命，降低油田在稠油热采时的维护成本。

3、本发明，胶乳有改善硬硅钙石c6s6h的晶体结构，提高其针状纤维的长径比，提高水泥石强度，必变硬硅钙石晶粒粗化导致的强度衰减问题。

4、本发明，纤维为玄武岩纤维，纤维长度为1-9mm，纤维直径＞15um，纤维强度＞0.5n/tex，纤维表面涂敷耐碱型浸润剂，纤维耐碱性＞80%，玄武岩纤维，通过优化纤维的化学组成配比、涂敷耐碱型浸润剂保护、调节纤维长径比等工艺与技术环节，提高了纤维在固井水泥高温碱性环境条件下的耐久性，即使在高温碱性环境下时，仍能起到抗拉作用，从而提高水泥环的韧性和抗压强度。

5、本发明中的材料易得，外加剂体系完备，施工工艺简单，有利于产品的使用推广。

附图说明

图1为编号m1样品在60℃养护7天水化产物sem微观结构图。

图2为编号m2样品在60℃养护7天水化产物sem微观结构图。

图3为编号m1样品在350℃养护7天水化产物sem微观结构图。

图4为编号m6样品在350℃养护7天水化产物sem微观结构图。

图5为水泥环完整性检测装置剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

以下实施例使用的原材料中，水泥为均为嘉华特种水泥股份有限公司生产的油井水泥；石英砂由温江安德志泰石英砂厂生产，纤维由成都博瑞斯岩土工程有限公司提供，胶乳和热可逆交联聚合物均在市场上购买所得。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1、图2、图3和图4，本实施例公开了：一种热弹性稠油热采固井水泥，属于油气田固井水泥技术领域。本发明所述的热弹性稠油热采固井水泥，所述组分包括以下成分且成分对应的比例如下：水泥：50-75%；硅质材料：20-40%；纤维：0.2-2%；胶乳：0.5-10%；热可逆交联反应聚合物：1-8%；所述水泥为硅酸盐水泥a级、g级、d级油井水泥中的一种。

本实施例中外掺料各组分重量百分比的原料组成如下：

按照上表的比例分别制备样品10kg，水灰比为0.44，加水量为用水量减去胶乳重量，根据gb10238中关于水泥石强度实验要求制备样品，样品放入60℃水浴养护箱中养护，1d后脱模并检测抗压、抗折强度。剩余样品在60℃中继续养护7d，然后放入高温高压养护釜中在350℃养护7d。高温外掺料实施实例具体成分组成如下表，其中组成编号m6为对比样品：

图1、图2分别是m1、m2样品在60℃养护7天sem微观结构图。如图所示，两种样品在60℃养护时，内部水泥石的微观结构差距不大，水泥颗粒已充分水化，将外掺料颗粒包裹，均看不到明显的外掺料粉体颗粒。图2中可观察到玄武岩纤维与水泥石结合紧密。

图3、图4分别是m1、m6样品在350℃养护7天sem微观结构图。对比两图可知，m1内部水泥石分布均匀，孔隙少，水化产物呈微小短纤维状分布，相互结合紧密，其中白色颗粒为热可逆交联聚合物。m6样品内部的孔隙之间存在大量的粗大纤维束，呈开花状，相互连接不紧密，空隙较大，由此导致了水泥石力学性能下降。

实施例2

按照图5所示的水泥环完整性检测装置剖视结构示意图，采用方案m1、m2、m3、m4、m5、m6分别制备水泥浆，倒入图5中的水泥环形模具中成型，在60℃养护7天后放入高温养护釜中，在350℃养护3天，然后冷却至室温，再次升温至350℃养护3天，如此升降温循环3次。取出水泥环后，样品m1、m2、m3、m4、m5所成型的水泥环均保持完整性，水泥环与环形模具结合良好。样品m6成型的水泥环与环形模具脱落，水泥石有开裂现象。