一种超高温高强度韧性水泥浆体系的制作方法

[0001]
本发明涉及石油天然气勘探开发领域一种超高温高强度韧性水泥浆体系，适用于井底循环温度(bhct)210℃以上，井底静止温度(bhst)240℃以上的超高温深井固井作业。


背景技术：

[0002]
随着我国经济和社会快速发展，对油气资源需求量持续增长，为保障国家能源安全，降低油气对外依存度，必须加大勘探开发力度。深层超深层油气潜力巨大，是重要的接替资源。塔里木、准噶尔、四川、柴达木等盆地相继探明8000m以上深油气藏，随着油气勘探开发的深入，深井超深井数量逐渐增多，井筒温度越来越高，井底温度可达240℃以上，超高温固井水泥浆技术对保障深层超深层油气勘探开发具有重要意义。
[0003]
超高温条件下水泥浆稳定性差和水泥石强度衰退是超高温固井水泥浆技术的瓶颈问题。针对超高温条件下水泥浆稳定性差问题，国内外主要采用设计稳定剂的聚合物链结构提高水泥浆稳定性，但是超高温条件下，聚合物类稳定剂可能失效。针对油井水泥在110℃以上温度条件强度衰退问题，国内外主要采用水泥石中加入石英砂提高水泥石的硅钙比，从而抑制水泥石高温强度衰退，研究表明加砂水泥石在110～200℃下可长期保持较好抗高温性。但是200℃以上超高温条件加砂水泥石强度依然会衰退。同时，水泥石脆性大，在超高温作用下容易破碎，韧性有待提高。
[0004]
例如发明专利“一种固井水泥浆高温稳定剂及其制备工艺”(cn 107814877 a)采用乙烯基吡咯烷酮5-8％、丙烯酰胺1-2％、n,n-二甲基丙烯酰胺2-6％、丙烯酰吗啉10-20％形成的高温稳定剂，有效提高150℃水泥浆稳定性，但是对于提高200℃以上水泥浆稳定性没有很好的效果。发明专利“一种纳米材料混合改性超高温高性能固井水泥浆体系及其制备方法”(cn109679600a)采用粗细硅砂搭配，结合纳米二氧化硅和纳米碳酸钙可以改善高温水泥石力学性能，5天强度可达60mpa，弹性模量为8.5左右，在240℃以上高温下会发生长期强度衰退(28天以上)。发明专利“一种防止高温强度衰退的油井水泥浆体系及其制备方法”(cn110484223a)采用强度增强剂为石墨烯乳液，悬浮稳定剂为微米级定型二氧化硅和8-12％黄原胶，水泥浆180℃条件下施工性能良好，强度为35mpa，14天内不衰退，但该方法所用材料成本较高，且不适用于200℃以上超高温条件下固井施工。发明专利“一种用于超高温深井的固井水泥及其制备方法和应用”(cn 110563428 a)使用第一抗强度衰退剂为硅粉，第二抗强度衰退剂为三氧化二铝、氢氧化铝、氧化锌、氢氧化锌和氯化锶中的一种或多种，200℃～240℃水泥石强度30mpa不衰退，但该方法超高温强度不够高，且未进行韧性改造。
[0005]
上述技术虽在高温水泥的力学改性等方面取得一定的效果，但是在超高温水泥浆稳定性、超高温水泥石强度衰退、增韧方面仍存在问题，不能满足超高温超深井复杂地层的固井作业。因此，开发一种高性能的超高温高强度韧性水泥浆体系对提升超高温油气井固井质量具有重要意义。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种超高温高强度韧性水泥浆体系，超高温条件下水泥石强度不衰退，韧性好，固井水泥浆综合性能良好，有效提高非常规油气井、高温深井的固井质量，适用于井底循环温度(bhct)210℃以上，井底静止温度(bhst)240℃以上的超高温深井固井作业。
[0007]
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
[0008]
一种超高温高强度韧性水泥浆体系，由以下各组分按照重量份组成：
[0009][0010]
所述高抗硫酸盐型g级油井水泥为市售，其主要的矿物组分为硅酸二钙(2cao
·
sio2)、硅酸三钙(3cao
·
sio2)、铝酸三钙(3cao
·
al2o3)、铁铝酸四钙(4cao
·
a12o3·
fe2o3)、碱性物质(na2o+k2o)、mgo和so3等。
[0011]
所述酸洗石英砂是酸处理过的精制石英砂，细度在400目以上。
[0012]
所述超高温强度防衰退材料为硅灰石、蓝晶石、焦宝石、铝矾石中的两种或两种以上混合物，细度在100-400目之间。
[0013]
所述超高温增韧材料为埃洛石纳米管。
[0014]
所述分散剂为油井水泥用聚羧酸分散剂。
[0015]
所述超高温稳定剂为膨润土、硅酸镁铝和温伦胶的混合物。
[0016]
所述消泡剂为有机硅类或者有机酯类消泡剂。
[0017]
以上所述物质均为市售。
[0018]
所述降失水剂为油井水泥降失水剂g33s，由卫辉市化工有限公司生产。
[0019]
所述缓凝剂为耐高温共聚物油井水泥缓凝剂(cn 104403056 b)。该耐高温共聚物油井水泥缓凝剂的制备方法如下：按45-80：5-17：7-18：8-20的质量比分别称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、二甲基二烯丙基氯化铵、马来酸酐或衣康酸或富马酸、丙烯酸或甲基丙烯酸四种聚合单体，将前三种单体溶于水中，然后加入多聚磷酸钠和二苯胺基脲，再依次加入链转移试剂和引发剂，最后滴加第四种单体，加热反应、调节ph值后,得到共聚物缓凝剂。
[0020]
与现有技术相比较，本发明具备以下有益效果：
[0021]
(1)采用酸处理过的精制石英砂，相比普通石英砂，纯度更高，提高超高温水泥石
强度效果更好；
[0022]
(2)采用硅灰石、蓝晶石、焦宝石、铝矾石中两种复配混合物作为抗高温强度衰退材料，参与高温水化，有利于生成水钙铝榴石、钙铝黄长石等高温稳定晶相，有效保证超高温条件下水泥石长期强度稳定；
[0023]
(3)采用埃洛石纳米管作为超高温增韧材料，其两端为纳米尺寸，纳米管表面含有sio2和al2o3，具有晶核效应和火山灰效应，超高温条件下参与水泥水化，实现纳米尺度增强增韧。同时，埃洛石纳米管耐温性好，且表面有亲水性基团，在水泥浆中的分散性好；
[0024]
(4)采用膨润土、硅酸镁铝和温伦胶的复配物作为超高温稳定剂，使得超高温条件下水泥浆内部形成网络结构，增加体系粘滞力和颗粒结构力，提高超高温固井水泥浆的稳定性；
[0025]
(5)采用聚羧酸分散剂，抗温性能好，可以有效提高固井水泥浆的流变性和可泵性；还可以帮助改性埃洛石纳米管在固井水泥浆中的悬浮和分散，让水泥浆的应用性能更佳。
[0026]
本发明通过对材料的粒度进行合理设计，水泥浆体系中油井水泥、酸洗石英砂、抗高温强度衰退材料、超高温增韧材料之间实现紧密堆积，在超高温条件下，该水泥浆硬化成水泥石后，水泥石强度大于40mpa，且60天以上长期不衰退，水泥石的力学性能显著改善。该水泥浆体系在循环温度210℃以上稳定性好，上下密度差小于0.05g/cm3，失水性能符合标准，流变性好，稠化时间、密度均可调，固井施工性能满足油气井固井需求，适用于井底循环温度(bhct)210℃以上，井底静止温度(bhst)240℃以上的超高温深井固井作业，能满足深井、超深井等复杂井固井对水泥环强度、韧性等力学性能的更高要求。
具体实施方式
[0027]
下面根据实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
[0028]
一、一种超高温高强度韧性水泥浆体系的制备
[0029]
实施例1
[0030]
配方：高抗硫酸盐型g级油井水泥100份、600目酸洗石英砂40份、抗高温强度衰退材料(100目硅灰石和100目焦宝石以1:1的质量比复配)10份、超高温增韧剂埃洛石纳米管3份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂(膨润土、硅酸镁铝、温伦胶的质量比为1:2:1)3份，降失水剂(专利申请号201910693705.9)2份、缓凝剂(专利号cn 104403056 b)1.2份、磷酸三丁酯(消泡剂)0.1份、清水55份。
[0031]
水泥浆制备过程如下：取100份油井水泥、600目酸洗石英砂40份、抗高温强度衰退材料10份、超高温增韧剂埃洛石纳米管3份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂3份，将干粉混合均匀；称取水55份，将降失水剂2份、缓凝剂1.2份、消泡剂0.1份混入水中倒入搅拌器，搅拌器以低速(4000
±
200转/分)转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物，盖上搅拌器的盖子，高速(12000
±
500转/分)下继续搅拌35秒，即得一种超高温高强度韧性水泥浆体系。
[0032]
实施例2
[0033]
配方：高抗硫酸盐型g级油井水泥100份、600目酸洗石英砂40份、抗高温强度衰退
材料(100目硅灰石和200目铝矾石以1:1的质量比复配)15份、超高温增韧剂埃洛石纳米管3份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂(膨润土、硅酸镁铝、温伦胶的质量比为1:2:1)3份，降失水剂(专利申请号201910693705.9)2份、缓凝剂(专利号cn 104403056 b)1.2份、磷酸三丁酯(消泡剂)0.1份、清水55份。
[0034]
水泥浆制备过程如实施例1。
[0035]
实施例3
[0036]
配方：高抗硫酸盐型g级油井水泥100份、600目酸洗石英砂40份、抗高温强度衰退材料(200目蓝晶石和200目铝矾石以1:1的质量比复配)15份、超高温增韧剂埃洛石纳米管3份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂(膨润土、硅酸镁铝、温伦胶的质量比为1:2:1)3份，降失水剂(专利申请号201910693705.9)2份、缓凝剂(专利号cn 104403056 b)1.2份、磷酸三丁酯(消泡剂)0.1份、清水55份。
[0037]
水泥浆制备过程如实施例1。
[0038]
对比例1
[0039]
配方：高抗硫酸盐型g级油井水泥100份、200目石英砂30份、800目石英砂30份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂(温伦胶)3份，降失水剂(专利申请号201910693705.9)2份、缓凝剂(专利号cn 104403056 b)1.2份、磷酸三丁酯(消泡剂)0.1份、清水55份。
[0040]
水泥浆制备过程如下：取100份油井水泥、200目石英砂30份、800目石英砂30份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂3份，将干粉混合均匀；称取水55份，将降失水剂2份、缓凝剂1.2份、消泡剂0.1份混入水中倒入搅拌器，搅拌器以低速(4000
±
200转/分)转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物，盖上搅拌器的盖子，高速(12000
±
500转/分)下继续搅拌35秒，即得一种超高温高强度韧性水泥浆体系。
[0041]
对比例2
[0042]
配方：高抗硫酸盐型g级油井水泥100份、600目石英砂50份、聚羧酸分散剂1份、超高温稳定剂(温伦胶)3份，降失水剂(专利申请号201910693705.9)2份、缓凝剂(专利号cn 104403056b)1.2份、磷酸三丁酯(消泡剂)0.1份、清水55份。
[0043]
水泥浆制备过程如对比例1。
[0044]
二、一种超高温高强度韧性水泥浆体系的力学性能
[0045]
将一种超高温高强度韧性水泥浆体系在240℃*20mpa和260℃*20mpa条件下养护2天、7天、28天、60天后，测定硬化水泥石的抗压强度，测试结果如表1。
[0046]
表1超高温条件下不同龄期水泥石的抗压强度(单位：mpa)
[0047]
[0048]
将一种超高温高强度韧性水泥浆体系在240℃*20mpa和260℃*20mpa条件下养护7天和28天后，通过三轴测定硬化水泥石的杨氏模量，测试结果如表2。
[0049]
表2超高温条件下7天和28天水泥石的杨氏模量(单位：gpa)
[0050][0051]
表1和表2的实验结果表明，本发明超高温高强度韧性水泥石的力学性能和普通加砂固井水泥石相比抗压强度可提高约30％以上，水泥石抗压强度随着龄期增加不仅不衰退，还呈增长趋势，28天杨氏模量小于8gpa，水泥石的力学性能显著改善，能满足深井、超深井等复杂井固井对水泥环强度、韧性等力学性能的更高要求。
[0052]
三、一种超高温高强度韧性水泥浆体系的综合性能测试
[0053]
将对比例1、对比例2和实施例1、实施例2、实施例3按照国家标准gb/t 19139-2012分别进行水泥浆密度、流动度、失水量、稠化时间和游离液的测定，测定结果如表3所示。从表中超高温高强度韧性水泥浆体系综合性能可以看出，在210～230℃循环温度条件下，和对比例相比，超高温高强度韧性水泥浆体系的稳定性更好，上下密度差≤0.04g/cm3，稠化时间可调，失水量≤50ml，28d抗压强度≥30mpa，且不衰退。水泥浆体系综合性能满足超高温深井固井施工要求。
[0054]
表3超高温水泥浆体系施工性能评价(循环温度210～230℃)
[0055]
[0056]