一种纳米高密度防窜水泥浆及制备方法与流程

本发明涉及油气井固井液，尤其涉及一种纳米高密度防窜水泥浆及制备方法。

背景技术：

1、现有技术中，高密度防气窜固井水泥浆中主要通过加入经粉碎磨细后的铁矿粉来提高水泥浆密度，并加入防窜剂胶乳或者胶粒等来提高水泥浆的防窜性能。但铁矿粉因密度高、颗粒大导致水泥浆沉降稳定性差，胶乳或者胶粒防窜剂在超深井高密度等复杂条件下的防窜效果不理想，同时水泥石的收缩也得不到控制，界面密封能力不强，导致这类水泥浆在超深井中的固井质量不高。

2、因此，亟待研究出一种纳米级防窜水泥浆，用于提高超深井等复杂条件下的高密度水泥浆固井质量。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种纳米高密度防窜水泥浆及制备方法。

2、第一方面，本发明提出了一种纳米高密度防窜水泥浆，以质量分数计，其组分包括：

3、

4、

5、作为本发明的具体实施方式，所述纳米氧化锌为球形颗粒，粒径分布为50nm-300nm。

6、作为本发明的具体实施方式，可以采用锌钢厂转炉烟尘灰作为纳米氧化锌。这样的纳米氧化锌纯度高，颗粒呈球形，粒径在50nm-300nm，在油井水泥浆中有极好的加重效果。在高密度水泥浆中加入纳米氧化锌球形加重剂与纳米氧化镁分散液两种特殊的纳米材料来提升水泥浆的稳定性与防窜能力。纳米氧化锌球形加重剂粒径分布为50nm到300nm，平均粒径只有200nm，纯度99％，密度5.6g/cm3，用纳米球形氧化锌替代常规的铁矿粉，不仅有效提升水泥浆的稳定性，因球形材料具有“滚动轴承”作用，还可减少水泥浆分散剂的用量。

7、行业内一般将密度高于2.00g/cm3的水泥浆定义为高密度水泥浆，纳米氧化锌密度为5.6g/cm3，可作为加重材料，可以配制高密度水泥浆。

8、本发明中，所述高密度防窜水泥浆的密度在1.95g/cm3以上，经实施例配比，密度均在2.00g/cm3以上，最高密度可达2.60g/cm3，可作为超高密度水泥浆。

9、作为本发明的具体实施方式，所述纳米氧化镁分散液有效固含量≥45％，颗粒粒径分布范围在，10nm至300nm间。

10、作为本发明的具体实施方式，纳米氧化镁分散液的配比优选为：40～45％蒸馏水、45～50％纳米氧化镁，0.4～0.6％聚萘甲醛磺酸钠，0.05～0.2％乙二胺四乙酸盐二钠、2～3.5％乙二醇、0.5～1.5％聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、0.5～1％二甲基硅油、3～5％甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷组成的分散液，密度1.45～1.60g/cm3，平均粒径100nm。

11、这是因为水泥颗粒间的空隙在微米量级，水泥石的孔隙半径量级为10-300nm，平均半径为100nm。优选纳米氧化镁分散液的颗粒粒径分布范围在10nm至300nm间，平均粒径100nm，可以紧密充填在水泥颗粒间，降低孔隙率。纳米氧化镁防窜乳液替代胶乳或者胶粒，可以避免因超高温导致的水泥浆防窜能力下降。同时，纳米氧化镁在水泥石凝固后逐步水化，膨胀，控制水泥石的收缩，提高界面防窜能力。

12、作为本发明的具体实施方式，所述降失水剂为amps类的共聚物，优选为amps-ma-aa三元共聚物。

13、作为本发明的具体实施方式，所述分散剂为酮醛缩合物，优选为丙酮甲醛缩聚物。

14、高密度水泥浆配制过程中需要体系具有足够的黏度、切力，悬浮纳米氧化锌以维持密度，防止沉降引发井下复杂。为了达到上述目的，可引入分散剂，以达到高温沉降稳定性和流变性的平衡。分散剂具有改善水泥浆均匀程度，降低固相颗粒摩擦阻力，保持体系沉降稳定性的作用。

15、作为本发明的具体实施方式，所述缓凝剂为有机酸类，优选为乙二胺四亚甲基膦酸。

16、作为本发明的具体实施方式，所述消泡剂为有机硅油类，优选为二甲基硅油。

17、作为本发明的具体实施方式，所述硅粉主要成分为sio2，粒度范围为80～200目。

18、作为本发明的具体实施方式，该水泥浆密度范围为1.95～2.60g/cm3，api失水＜50ml，渗透率＜0.01md，气窜因子spn值＜2。

19、在油气井固井液技术领域内，密度一般达到2g/cm3，就称为高密度水泥

20、浆。本发明中的上述原料均可自制，也可商购获得，本发明对此不作特别限定。

21、第二方面，本发明提供了一种纳米高密度防窜水泥浆的制备方法，包括以下步骤：

22、s1：将水、纳米氧化镁分散液、降失水剂、缓凝剂、分散剂、消泡剂混合搅拌，得到第一混合物；

23、s2：将g级油井水泥、硅粉与纳米氧化锌干混，得到第二混合物；

24、s3：将第一混合物与第二混合物混合，得到纳米高密度防窜水泥浆。

25、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3中，所述第一混合物与第二混合物按照(0.19～0.45)：1的比例混合。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

27、1、本发明的纳米高密度防窜水泥浆，通过添加纳米氧化锌，提升水泥浆密度的能力更强，同等水泥浆密度要求下，水泥浆体系里的水泥含量更高，水泥石强度也更高；与现有技术中的磨铁矿粉加重剂(平均粒径100μm-300μm以上)相比，粒径更加微细，密度更高；水泥石的平均孔隙在100nm，使用纳米氧化镁分散液填充在水泥颗粒间隙里，具有降低api失水、降低水泥石渗透率的作用；同时，纳米氧化镁在水泥浆凝固后逐步水化形成纳米氢氧化镁，纳米颗粒的体积膨胀，可以显著的控制水泥石收缩的性能。

28、2、本发明实施例可以看出，本发明的纳米高密度防窜水泥浆密度为1.95～2.60g/cm3，同时具有api失水小于50ml，零自由液，无沉降，水泥石渗透率小于0.01md，抗压强度大于40mpa，气窜因子spn值小于2，水泥石无收缩，具有较好的防窜作用，可提升超深井高密度水泥浆固井。

29、3、在实际生产中，四川盆地、塔里木盆地存在大量的高压气层，固井水泥浆密度范围主要在2.05-2.35g/cm3，使用粉磨铁矿粉(密度仅5.0g/cm3)进行加重，颗粒大密度低，高密度水泥浆的稳定性能(零自由液、无沉降)难调节，强度低，并使用常规氧化镁或者氧化钙膨胀剂控制水泥石收缩，固井后部分井发生环空气窜，有的井在投产后因水泥石(渗透率0.3md)缓渗产生环空带压，油气井的安全环保生产问题突出。本发明提供的技术，使用纳米氧化锌加重，水泥浆的强度、稳定性能都更容易调节，并使用纳米氧化镁分散液降低水泥石渗透率，控制体系收缩，可以起到很好的防窜效果。

技术特征：

1.一种纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，以质量分数计，其组分包括：

2.根据权利要求1所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述纳米氧化锌为球形颗粒，粒径分布为50nm-300nm。

3.根据权利要求1或2所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述纳米氧化镁分散液有效固含量≥45％，颗粒粒径分布范围为10-300nm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述降失水剂为amps类的共聚物，优选为amps-ma-aa三元共聚物。

5.根据权利要求1-4任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述分散剂为酮醛缩合物，优选为丙酮甲醛缩聚物。

6.根据权利要求1-5任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述缓凝剂为有机酸类，优选为乙二胺四亚甲基膦酸。

7.根据权利要求1-6任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述消泡剂为有机硅油类，优选为二甲基硅油。

8.根据权利要求1-7任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，所述硅粉主要成分为sio2，粒度范围为80～200目。

9.根据权利要求1-8任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆，其特征在于，该水泥浆密度范围为1.95～2.60g/cm3，api失水＜50ml，渗透率＜0.01md，气窜因子spn值＜2。

10.一种权利要求1-9任一项所述的纳米高密度防窜水泥浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述第一混合物与第二混合物按照(0.19～0.45)：1的比例混合。

技术总结
本发明提出了一种纳米高密度防窜水泥浆及制备方法，该水泥浆由G级油井水泥、硅粉、纳米氧化锌、纳米氧化镁分散液、降失水剂、缓凝剂、分散剂、消泡剂、水组成；本发明的纳米高密度防窜水泥浆密度为1.95～2.60g/cm3，同时具有API失水小于50mL，零自由液，无沉降，水泥石渗透率小于0.01mD，气窜因子SPN值小于2，抗压强度大于40MPa，水泥石无收缩，具有较好的防窜作用，可提升超深井高密度水泥浆固井。

技术研发人员：魏浩光,李小江
受保护的技术使用者：中石化石油工程技术服务有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13