CN102604610B - 一种弹塑性固井水泥浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开提供一种弹塑性固井水泥浆，包括以下各组分及重量份数：水泥100份，高温稳定剂0-12份，密度调节剂0-200份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-1.5份，水35-110份，消泡剂0.2份，增塑剂2-15份。这种固井水泥浆不仅提高了水泥石的抗折强度和抗冲击强度；而且降低了水泥石的弹性模量，在高温高压下，由脆性形变，转化成塑性形变，保证了后期的开采，延长了油气井的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及水泥，具体的，涉及固井水泥浆及其制备方法。
背景技术
在油气井开发过程中，水泥石是属于先天微观缺陷的脆性材料，并存在抗拉强度低、抗破裂性能差和抗冲击强度低等固有缺陷。井下水泥环受射孔弹高能聚流的作用，在瞬间承受3-4Gpa的冲击压力，其应力波在水泥环局部形成拉伸的高应力区，当水泥环的径向拉应力超过其极限时，水泥环会破裂形成宏观裂纹。油气井开发过程中的后续增产措施使这些裂纹进一步扩大，甚至使水泥环的封隔作用彻底失效，造成地下流体（油、气、水）层间窜流。如果在生产井中出现这种情况，油气资源就会因层间窜流而流失或使其他地层的流体进入产层；如果在注水泥中出现这种情况，注入的流体可能通过水泥环进入非目的层，从而影响油气采收率的提高。
目前，主要通过添加外加剂来解决这一问题，所添加外加剂的种类主要有三种：胶乳水泥、颗粒材料水泥和纤维水泥。
（1）胶乳水泥具有以下优点：降低水泥石的弹性模量，提高水泥石的弹性；降低油井水泥浆的滤失量；提高水泥环的粘结性能。缺点是掺量大、价格昂贵、污染环境、抗压强度损失过大、不能改善抗冲击性能等。
（2）颗粒材料包括无机颗粒和有机颗粒。无机颗粒主要包括膨润土、硅灰、微珠、活性矿渣和云母粉等；有机颗粒主要包括天然橡胶粉、工业合成橡胶粉、有机玻璃珠等。颗粒材料具有价格低廉、原料易得、改善水泥石的弹性、延缓水泥石裂纹扩展等优点。缺点是掺量大、不具备胶结能力、不易混拌均匀、抗压强度损失过大、抗冲击性能改善不明显。
（3）纤维增韧材料可分为刚性纤维和非刚性纤维，纤维增韧材料具有掺量小、可增加油井水泥石的抗折强度、抗冲击性能和抗压强度、改善水泥环与地层的胶结、抑制水泥石的收缩等优点。缺点是价格昂贵、混拌要求高、施工设备要求高、不易分散、与水泥基体的粘结性能不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种弹塑性固井水泥浆，这种固井水泥浆不仅提高了水泥石的抗折强度和抗冲击强度；而且降低了水泥石的弹性模量，在高温高压下，由脆性形变，转化成塑性形变，保证了后期的开采，延长了油气井的使用寿命。
本发明所要解决的技术问题还在于提供一种弹塑性固井水泥浆的制备方法，该制备方法对增塑剂进行表面处理，得到的增塑剂亲水性较好，配浆容易；成本较低且能够均匀的分散在水泥浆中，与其他外加剂配伍性好，水泥浆性能稳定。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种弹塑性固井水泥浆，包括以下各组分及重量份数：水泥100份，高温稳定剂0-12份，密度调节剂0-200份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-1.5份，水35-110份，消泡剂0.2份，增塑剂2-15份；所述高温稳定剂为微硅或纯度大于95%的无定型二氧化硅；所述降滤失剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种；所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；所述缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类，所述增塑剂为苯乙烯类聚合物；所述密度调节剂为加重剂或减轻剂，所述加重剂为重晶石或铁矿粉，并且所述加重剂的重量份数为0-200份；所述减轻剂为粉煤灰或漂珠，并且所述减轻剂的重量份数为0-100份。其中，所述水优选淡水或含盐量小于0.5 g/L的水。
进一步的技术方案，所述弹塑性固井水泥浆的组成成分中，所述增塑剂的重量份数为3-12份。当加入增塑剂并且增塑剂的重量份数为3份-12份时，对水泥石抗压强度影响很小，但提高了水泥石抗折强度和抗冲击强度，降低水泥石弹性模量；表现出了较强的抵抗外载荷冲击的能力；并且水泥石由脆性变形转变为塑性变形，即水泥石的弹性模量较低。
优选的是，所述增塑剂的重量份数为8份。
进一步的技术方案，所述密度调节剂为加重剂或减轻剂，所述加重剂的重量份数为0-50份；所述减轻剂的重量份数为0-35份。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：一种弹塑性固井水泥浆的制备方法，称取水泥100份，高温稳定剂0-12份，密度调节剂0-200份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-1.5份，水35-110份，消泡剂0.2份，增塑剂2-15份；将上述成分混合、搅拌，即制备得到所述一种弹塑性固井水泥浆；所述高温稳定剂为微硅或纯度大于95%的无定型二氧化硅；所述降滤失剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种；所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；所述缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类，所述增塑剂为苯乙烯类聚合物；所述密度调节剂为加重剂或减轻剂，所述加重剂为重晶石或铁矿粉，并且所述加重剂的重量份数为0-200份；所述减轻剂为粉煤灰或漂珠，并且所述减轻剂的重量份数为0-100份。
进一步的，所述增塑剂在混合之前采用等离子体表面处理仪进行表面处理。
进一步的，所述增塑剂在等离子体表面处理仪中的处理参数是：功率150~220W，处理时间30s，工作气体为空气，真空度为8~12Pa。
进一步的，所述增塑剂在等离子体表面处理仪中的处理参数是：功率200W，处理时间30s，工作气体为空气，真空度为10Pa。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明制备得到的固井水泥浆不仅具备较低的弹性模量，同时还具有较高的抗冲击性能和抗折强度。
2、本发明通过添加增塑剂降低了固井水泥浆的弹性模量；制备得到的水泥浆在一定的应力下，由脆性变形转变为塑性变形，因此具有较高的弹性，从而来保证了水泥环的完整性，为后续工作提供保障。
3、本发明增塑剂在混合之前采用等离子体表面处理仪进行表面处理，等离子体表面处理仪的原理是在真空状态下，给气体施加电场，气体在电场提供的能量下会由气态转变为等离子体状态。其中含有大量的电子、离子、光子和各类自由基等活性粒子。等离子体表面改性技术就是利用这些高能粒子和活性粒子与材料表面发生物理或化学的反应，从而达到改变材料表面性质的目的。 增塑剂经过表面处理后亲水性较好，配浆容易；成本较低且能够均匀的分散在水泥浆中，与其他外加剂配伍性好，水泥浆性能稳定。相对于现有技术改善了水泥浆拌浆难和混拌不均匀的问题，同时相对胶乳体系价格低廉，节约了成本。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例 有添加增塑剂和无添加增塑剂的固井水泥浆的分别制备及性能测定
如表1所示，实施例的弹塑性固体水泥浆，由下列重量组成的原料混合制成：
表1
将上述成分按相应的重量百分比称量后，混合、搅拌，即制备得到所述一种弹塑性固井水泥浆。 其中，所述增塑剂在混合之前，使用等离子体表面处理仪进行表面处理；所述表面处理的处理参数均为：功率200W，处理时间30s，工作气体为空气，真空度为10Pa。表1中，各实施例和对比例中所述高温稳定剂为微硅，所述降滤失剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种，所述增塑剂为聚异戊二烯高分子聚合物，所述分散剂为醛酮缩合物或者萘系分散剂，所述缓凝剂为AMPS聚合物，所述消泡剂为聚醚类。所述水为淡水。
对表1中各个实施例和对比例进行水泥浆基本性能测定，韧性评价（包括抗压强度、抗折强度和抗冲击强度）的测定，三轴试验测定。
表2列出表1中各个实施例及对比例的水泥浆的基本性能
表2：水泥浆的基本性能
表3：水泥石其他性能
表4水泥石三轴应力应变实验结果
从表2可以看出本发明实施例1、2和3在加入增塑剂后，对水泥浆主要常规工程性能基本不产生影响。如表2所示，在增塑剂加量重量份数为3份-12份时，对水泥浆稳定性（游离液含量）、稠化时间均无负面影响；根据表2中流变性能数据可知，加入增塑剂3份-12份后，浆体结构和触变性增强，提高了浆体沉降稳定性。
从表3和表4可以看出，增塑剂的加入还有助于改善水泥石力学性能，油井水泥石的主要作用在于实现有效的层间封隔，但水泥石天生高脆性缺陷，在后期生产作业时，由于井内温度压力的变化，诸如射孔、压裂、酸化、管柱碰撞均可能导致水泥石破坏，失去密封性，引发气体泄漏，造成环空带压，严重危及油气安全开采。加入增塑剂后，对水泥石进行基质塑性化改造，提高水泥石韧性，防止后期作业破坏水泥石力学完整性。本发明从抗折强度、抗冲击强度、弹性模量来综合评价了水泥石的韧性。表3中可以看出加入增塑剂并且增塑剂的重量份数为3份-12份时，对水泥石抗压强度影响很小，但提高了水泥石抗折强度和抗冲击强度，降低水泥石弹性模量。表现出了较强的抵抗外载荷冲击的能力。当加入增塑剂并且增塑剂的重量份数为8份时，水泥石弹性模量最低，同时水泥石抗折强度和抗冲击强度较高。
实施例 本发明固井水泥浆的制备
表5
按表5中所述的组分和重量百分比称量后，混合、搅拌，即制备得到所述一种弹塑性固井水泥浆。 其中，所述增塑剂在混合之前，使用等离子体表面处理仪进行表面处理；所述表面处理的处理参数均为：功率200W，处理时间30s，工作气体为空气，真空度为10Pa。表5中，各实施例和对比例中所述高温稳定剂为微硅，所述降滤失剂为AMPS聚合物，所述增塑剂为聚异戊二烯高分子聚合物，所述分散剂为醛酮缩合物，所述缓凝剂为AMPS聚合物，所述消泡剂为聚醚类。所述水为淡水。
按表5中所述的组分和重量百分比制备水泥浆，也得到了具有较低弹性模量和较高抗冲击强度、较高抗折强度、较高抗压强度的固井水泥浆。
如上所述，便可较好地实现本发明。
Claims (6)
1.一种弹塑性固井水泥浆，其特征在于，包括以下各组分及重量份数：水泥100份，高温稳定剂0-12份，密度调节剂0-200份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-1.5份，水35-110份，消泡剂0.2份，增塑剂3-12份；所述高温稳定剂为微硅或纯度大于95%的无定型二氧化硅；所述降滤失剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种；所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；所述缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类，所述增塑剂为苯乙烯类聚合物；所述密度调节剂为加重剂或减轻剂，所述加重剂为重晶石或铁矿粉，并且所述加重剂的重量份数为0-50份；所述减轻剂为粉煤灰或漂珠，并且所述减轻剂的重量份数为0-35份。
2.如权利要求1所述的一种弹塑性固井水泥浆，其特征在于，所述增塑剂的重量份数为8份。
3.如权利要求1或2所述的一种弹塑性固井水泥浆的制备方法，其特征在于，称取水泥100份，高温稳定剂0-12份，密度调节剂0-200份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-1.5份，水35-110份，消泡剂0.2份，增塑剂3-12份；将上述成分混合、搅拌，即制备得到所述一种弹塑性固井水泥浆；所述高温稳定剂为微硅或纯度大于95%的无定型二氧化硅；所述降滤失剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种；所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；所述缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类，所述增塑剂为苯乙烯类聚合物；所述密度调节剂为加重剂或减轻剂，所述加重剂为重晶石或铁矿粉，并且所述加重剂的重量份数为0-50份；所述减轻剂为粉煤灰或漂珠，并且所述减轻剂的重量份数为0-35份。
4.如权利要求3所述的一种弹塑性固井水泥浆的制备方法，其特征在于，所述增塑剂在混合之前采用等离子体表面处理仪进行表面处理。
5.如权利要求4所述的一种弹塑性固井水泥浆的制备方法，其特征在于，所述表面处理的处理参数是：功率150～220W，处理时间30s，工作气体为空气，真空度为8～12Pa。
6.如权利要求4所述的一种弹塑性固井水泥浆的制备方法，其特征在于，所述表面处理的处理参数是：功率200W，处理时间30s，工作气体为空气，真空度为10Pa。
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