CN106278003A - 一种韧性油井水泥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种韧性油井水泥，其特征在于由如下重量份的组分组成：水泥100份；活性填料1-15份；增韧材料：1-5份；短纤维0.01-0.05份；外加剂1-5份；减水剂0.1-0.2份；降失水剂1-5份；消泡剂1-2份；缓凝剂1-5份。本发明的油井水泥环侧向变能力强，弹性模量低，塑性屈服点高，弹性好；极限应变值很高，能吸收更大的冲击能量，与原浆相比极大地改善了水泥石的变形性能，以满足目前油气井开发过程中对水泥性能的要求，保证固井质量和后续开发。
Description
技术领域
本发明涉及韧性水泥技术领域，特别是涉及一种韧性油井水泥。
背景技术
随着油气开发的不断深入,高渗透油气藏资源越来越少,而低渗及特低渗油气储量在整个油气储量中所占的比例和规模将越来越大。未来低渗及特低渗油气资源的有效开发,将成为石油资源可持续发展的重要接力对象。但这些油气资源的储层地应力高且复杂，套管居中度低会引起水泥环不均匀，射孔和压裂施工时水泥环受到的冲击力和内压力大，易导致水泥环开裂破坏。被破坏后水泥环将失去层间封隔和保护套管的作用，将严重影响压裂效果和产能。
目前，油气井大都采用水平井分段压裂技术开发，分段压裂对水泥环会造成很大的破坏作用：一是水泥环与套管的弹性和变形能力存在较大差异，当受到由压裂产生的动态冲击载荷作用时，水泥环受到较大的内压力和冲击力，引起水泥环径向断裂；二是压裂作业的冲击作用大于水泥石的破碎吸收能时，水泥环会破碎。水泥环被破坏将直接影响油气的开采。
如申请号为201410236070.7的中国发明专利“一种低弹性模量的抗温韧性油井水泥”，公开了一种低弹性模量的抗温韧性油井水泥，包括如下重量份的组分：100份油井水泥、20～40份硅粉、0～10份微硅粉、5～20份橡胶增韧剂、0～2份流型调节剂、0～5份降失水剂、0～5份缓凝剂。
因此，不仅要求水泥环有一定的强度，而且还要具备较好的抗冲击能力和韧性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种韧性油井水泥。本发明的油井水泥环侧向变能力强，弹性模量低，塑性屈服点高，弹性好；极限应变值很高，能吸收更大的冲击能量，与原浆相比极大地改善了水泥石的变形性能，以满足目前油气井开发过程中对水泥性能的要求，保证固井质量和后续开发。
本发明采用以下技术方案来实现：
一种韧性油井水泥，其特征在于由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料1-15份；
增韧材料1-5份；
短纤维0.01-0.05份；
外加剂1-5份；
减水剂0.1-0.2份；
降失水剂1-5份；
消泡剂1-2份；
缓凝剂1-5份。
所述水泥为G级油井水泥或高镁低热硅酸盐水泥。采用高镁低热硅酸盐水泥具有微膨胀性和较好的耐温特性；高镁低热硅酸盐水泥的水泥石具有微膨胀特性，保证体积稳定性，且后期强度稳定增长的性能。
所述活性填料为粉煤灰、矿渣粉和微硅粉中的任何一种或两种或三种的混合物，其中粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，矿渣粉的比表面积为450～520m2/Kg，微硅粉为非晶态。粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果；所选用的矿渣粉可保证砂浆后期强度稳定增长；微硅粉平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，无定型球状颗粒，可以提高水泥浆密实度和流动性，具有较好的耐高温特性。
所述增韧材料为可再分散性乳胶粉、改性沥青和弹性颗粒中的任何一种或两种或三种的混合物。所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力；改性沥青为阳离子乳化沥青，提高柔性和弹性；弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
所述短纤维为聚丙烯纤维长度为2~6mm，直径为8~30μm。掺入聚丙烯纤维，可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、萘系高效减水剂中的一种或任意几种的复合物。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂、硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂中的任何一种。减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1、本发明的油井水泥环侧向变能力强，弹性模量低，塑性屈服点高，弹性好；极限应变值很高，能吸收更大的冲击能量，与原浆相比极大地改善了水泥石的变形性能，以满足目前油气井开发过程中对水泥性能的要求，保证固井质量和后续开发。
2、本发明采用所述水泥为G级油井水泥或高镁低热硅酸盐水泥。采用高镁低热硅酸盐水泥具有微膨胀性和较好的耐温特性；高镁低热硅酸盐水泥的水泥石具有微膨胀特性，保证体积稳定性，且后期强度稳定增长的性能。
3、本发明采用所述活性填料为粉煤灰、矿渣粉和微硅粉中的任何一种或两种或三种的混合物，其中粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，矿渣粉的比表面积为450～520m2/Kg，微硅粉为非晶态。粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果；所选用的矿渣粉可保证砂浆后期强度稳定增长；微硅粉平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，无定型球状颗粒，可以提高水泥浆密实度和流动性，具有较好的耐高温特性。
4、本发明采用所述增韧材料为可再分散性乳胶粉、改性沥青和弹性颗粒中的任何一种或两种或三种的混合物。所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力；改性沥青为阳离子乳化沥青，提高柔性和弹性；弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
5、本发明采用所述短纤维为聚丙烯纤维长度为2~6mm，直径为8~30μm。掺入聚丙烯纤维，可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
6、本发明采用所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、萘系高效减水剂中的一种或任意几种的复合物。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
7、本发明采用所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂、硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂中的任何一种或两种或三种的混合物。减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
具体实施方式
实施例
1
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料1份；
增韧材料1份；
短纤维0.01份；
外加剂1份；
减水剂0.1份；
降失水剂1份；
消泡剂1份；
缓凝剂1份。
本发明中，所述水泥为G级油井水泥。
本发明中，所述活性填料为粉煤灰，其中粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果。
本发明中，所述增韧材料为可再分散性乳胶粉。所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为2mm，直径为8μm。掺入聚丙烯纤维可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂。消泡剂使得减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
实施例
2
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料15份；
增韧材料5份；
短纤维0.05份；
外加剂5份；
减水剂0.2份；
降失水剂5份；
消泡剂2份；
缓凝剂5份。
本发明中，所述水泥为G级油井水泥。
本发明中，所述活性填料为粉煤灰，其中粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果。
本发明中，所述增韧材料为改性沥青，改性沥青为阳离子乳化沥青，提高柔性和弹性。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为2mm，直径为8μm。掺入聚丙烯纤维可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂。消泡剂使得减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
实施例
3
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料8份；
增韧材料3份；
短纤维0.03份；
外加剂3份；
减水剂0.1份；
降失水剂3份；
消泡剂1份；
缓凝剂3份。
本发明中，所述水泥为G级油井水泥。
本发明中，所述活性填料为粉煤灰，其中粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果。
本发明中，所述增韧材料为弹性颗粒，弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为2mm，直径为8μm。掺入聚丙烯纤维可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂。消泡剂使得减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
实施例
4
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料10份；
增韧材料4份；
可再分散胶乳粉2份；
弹性颗粒1份；
短纤维0.03份；
外加剂3份；
减水剂0.15份；
降失水剂3份；
消泡剂1.5份；
缓凝剂3份。
本发明中，所述水泥为高镁低热硅酸盐水泥。采用高镁低热硅酸盐水泥具有微膨胀性和较好的耐温特性；高镁低热硅酸盐水泥的水泥石具有微膨胀特性，保证体积稳定性，且后期强度稳定增长的性能。
本发明中，所述活性填料为矿渣粉和微硅粉的混合物，矿渣粉的比表面积为450m2/Kg，微硅粉为非晶态。矿渣粉可保证砂浆后期强度稳定增长；微硅粉平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，无定型球状颗粒，可以提高水泥浆密实度和流动性，具有较好的耐高温特性。
本发明中，所述增韧材料为可再分散性乳胶粉和弹性颗粒的混合物。4份增韧材料中：可再分散胶乳粉和弹性颗粒各2份；所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力；弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为4mm，直径为21μm。掺入聚丙烯纤维，可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂和氨基磺酸盐系高效减水剂的复合物。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂和硅类消泡剂的复合物。减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
实施例
5
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料15份；
增韧材料5份；
短纤维0.05份；
外加剂5份；
减水剂0.2份；
降失水剂5份；
消泡剂2份；
缓凝剂5份。
本发明中，所述水泥为高镁低热硅酸盐水泥。采用高镁低热硅酸盐水泥具有微膨胀性和较好的耐温特性；高镁低热硅酸盐水泥的水泥石具有微膨胀特性，保证体积稳定性，且后期强度稳定增长的性能。
本发明中，所述活性填料为粉煤灰、矿渣粉和微硅粉的混合物，其中粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，矿渣粉的比表面积为470m2/Kg，微硅粉为非晶态。粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果；所选用的矿渣粉可保证砂浆后期强度稳定增长；微硅粉平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，无定型球状颗粒，可以提高水泥浆密实度和流动性，具有较好的耐高温特性。
本发明中，所述增韧材料为可再分散性乳胶粉、改性沥青和弹性颗粒中的混合物。5份增韧材料中：可再分散胶乳粉3份、改性沥青1份和弹性颗粒1份；所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力；改性沥青为阳离子乳化沥青，提高柔性和弹性；弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为6mm，直径为30μm。掺入聚丙烯纤维，可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂和萘系高效减水剂的复合物。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂、硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂的复合物。减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
实施例
6
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料15份；
增韧材料5份；
短纤维0.05份；
外加剂5份；
减水剂0.2份；
降失水剂5份；
消泡剂2份；
缓凝剂5份。
本发明中，所述水泥为高镁低热硅酸盐水泥。采用高镁低热硅酸盐水泥具有微膨胀性和较好的耐温特性；高镁低热硅酸盐水泥的水泥石具有微膨胀特性，保证体积稳定性，且后期强度稳定增长的性能。
本发明中，所述活性填料为粉煤灰、矿渣粉和微硅粉的混合物，其中粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，矿渣粉的比表面积为500m2/Kg，微硅粉为非晶态。粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果；所选用的矿渣粉可保证砂浆后期强度稳定增长；微硅粉平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，无定型球状颗粒，可以提高水泥浆密实度和流动性，具有较好的耐高温特性。
本发明中，所述增韧材料为可再分散性乳胶粉、改性沥青和弹性颗粒中的混合物。5份增韧材料中：可再分散胶乳粉1份、改性沥青1份和弹性颗粒3份；所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力；改性沥青为阳离子乳化沥青，提高柔性和弹性；弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为6mm，直径为30μm。掺入聚丙烯纤维，可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂和萘系高效减水剂的复合物。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂、硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂的复合物。减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
实施例
7
：
一种韧性油井水泥，由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料15份；
增韧材料5份；
短纤维0.05份；
外加剂5份；
减水剂0.2份；
降失水剂5份；
消泡剂2份；
缓凝剂5份。
本发明中，所述水泥为高镁低热硅酸盐水泥。采用高镁低热硅酸盐水泥具有微膨胀性和较好的耐温特性；高镁低热硅酸盐水泥的水泥石具有微膨胀特性，保证体积稳定性，且后期强度稳定增长的性能。
本发明中，所述活性填料为粉煤灰、矿渣粉和微硅粉的混合物，其中粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，矿渣粉的比表面积为520m2/Kg，微硅粉为非晶态。粉煤灰具有玻璃微珠的颗粒特征及潜在的化学活性，对减少水泥浆的用水量、增大流动度、提高的密实程度和后期强度具有优良的效果；所选用的矿渣粉可保证砂浆后期强度稳定增长；微硅粉平均颗粒尺寸比较小，具有很好的填充效应，无定型球状颗粒，可以提高水泥浆密实度和流动性，具有较好的耐高温特性。
本发明中，所述增韧材料为可再分散性乳胶粉、改性沥青和弹性颗粒中的混合物。5份增韧材料中：可再分散胶乳粉1份、改性沥青3份和弹性颗粒1份；所述可再分散性乳胶粉为低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉，低玻璃化温度柔性的可再分散乳胶粉可降低水泥浆浆的弹性模量，提高韧性，增强粘结力；改性沥青为阳离子乳化沥青，提高柔性和弹性；弹性颗粒为超细的天然橡胶颗粒，增加水泥石的弹性。
本发明中，所述短纤维为聚丙烯纤维长度为6mm，直径为30μm。掺入聚丙烯纤维，可提高水泥石的完整性，同时可降低水泥石的弹性模量。
本发明中，所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂和萘系高效减水剂的复合物。通过减水剂的减水作用，可以降低水泥浆所需的用水量，确保其具备较高的流动度及强度。
本发明中，所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂、硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂的复合物。减水剂、可再分散性乳胶粉会使砂浆拌合物中含气量上升，使用消泡剂可降低气泡含量，保证砂浆拌合物硬化后表面光洁，且无空洞。
本发明采用三轴应力试验将本发明韧性水泥与G级原浆比较：
水泥石养护制度为50℃，龄期为7d，实验温度为60℃，围压20MPa。
试验结果见下表：
本发明韧性水泥的水泥石泊松比大，水泥环侧向变能力强，弹性模量低，塑性屈服点高，弹性好；极限应变值很高，能吸收更大的冲击能量，与原浆相比极大地改善了水泥石的变形性能，制造出一种韧性优异的水泥产品。
附注：采用测试方法为三轴应力试验。本方法主要应用于岩石力学性能检测，近年来逐步应用在油井水泥石的力学检测中。可获取杨氏模量、泊松比、体积模量、剪切模量、有效抗压强度和应力值等参数。
Claims (8)
1.一种韧性油井水泥，其特征在于由如下重量份的组分组成：
水泥100份；
活性填料1-15份；
增韧材料1-5份；
短纤维0.01-0.05份；
外加剂1-5份；
减水剂0.1-0.2份；
降失水剂1-5份；
消泡剂1-2份；
缓凝剂1-5份。
2.根据权利要求1所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：所述水泥为G级油井水泥或高镁低热硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：所述活性填料为粉煤灰、矿渣粉和微硅粉中的任何一种或两种或三种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：所述增韧材料为可再分散性乳胶粉、改性沥青和弹性颗粒中的任何一种或两种或三种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：所述短纤维为聚丙烯纤维长度为2~6mm，直径为8~30μm。
6.根据权利要求1所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：所述减水剂为粉状聚羧酸减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂、萘系高效减水剂中的一种或任意几种的复合物。
7.根据权利要求1所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：所述消泡剂为粉状聚醚类消泡剂、硅类消泡剂和聚醚改性硅类消泡剂中的任何一种。
8.根据权利要求3所述的一种韧性油井水泥，其特征在于：矿渣粉的比表面积为450～520m2/Kg。
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