CN106318355B - 一种弹塑性固井水泥浆体系及其应用 - Google Patents

一种弹塑性固井水泥浆体系及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种弹塑性固井水泥浆体系，其包括如下组分：100重量份的水泥、0‑30重量份的高温稳定剂、0‑200重量份的密度调节剂、4‑10重量份的降滤失剂、0‑2重量份的分散剂、0‑1.5重量份的缓凝剂、35‑110重量份的水、0.2重量份的消泡剂、4‑10重量份的增塑剂，以及5‑8重量份的纳米填充材料。本发明还涉及所述水泥浆体系的应用。

Description

一种弹塑性固井水泥浆体系及其应用
技术领域
本发明涉及一种水泥浆体系，尤其涉及一种弹塑性水泥浆体系。本发明还涉及所述水泥浆体系的应用。
背景技术
射孔完井时水泥环受到较大的冲击荷载，为了稳产、增产，各油田都相继进行注水、压裂、酸化等增产措施，不同的作业过程必然会引起井下套管和水泥环受力状态的改变。常规油井水泥浆体系形成的水泥石是脆性材料，形变能力较差，韧性低，容易导致水泥环受损，在油井后期生产或作业过程出现裂纹或者微环隙，从而使得水泥环失去密封能力，影响后期生产。同时后期生产过程中，由于井下温度、套管内压力的变化，引起水泥环应力状态发生变化，因常规水泥石的缺点易导致水泥环受损而产生裂纹及其进一步的扩展，造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏，严重时导致油气井报废。根据《固井技术规范-2009》，产层段水泥石24～48小时的抗压强度应不小于14MPa。在本领域，一般要求弹塑性固井水泥石的弹性模量低于8GPa，抗压强度大于14MPa。因此，本领域急需开发一种具有较高韧性同时强度又不会大幅降低的新型的弹塑性固井水泥浆体系。
发明内容
本发明提供了一种新型的弹塑性固井水泥浆体系，其具有较高韧性同时强度又不会大幅降低，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现前述目的，本发明提供了一种新型的弹塑性固井水泥浆体系，其包括如下组分：100重量份的水泥、0-30重量份的高温稳定剂、0-200重量份的密度调节剂、4-10重量份的降滤失剂、0-2重量份的分散剂、0-1.5重量份的缓凝剂、35-110重量份的水、0.1-0.5重量份、优选0.2重量份的消泡剂、4-10重量份的增塑剂，以及5-8重量份的纳米填充材料。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述高温稳定剂为微硅和/或纯度大于95％的无定型二氧化硅。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述降滤失剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合物、酮醛缩合类和聚乙烯醇(PVA)体系中的任意一种或多种。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述分散剂为醛酮缩合物和/或萘系分散剂。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述缓凝剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述消泡剂为聚醚类。
在本发明的一个优选的实施方式中，优选所述水为自来水或含盐量小于0.5g/L的水。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述密度调节剂为加重剂或减轻剂。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述加重剂为重晶石和/或铁矿粉，所述加重剂的重量份数为0-200份，优选为0-50份。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述减轻剂为粉煤灰和/或漂珠，所述减轻剂的重量份数为0-100份，优选为0-35份。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述水泥为油井水泥，优选为G级油井水泥；
所述纳米填充材料为微硅。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述增塑剂为使用颗粒复合系统包裹工艺技术制备的平均粒径在100-300nm范围内的纳米微硅包裹140-180目数、优选160目数的橡胶颗粒的复合颗粒。
本发明中所使用的增塑剂是利用颗粒复合系统(PCS)包覆工艺制得的。其制备流程如图1所示。本发明的增塑剂的具体制备方法包括如下步骤：将橡胶颗粒与纳米微硅按一定比例加入颗粒复合系统的混合机(1)，调整定量计量系统(2)的实验工艺参数，使纳米微硅能够与橡胶颗粒在主机(3)中充分的接触、混合，在控制系统(5)的控制下，最后在收集器(4)收集装置中获得粉体，形成一种微硅包覆橡胶颗粒的核壳结构。
本发明通过颗粒复合系统包裹工艺，以纳米微硅包裹橡胶颗粒，制备的复合颗粒新型增塑剂，掺入到固井水泥浆中，配制成弹塑性固井水泥浆体系。一方面以刚性颗粒材料纳米微硅为壳，避免水泥石强度大幅度降低，保证水泥石的抗压强度；另一方面以橡胶颗粒弹性材料为核可以保证水泥石具有较低的弹性模量，提高水泥石受力时的变形能力，增强冲击荷载下的韧性，达到改善固井水泥石力学性能的目的。从而能够适应井下作业荷载以及环境变化对水泥环的影响，保持水泥环的长期密封能力。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述复合颗粒的平均粒径在80-120μm的范围内，优选为100μm。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述增塑剂的重量份数为8份。
当加入的增塑剂的重量份数为4-10份时，对水泥石抗压强度影响较小，但提高了水泥石的抗折强度和抗冲击韧性，大幅度降低了水泥石的弹性模量；水泥石表现出了较好的变形能力和较强的抵抗外载荷冲击的韧性，并且水泥石由脆性破坏转变为塑性破坏。当加入的增塑剂的重量份数为少于4份时，则不能明显降低弹性模量，改善水泥石脆性；当加入的增塑剂的重量份数为多于10份时，则抗压强度大幅度降低。当所述增塑剂的重量份数为8份时，则即可有效降低弹性模量，改善水泥石的脆性，提高抗冲击韧性，增加其变形能力等，又不显著降低水泥石的抗压强度，整体效果最好。
除非另有说明，在本发明中的份数均为重量份数。
本发明的另一个目的在于，提供上述体系在高温高压气井固井中的应用，尤其是在高产气井和/或页岩油气井中的应用，优选在气井固井的水泥环中的应用。在本发明中，除另有说明，所述高温是指温度高于120℃，所述高压是指井口压力大于70MPa，井底压力大于105MPa，所述高产是指日产量大于3000m3。
本发明的有益效果在于：
(1)增塑剂经过表面处理后亲水性较好，配浆容易；
(2)与各种外加剂配伍性好，固井水泥浆性能稳定，满足高温固井施工要求；
(3)有效的降低了固井水泥石的脆性，提高了抗冲击荷载韧性并保持满足要求抗压强度；
(4)相对胶乳油井水泥浆体系价格低廉，节约了成本；
(5)由本发明的水泥浆体系配制的固井水泥浆凝结硬化后，不仅提高了水泥石的抗折强度和抗冲击韧性，而且降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性，提高其受力后的变形能力，满足高温高压气井固井需求，尤其适合于当前高产气井及页岩油气井中的应用。
附图说明
图1.本发明的增塑剂的制备方法的流程图。其中，1为混合机，2为定量计量系统，3为主机，4为收集器，5为控制系统。
具体实施方式
以下结合非限制性的具体实施例来对本发明进行进一步的说明。
在下列实施例中使用的水泥是嘉华G级油井水泥，购自四川嘉华水泥厂。降滤失剂型号是DZJ-Y，分散剂型号是DZS，缓凝剂是DZH-2，消泡剂是DZX-1，加重剂是赤铁矿粉，纳米硅液型号是SCLS，以上外加剂均来自德州大陆架石油工程技术有限公司。高温温定剂是硅粉，来自凤阳光明工业材料有限公司，水采用北京地区的自来水。
实施例1
采用油井水泥(嘉华G级)96重量份，降滤失剂(DZJ-Y)5重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂0.2重量份，增塑剂4重量份，纳米填充材料微硅6重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆体系，93℃和20MPa环境下养护48小时，测试弹性模量为6.5GPa，泊松比为0.20，抗压强度为30.0MPa。与对比例1的常规水泥石相比，掺有本发明的新的增塑剂的弹塑性固井水泥石的弹性模量大幅度降低，说明韧性得到了提高，且抗压强度没有大幅降低，基本保持一致，说明保持较高的强度，形变能力明显改善。
对比例1
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降滤失剂(DZJ-Y)5重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂0.2重量份，纳米填充材料微硅6重量份，配置出密度为1.90g/cm3油井水泥浆体系，93℃和20MPa环境下养护48小时，测试弹性模量为11.5GPa，泊松比为0.19，抗压强度为24.1MPa。
实施例2
采用油井水泥(嘉华G级)94重量份，高温稳定剂(80目硅粉)30重量份，降滤失剂(DZJ-Y)5重量份，分散剂(DZS)1.2重量份，加重剂(赤铁矿粉，250目)70重量份，缓凝剂(DZH-2)0.1重量份，纳米液硅5重量份，水67重量份，消泡剂0.2重量份，增塑剂6重量份，配置出密度为2.25g/cm3油井水泥浆体系，130℃和20MPa环境下养护48小时，测试弹性模量为5.4GPa，泊松比为0.20，抗压强度为23.5MPa。与对比例2相比，本发明的实施例2的弹塑性固井水泥浆体系硬化后形成的水泥石力学性能明显改善。
对比例2
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，高温稳定剂(80目硅粉)30重量份，降滤失剂(DZJ-Y)5重量份，分散剂(DZS)1.2重量份，加重剂(赤铁矿粉，250目)70重量份，缓凝剂(DZH-2)0.1重量份，纳米液硅5重量份，水67重量份，消泡剂0.2重量份，配置出常规性能的高密度水泥浆体系，密度为2.25g/cm3，130℃和20MPa环境下养护48小时，测试弹性模量为13.1GPa，泊松比为0.19，抗压强度为27.8MPa。
实施例3
与实施例2相同，不同之处仅在于，采用10重量份增塑剂而非6重量份。测得的弹性模量为4.7GPa，泊松比为0.20，抗压强度为20.1MPa。
实施例4
与实施例2相同，不同之处仅在于，采用8重量份增塑剂而非6重量份。测得的弹性模量为4.5GPa，泊松比为0.20，抗压强度为24.3MPa。
从上述实施例可知，当本发明的增塑剂为8重量份时，本发明的固井水泥浆体系的效果最好。
对比例3
与实施例2相同，不同之处仅在于，采用2重量份增塑剂而非6重量份。测得的弹性模量为10.8GPa，泊松比为0.20，抗压强度为28.9MPa。
对比例4
与实施例2相同，不同之处仅在于，采用12重量份增塑剂而非6重量份。测得的弹性模量为4.6GPa，泊松比为0.20，抗压强度为12.4MPa。
比较上述实施例和对比例3和4可知，当本发明的增塑剂在本发明的4-10重量份之外时，固井水泥浆体系的效果不好。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (14)

1.一种弹塑性固井水泥浆体系，其包括如下组分：100重量份的水泥、0-30重量份的高温稳定剂、0-200重量份的密度调节剂、4-10重量份的降滤失剂、0-2重量份的分散剂、0-1.5重量份的缓凝剂、35-110重量份的水、0.1-0.5重量份、0.2重量份的消泡剂、4-10重量份的增塑剂，以及5-8重量份的纳米填充材料；
其中，所述增塑剂为使用颗粒复合系统包裹工艺技术制备的平均粒径在100-300nm范围内的纳米微硅包裹140-180目数的橡胶颗粒的复合颗粒。
2.根据权利要求1所述的体系，其特征在于，所述高温稳定剂为微硅和/或纯度大于95％的无定型二氧化硅；
所述降滤失剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物、酮醛缩合类和聚乙烯醇体系中的任意一种或多种；
所述分散剂为醛酮缩合物和/或萘系分散剂；
所述缓凝剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物；
所述消泡剂为聚醚类；
所述水为自来水或含盐量小于0.5g/L的水。
3.根据权利要求1或2所述的体系，其特征在于，所述密度调节剂为加重剂或减轻剂。
4.根据权利要求3所述的体系，其特征在于，所述加重剂为重晶石和/或铁矿粉，所述加重剂的重量份数为0-200份。
5.根据权利要求4所述的体系，其特征在于，所述加重剂的重量份数为0-50份。
6.根据权利要求3所述的体系，其特征在于，所述减轻剂为粉煤灰和/或漂珠，所述减轻剂的重量份数为0-100份。
7.根据权利要求6所述的体系，其特征在于，所述减轻剂的重量份数为0-35份。
8.根据权利要求1或2所述的体系，其特征在于，所述水泥为油井水泥；所述纳米填充材料为微硅。
9.根据权利要求8所述的体系，其特征在于，所述水泥为G级油井水泥。
10.根据权利要求1所述的体系，其特征在于，所述复合颗粒的平均粒径在80-120μm的范围内。
11.根据权利要求1或2所述的体系，其特征在于，所述增塑剂的重量份数为8份。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的体系在高温高压气井固井中的应用。
13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，根据权利要求1-11中任意一项所述的体系在高产气井和/或页岩油气井中的应用。
14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于，根据权利要求1-11中任意一项所述的体系在气井固井的水泥环中的应用。
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