CN106833567B - 一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法，该水泥浆体系，包括如下组分组成：油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂、分散剂和水。将油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂和分散剂混合均匀，然后加入水搅拌均匀，即得高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系。本发明还提供上述水泥浆体系的设计方法。本发明的水泥浆体系具有较高的抗压强度和韧性，在150℃、30MPa条件下养护1～28天，抗压强度>60MPa，且随着养护时间的延长不发生强度衰退；弹性模量<10GPa，且随养护时间的延长不发生明显的变化。

Description

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设 计方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法，属于油气田开发技术领域。

背景技术

随着浅层油气资源的日益枯竭，油气资源勘探和开发逐渐走向深部地层，深井以及超深井数量正在逐年增长。而随着油气井深度的增加，井底的温度也将相应的提高，部分油气井的井底温度将会超过150℃，甚至达到200℃。另外，我国也拥有丰富的稠油资源，稠油油藏的火烧油层、注蒸汽吞吐等开发技术也会使井底产生150℃～350℃的高温。井底的高温高压环境对固完井工程，尤其对固井水泥浆体系提出了更加严峻的挑战。因此，新型高温固井水泥浆体系的研发对于我国油气资源的勘探与开发具有非常重大的意义。

固井的目的是封隔地层和支撑及保护套管。油井水泥是固井作业中最为常用的材料。水泥浆凝固后所形成水泥环的完整性将直接决定固井质量以及油气井的使用寿命，水泥石的力学性能对水泥环完整性有至关重要的影响。在深部地层的水泥环除了受到较高的地层围压外，还会受到油气生产过程中所产生的循环载荷，以及轴向和径向的压力。所以水泥石不仅要具有足够高的抗压强度，还要有较好的韧性，才能充分满足油气井固井以及后续油气生产的要求。

目前所常用的油井水泥为一种波特兰水泥，其主要成分为硅酸钙和铝酸钙类的矿物。油井水泥在高温条件下(温度超过110℃)会发生强度下降和渗透率急剧增大的现象，最终导致水泥环完整性失效，难以实现封隔地层和支撑套管的目的。因此，需要对常规的油井水泥浆体系进行优化，改善其在高温下的力学性能。

目前防止水泥石高温强度衰退的最普遍的方法为向水泥中掺加30～40％的石英砂或石英粉，通过降低油井水泥中CaO与SiO₂(C/S)的摩尔比(钙硅比)，来改善水泥的水化产物并形成更加致密的结构。虽然石英砂的加入可以有效提高水泥石在高温下的抗压强度，但也会明显提升水泥石的弹性模量，即韧性降低。除了最常用的石英砂，也可以用其他添加剂来防止水泥石的强度衰退，如中国专利文件CN105331341A中所涉及的利用高岭土改善水泥石的力学性能，通过生成在高温下不发生晶型转化的具有钙长石结构的水化产物，来防止水泥石的强度衰退，但是高岭石对水泥石强度的提升效果远不如石英砂。目前也开发出适用于高温固井的新型非硅酸盐水泥浆体系，如中国专利文件CN102994058A中所涉及的利用Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃和R₂O(Na₂O+K₂O)的组分A以及3CaO·Al₂O₃·CaSO₄、2CaO·SiO₂和6CaO·Al₂O₃·2Fe₂O₃的组分B按照重量比1:1所配制的高温水泥体系，但是该非硅酸盐水泥石在高温下的抗压强度仍较低。

中国专利文件CN102220114A公开了一种可耐200℃的固井用水泥浆，该水泥浆中使用的降失水剂能够有效降低水泥浆的失水量，缓凝剂的耐温能力达230℃以上，并可保证水泥浆的稠化时间可调；减阻剂采用了磺化丙酮甲醛缩聚物，稳定剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/氮乙烯基吡咯烷酮共聚物，保证了水泥浆的稳定性；热稳定剂为二氧化硅固体颗粒普通80目石英砂，提高水泥石的抗压强度和抗渗能力，并且二氧化硅抗高温能力高达350℃。但是，该固井用水泥浆添加有80目石英砂，会明显降低水泥石的韧性，且在高温下的水泥石抗压强度仍有待加强。

中国专利文件CN105694832A公开了一种油田固井用耐高温大温差的水泥浆体，原料组分及重量含量如下，G级油井水泥：600份、HS101L降失水剂：(30～36)份、HS201L缓凝剂：(8～20)份、HS-301S分散剂：1.8份、石英砂：150份、微硅粉：30份、HS-XF1S悬浮稳定剂：1.8份、水：(280～300)份和二(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠：1份；石英砂的粒径为80～120目，微硅粉的粒径为300～400目且二氧化硅含量在90％以上。虽然该水泥浆在常温井段有较高的抗压强度，但是随着温度的升高，当养护温度超过150℃时，该水泥浆体系仍会发生强度衰退现象。

另外，现有提高水泥石韧性的主要方法是向水泥浆中加入橡胶颗粒、弹性微球、纤维或乳胶。但是，橡胶颗粒和弹性微球会破坏水泥石的均一结构，从而明显降低水泥石的抗压强度；纤维会使水泥浆的流变性变差，并破坏水泥浆在高温下的沉降稳定性；乳胶的制备较为复杂，与其他固井添加剂的配合也不够理想。

因此，需要开发出新型的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，来满足深层油气井和稠油热采井固井的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法，以解决目前油井水泥浆体系耐高温性差、韧性不足的问题。本发明的水泥浆体系具有高强度和高韧性的优点，能够有效缓解水泥石在高温条件下发生的强度衰退以及韧性不足的难题，满足油气井固井的要求。可适用于深层油气井和稠油热采井固井，可提高固井质量并延长油气井生产时间。

本发明的技术方案如下：

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

根据本发明，优选的，所述的油井水泥是油井G级水泥、油井H级水泥、油井A级水泥、油井C级水泥中的一种。

根据本发明，优选的，所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％。

根据本发明，优选的，所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％。

根据本发明，优选的，所述的粗石英砂和细石英砂的总加量为油井水泥质量的35％～45％。

根据本发明，优选的，所述的纳米二氧化硅是纳米二氧化硅粉末、纳米二氧化硅水溶胶中的一种；

优选的，所述的纳米二氧化硅的制备方法是化学气相沉积法、液相法、离子交换法、沉淀法和溶胶凝胶法等化学制备方法中的一种，纳米二氧化硅呈非晶形结构。

根据本发明，优选的，所述的纳米二氧化硅粉末是一种白色无定型固体蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量≥90％，粉末颗粒为圆球形。

根据本发明，优选的，所述的纳米二氧化硅水溶胶是一种透明至微乳白的液体，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量为25～50％，粉末颗粒为圆球形。

根据本发明，优选的，所述的纳米二氧化硅的最优加量为油井水泥质量的6％～8％。

根据本发明，优选的，所述的降失水剂是油田固井常用的丁二烯-苯乙烯胶乳降失水剂、醋酸乙烯酯-乙烯胶乳降失水剂、丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合类降失水剂中的一种或两种以上混合。

根据本发明，优选的，所述的分散剂是油田固井常用的磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂，或者聚萘磺酸盐分散剂中的一种。

根据本发明，所述的水可以是淡水、海水和矿化度水中的一种。

根据本发明，优选的，所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

根据本发明，优选的，所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

根据本发明，上述高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的制备方法，包括步骤如下：

将油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂和分散剂混合均匀，然后加入水搅拌均匀，即得高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系。

根据本发明，一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的设计方法，包括步骤如下：

(1)根据油井水泥中每种矿物的成分和含量，计算出水泥的钙硅质量比，根据不同温度下所生成抗高温的水化产物，以油井水泥的钙硅质量比为0.8～1.1为标准，确定该水泥浆体系中所需的石英砂加量；

(2)根据Hudson堆积模型，以孔隙率最小为标准，确定石英砂的粒径；根据Andreason方程确定该水泥浆体系中石英砂所采取的不同粒径的质量比；

(3)为了进一步提高水泥石的抗压强度和韧性，向该水泥浆体系中加入纳米二氧化硅，从而可以有效填充水泥石的微孔隙；根据水泥石中微孔隙的尺寸分布以及纳米二氧化硅的比表面积，以累计孔隙体积达总孔隙体积90％时的孔隙直径为标准，确定纳米二氧化硅的粒径。

本发明的固井水泥浆体系在高温条件下具有超高的抗压强度且不发生强度衰退现象，并且还有较低的弹性模量和良好的韧性。本发明的技术特点有：(1)根据油井水泥原料以及不同高温水泥水化产物中的钙硅比，计算出高温固井水泥浆体系中石英砂的合理加量，从而有效提高水泥石的抗压强度；(2)采取二元颗粒级配的石英砂组合，根据紧密堆积理论，确定每种石英砂粒径的大小与加量，在进一步提高水泥石抗压强度的同时，能够增强水泥石的韧性；(3)向高温水泥浆体系中创新性的引入纳米二氧化硅作为微填充材料，来提升水泥石的强度和韧性，其特点有：(a)本发明所使用的是化学方法制备的非晶形纳米二氧化硅，与石英砂以及其他固井添加剂可以很好的配合使用；(b)通过对纳米二氧化硅粒径的优选，利用纳米二氧化硅的高比表面积促进水泥的水化反应，并且纳米二氧化硅能与石英砂起到协同作用来更有效的改善水泥水化产物；(c)通过对纳米二氧化硅加量的优选，使纳米二氧化硅颗粒可填充于水泥水化产物所形成的微孔隙中，让水泥石的结构更加致密，在进一步提升水泥石抗压强度和防止高温强度衰退的同时，可以有效降低水泥石的弹性模量，提高水泥石的韧性。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的水泥浆体系具有较高的抗压强度和韧性，在150℃、30MPa条件下养护1～28天，抗压强度>60MPa，且随着养护时间的延长不发生强度衰退；弹性模量<10GPa，且随养护时间的延长不发生明显的变化。

2、本发明的水泥浆体系具有技术简单、成本低廉、制备方便等特点，以现有的现场固井设备即可实现配制。

3、本发明水泥浆体系的设计方法也可以科学的指导设计其他高温水泥浆体系，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例2制得的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，在150℃、30MPa条件下养护1～28天的抗压强度和弹性模量的发展曲线图。

图2是本发明实施例2制得的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，在150℃、30MPa条件下养护5天后，利用SEM所观察到水泥石的微观结构照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实验方法：按标准GB/T 19139-2003“油井水泥试验方法”制备的高温固井水泥浆，并参考标准SY/T 6544-2003“油井水泥浆性能要求”、SY/T 6466-2000“油井水泥石抗高温性能评价方法”测试高温固井水泥浆体系的性能。

实施例中所用原料如无特殊说明，均为常规市购产品。

实施例1：以G级油井水泥为例，设计高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的配方

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的设计方法，包括步骤如下：

(1)根据油井水泥中每种矿物的成分和含量，计算出水泥的钙硅质量比，根据不同温度下所生成抗高温的水化产物，以油井水泥的钙硅质量比为0.8～1.1为标准，确定该水泥浆体系中所需的石英砂加量；

(2)根据Hudson堆积模型，以孔隙率最小为标准，确定石英砂的粒径；根据Andreason方程确定该水泥浆体系中石英砂所采取的不同粒径的质量比；

(3)为了进一步提高水泥石的抗压强度和韧性，向该水泥浆体系中加入纳米二氧化硅，从而可以有效填充水泥石的微孔隙；根据水泥石中微孔隙的尺寸分布以及纳米二氧化硅的比表面积，以累计孔隙体积达总孔隙体积90％时的孔隙直径为标准，确定纳米二氧化硅的粒径。

以G级油井水泥为例，其矿物组成如表1所示：

表1一种G级油井水泥的矿物组成

通过表1油井水泥的矿物组分，计算出该水泥的钙硅比为2.63。油井水泥在高温下的水化产物以水化硅酸二钙(C₂SH)为主，其钙硅比大于或等于2。而加入石英砂后的油井水泥，在110～150℃时，所生成的水化产物以雪硅钙石(C₅S₆H₅)为主，而在150～220℃时的水化产物以硬硅钙石(C₆S₆H)为主。雪硅钙石和硬硅钙石都是在高温下具有高强度的水化产物，其钙硅比一般为0.83～1。所以为了调节油井水泥的钙硅原子数比至1左右，可以计算出石英砂的加量应该为油井水泥质量的35％～45％。通过实验验证了石英砂的加量为油井水泥质量的35％～45％时，可以有效提高水泥石在高温下的抗压强度。

通过前期的实验，初步确定当加入石英砂的粒径与水泥颗粒粒径相近时，可以有效防止水泥石的高温强度衰退。为了进一步提高该高温水泥浆体系的强度，采取二元颗粒级配的石英砂，并根据紧密填充原理，确定石英砂的具体粒径和加量。根据Hudson堆积模型，等径二元小球所堆积形成的三角形孔隙中球的尺寸比为0.17～0.20时，其孔隙率最小。因此，首先选取与水泥颗粒大小几乎相等的200目(粒径约为50～90μm)石英砂作为颗粒级配的第一级，后选取1000目的石英砂(粒径约为10～15μm)作为颗粒级配的第二级。根据Andreason方程可以确定，200目的石英砂与1000目的石英砂的加量比为1:1～1.2:1。通过实验验证了200目石英砂与1000目石英砂相组合，要比单独加入时更有效的提高水泥石的抗压强度，且还能够提高水泥石的韧性。

通过SEM和TEM等微观实验，可以观察到在加入石英砂的高温水泥石中存在较多纳米级的微孔隙，这些微孔隙会对水泥石的长期抗压强度以及韧性产生不利影响。因此，本发明的高温水泥浆体系还将采用纳米二氧化硅作为微填充材料。为了使所加入的纳米二氧化硅和其他水泥添加剂能够有效配合，且不影响水泥矿物的正常水化反应，本发明将使用非晶形的纳米二氧化硅。之后，再根据水泥石中微孔隙的尺寸以及纳米颗粒比表面积的大小，对纳米二氧化硅的粒径进行优选。当纳米二氧化硅在水泥浆中含量较低时，其纳米颗粒会发生团聚作用，有效的填充水泥石的微孔隙。但当纳米二氧化硅在水泥浆中含量较高时，其可以参与水泥的水化反应，生成蜂窝状的水化产物C₃S₂H₄，反而会降低水泥石的抗压强度。通过实验，可以得出纳米二氧化硅的加量为固井水泥质量的2％～10％时，能够有效起到微填充作用，提高水泥石的抗压强度和韧性。

试验例1：不同加量的粗石英砂对高温水泥浆体系抗压强度的影响测试

向G级油井水泥中加入不同质量分数的粒径为50～90μm的粗石英砂，以水灰质量比为0.38配制水泥浆，在不同的高温环境下分别养护1天和5天后，测量其抗压强度，如表2所示。

表2不同粗石英砂加量对高温水泥浆体系抗压强度的影响

根据表2的实验结果可知，向高温水泥浆体系中加入粗石英砂能够有效提高其抗压强度。随着石英砂加量的增加，水泥石的抗压强度会逐渐提高。但粗石英砂的加量超过水泥质量40％时，水泥石的抗压强度发生下降。根据计算所得油井水泥原料以及高温水化产物中的钙硅比，从而确定该高温水泥浆体系中所需石英砂的理论加量为35％～45％。通过实验可以确定粗石英砂的最优加量为35％～45％，与理论计算值相符。

试验例2：不同粒径的石英砂对高温水泥浆体系抗压强度的影响测试

向G级油井水泥中加入质量分数为40％的不同粒径(组合)的石英砂，以水灰质量比为0.38配制水泥浆，在不同的高温环境下分别养护5天后，测量其抗压强度和弹性模量，如表3所示。

表3不同粒径的石英砂对高温水泥浆体系抗压强度和弹性模量的影响

根据表3的实验结果可知，不同粒径的石英砂对高温水泥浆体系的抗压强度有不同的影响。随着石英砂粒径的减小，水泥石的抗压强度先会逐渐提高，但是当粒径小于50μm时，抗压强度又会逐渐下降。所以，向高温水泥浆体系中加入石英砂的最优粒径为50～90μm。而不同粒径的石英砂对水泥石弹性模量的影响并不大。根据紧密堆积理论，优选出二元颗粒级配的石英砂组合，即20％的50～90μm粗石英砂和20％的10～15μm细石英砂。将该石英砂组合加入到油井水泥浆体系中，不仅可以进一步提高水泥石在高温下的抗压强度，还能够明显降低水泥石的弹性模量，增强水泥石的韧性。

试验例3：纳米二氧化硅对高温固井水泥浆体系抗压强度和弹性模量的影响测试

向G级油井水泥中加入已确定好的石英砂组合，即20％的50～90μm粗石英砂和20％的10～15μm细石英砂，之后加入不同质量分数的纳米二氧化硅，以水灰比为0.38配制水泥浆，在不同的高温环境下分别养护5d后，测量其抗压强度和弹性模量，如表4所示。

表4纳米二氧化硅对高温水泥浆体系抗压强度和弹性模量的影响

根据表4的实验结果可知，向含石英砂的高温水泥浆体系中加入少量纳米二氧化硅，不仅能够有效提高水泥石的抗压强度，还能有效降低水泥石的弹性模量，使该高温水泥浆体系具有高强度和高韧性的特点。而当纳米二氧化硅的加量超过10％时，水泥石的抗压强度开始降低，所以该高温水泥浆体系的纳米二氧化硅加量可以为2％～10％，最优加量为6％～8％。

实施例2：高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系组成

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

油井G级水泥100份、粗石英砂20份、细石英砂15份、纳米二氧化硅水溶胶6份、降失水剂5份、分散剂1份、水51.3份；

所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的纳米二氧化硅水溶胶是一种透明至微乳白的液体，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量为25～50％，粉末颗粒为圆球形；

所述的降失水剂是丁二烯-苯乙烯胶乳降失水剂，所述的分散剂是磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂。

制备方法，包括步骤如下：

将油井G级水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂和分散剂混合均匀，然后加入水搅拌均匀，即得高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系。

本实施例得到的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，在150℃、30MPa条件下养护1～28天的抗压强度和弹性模量的发展曲线如图1所示。由图1可以看出，在高温养护条件下，该水泥浆体系具有很高的抗压强度(>60MPa)，且随着养护时间的延长不发生强度衰退。另外，该水泥浆体系具有较低的弹性模量较低(<10MPa),且随养护时间的延长不发生明显的变化。

本实施例制得的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，在150℃、30MPa条件下养护5天后，利用SEM所观察到水泥石的微观结构照片如图2所示。从图2中可以看出，该水泥浆体系的水化产物以针状和片状的水化硅酸钙为主，在高温下能够保持稳定形态并互相胶结形成空间结构。另外，水泥石中微空隙的尺寸大约为20～50nm，而加入的纳米二氧化硅颗粒可以有效的填充于水化产物的微孔隙中，使所形成的水泥石具有更加致密的整体结构。

实施例3：

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

油井G级水泥100份、粗石英砂20份、细石英砂20份、纳米二氧化硅水溶胶8份、降失水剂8份、分散剂2份、水65份；

所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的纳米二氧化硅水溶胶是一种透明至微乳白的液体，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量为25～50％，粉末颗粒为圆球形；

所述的降失水剂是醋酸乙烯酯-乙烯胶乳降失水剂，所述的分散剂是聚萘磺酸盐分散剂。

制备方法同实施例2。

实施例4：

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

油井H级水泥100份、粗石英砂25份、细石英砂20份、化学气相沉积法纳米二氧化硅粉末7份、降失水剂6份、分散剂1.5份、水70份；

所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的纳米二氧化硅粉末是一种白色无定型固体蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量≥90％，粉末颗粒为圆球形；

所述的降失水剂是丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物降失水剂，所述的分散剂是聚萘磺酸盐分散剂。

制备方法同实施例2。

实施例5：

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

油井A级水泥100份、粗石英砂20份、细石英砂18份、纳米二氧化硅水溶胶2份、降失水剂3.2份、分散剂0.8份、水50份；

所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的纳米二氧化硅水溶胶是一种透明至微乳白的液体，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量为25～50％，粉末颗粒为圆球形；

所述的降失水剂是醋酸乙烯酯-乙烯胶乳降失水剂，所述的分散剂是聚萘磺酸盐分散剂。

制备方法同实施例2。

实施例6：

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

油井C级水泥100份、粗石英砂20份、细石英砂20份、化学气相沉积法纳米二氧化硅粉末4份、降失水剂4份、分散剂1.2份、水60份；

所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的纳米二氧化硅粉末是一种白色无定型固体蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量≥90％，粉末颗粒为圆球形；

所述的降失水剂是丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物降失水剂，所述的分散剂是聚萘磺酸盐分散剂。

制备方法同实施例2。

实施例7：

一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：

油井C级水泥100份、粗石英砂20份、细石英砂20份、化学气相沉积法纳米二氧化硅粉末7份、降失水剂5份、分散剂1份、水52份；

所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％；

所述的纳米二氧化硅粉末是一种白色无定型固体蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量≥90％，粉末颗粒为圆球形；

所述的降失水剂是丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物降失水剂，所述的分散剂是聚萘磺酸盐分散剂。

制备方法同实施例2。

对比例1

本对比例为普通G级油井水泥原浆，水灰质量比为0.44。

对比例2

本对比例为加石英砂的常规高温固井水泥浆体系，水泥为普通G级油井水泥，水灰质量比0.38；石英砂加量为水泥质量的35％，平均粒径为50μm。

试验例4：高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系浆体性能测试

以实施例2高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系为测试对象，先将配浆的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系固相干灰组份和液相组份各自称量好并混匀，测试该水泥浆体系的密度、API失水量、初始稠度、稠化时间和流变参数，以及在不同高温条件下养护5d后抗压强度和弹性模量，具体实验结果见表5。

表5高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的浆体性能

根据表5的测试结果可知，本发明的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系具有良好的流变性能、较低的失水量以及合适的初始稠度和稠化时间，其综合性能完全可以满足现场固井施工的有关要求，为深层油气井以及稠油热采井的成功固井提供技术保障。

试验例5：高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的抗压强度和弹性模量测试

以实施例2的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系为测试对象，在不同高温条件下养护不同时间后，测试水泥石的抗压强度和弹性模量，具体实验结果见表6。

表6高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的抗压强度和弹性模量

根据表6的测试结果可知，本发明所涉及的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系具有高强度和高韧性的特点，可以解决目前油井水泥耐高温性差、韧性不足的问题，适用于深层油气井和稠油热采井固井。

试验例6：不同水泥浆体系的抗压强度和弹性模量的性能对比

以对比例1、对比例2和实施例2的固井水泥浆体系为测试对象，在不同高温条件下养护5天后，测试水泥石的抗压强度和弹性模量，具体实验结果见表7。

表7对比不同水泥浆体系的抗压强度和弹性模量

根据表7的测试结果可知，对比例1的油井水泥原浆随着养护温度的升高，抗压强度会发生明显的下降，无法起到隔离地层和支撑套管的要求。对比例2的固井水泥浆体系相比于对比例1油井水泥原浆，在高温养护条件下具有更高的抗压强度，但同时也有更高的弹性模量，该水泥石的脆性会对水泥环的完整性产生不利影响。本发明实施例2的高温固井水泥浆体系，通过科学的计算石英砂加量、颗粒级配石英砂尺寸以及采用纳米二氧化硅填充微孔隙，使水泥石在高温养护条件下不仅具有更高的抗压强度，且弹性模量也较常规高温水泥浆体系有明显的降低，即水泥石的韧性得到提高。

以上结果表明本发明所涉及的高温固井水泥浆体系可以有效解决目前油井水泥浆体系高温强度衰退、韧性不足的问题，能够明显提高深层油气井以及稠油热采井的固井质量。

当然，以上所述仅是本发明的实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，该水泥浆体系包括如下质量份的组分组成：

油井水泥 100份；

粗石英砂 20 ~ 25份；

细石英砂 15 ~ 20份；

纳米二氧化硅 2 ~ 10份；

降失水剂 3.2 ~ 8.6份；

分散剂 0.8 ~ 2.0份；

水 45 ~ 70份；

所述的粗石英砂密度介于2.30~2.65g/cm³，粒径介于50~90μm，二氧化硅质量含量≥95%；

所述的细石英砂密度介于2.40~2.85g/cm³，粒径介于10~15μm，二氧化硅质量含量≥95%；

所述的纳米二氧化硅是纳米二氧化硅粉末、纳米二氧化硅水溶胶中的一种；

所述的纳米二氧化硅粉末密度介于0.60~1.50g/cm³，粒径介于12~30nm，二氧化硅质量含量≥90%；所述的纳米二氧化硅水溶胶密度介于1.10~1.40g/cm³，粒径介于12~30nm，二氧化硅质量含量为25~50%。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的油井水泥是油井G级水泥、油井H级水泥、油井A级水泥、油井C级水泥中的一种。

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的纳米二氧化硅的制备方法是化学气相沉积法、液相法、离子交换法、沉淀法和溶胶凝胶法等化学制备方法中的一种。

4.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的降失水剂是丁二烯-苯乙烯胶乳降失水剂、醋酸乙烯酯-乙烯胶乳降失水剂、丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）聚合类降失水剂中的一种或两种以上混合。

5.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的分散剂是磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂，或者聚萘磺酸盐分散剂中的一种。

6.权利要求1~5任一项所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的制备方法，包括步骤如下：

将油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂和分散剂混合均匀，然后加入水搅拌均匀，即得高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系。