CN106986584A - 一种低温高强韧性水泥浆及其制备方法和应用 - Google Patents

一种低温高强韧性水泥浆及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低温高强韧性水泥浆及其制备方法和应用。以重量份计，该低温高强韧性水泥浆的原料组分包括：100份的水泥、2‑10份的早强剂、4‑20份的低温高活性材料、2‑10份的膨胀韧性材料、0.5‑2份的分散剂、0.5‑4份的降失水剂、0.2‑2份的缓凝剂、0.1‑1份的消泡剂和40‑60份的水。本发明提供的低温高强韧性水泥浆具有早强、高强度、低弹性模量和微膨胀特性，能够有效改善水泥石低温下强度发展慢、强度不高、脆性强、易收缩的固有缺陷，能很好的应用于致密油水平井、煤层气井等固井，缩短油气井开发周期，提高固井质量，延长油气井使用寿命，为油气井的长期、安全、有效运行提供技术支撑。

Description

一种低温高强韧性水泥浆及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于油田开采技术领域，涉及一种低温高强韧性水泥浆及其制备方法和应用。
背景技术
我国致密油资源丰富，在国内某些地区，致密油资源是实现年产油气当量5000万吨并长期稳产的石油接替资源。由于致密油埋藏浅，井底温度低，水泥水化速度慢，韧性材料的加入进一步降低了水泥石抗压强度。在低温条件下水泥石强度发展慢，早期强度低，长期强度不高，一方面延长了建井周期，增加了成本，降低了勘探开发经济效益；另一方面在大型体积压裂和地下岩层复杂作用力的影响下，水泥环容易出现微裂纹甚至破裂，导致油气井层间封隔失效，从而出现地层流体窜流、环空带压等现象，威胁油气井安全运行及油井寿命。
针对以上技术问题，现有技术公开了多种低温早强韧性水泥浆技术，如CN105567197A公开了一种低温早强增韧水泥浆，该水泥浆密度1.85g/cm3-1.90g/cm3，在低温(20℃-30℃)下5h开始形成强度，24h抗压强度达到20MPa以上，48h抗压强度达到27MPa以上，弹性模量10.57GPa，但是，该水泥浆体系并未考虑膨胀韧性材料颗粒间以及与水泥颗粒之间的紧密堆积，水泥石抗压强度不高，而且未考虑水泥石的膨胀性能。CN104371678A公开了一种膨胀韧性固井水泥浆，该水泥浆稳定性好，水泥石具有微膨胀、高强度、低弹性模量特征，但是，该水泥石48h抗压强度32.2MPa，水泥石低温强度仍有很大提高空间。
上述现有技术虽在低温早强、韧性膨胀等方面有了很大进步，但是在低温(30℃-60℃)条件下，现有技术要实现水泥石早强、高强、韧性、微膨胀的综合性能仍然欠缺，并且现有技术公开的水泥石抗压强度普遍偏低。因此，开发一种低温高强度(＞40MPa/48h)韧性微膨胀水泥浆具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有早强、高强度、低弹性模量和微膨胀特性的低温高强韧性水泥浆及其制备方法和应用，能够有效改善水泥石低温下强度发展慢、强度不高、脆性强、易收缩的固有缺陷，提高水泥石早强、高强、韧性和微膨胀的综合性能，为油气井、煤气井等长期、安全、有效运行提供技术支撑。
本发明的目的通过以下技术方案得以实现：
本发明提供一种低温高强韧性水泥浆，以重量份计，其原料组分包括：
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述水泥包括G级油井水泥。
上述低温高强韧性水泥浆中，所述早强剂指能够缩短水泥浆稠化时间，提高水泥浆早期强度的外加剂。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述早强剂可以包括氯化钙、硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、硅酸钠和铝酸钠等中的一种或多种的组合。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述早强剂为氯化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比为1:1:0.3的组合。一方面氯化钙、硫酸钠缩短稠化时间，提高水泥石早期强度，硅酸钠缩短稠化曲线过渡时间，有利于提高固井质量。
上述低温高强韧性水泥浆中，所述低温高活性材料指能够提高水泥浆低温强度，改善水泥石致密程度并提高水泥石长期强度的油井水泥外掺料。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述低温高活性材料可以包括矿渣粉、超细水泥、超细石英砂和偏高岭土等中的一种或多种的组合。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述矿渣粉的粒径不大于20μm；所述超细水泥的粒径不大于10μm；所述超细石英砂的粒径不大于15μm，纯度不低于95％；所述偏高岭土的粒径不大于45μm。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述低温高活性材料为矿渣粉和超细水泥以重量比为1:1的组合。提高水泥石低温活性，增强体系稳定性。
上述低温高强韧性水泥浆中，所述膨胀韧性材料指既有一定的膨胀性能，又能改善水泥石韧性的一类油井水泥外掺料。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述膨胀韧性材料可以包括碳酸钙晶须、氧化镁晶须、水镁石纤维和玄武岩纤维等中的一种或多种的组合。优选的碳酸钙晶须、氧化镁晶须、水镁石纤维和玄武岩纤维均为无机物，与水泥浆相容性好，水泥石综合性能优异，并且便于现场应用。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述膨胀韧性材料为氧化镁晶须和玄武岩纤维以重量比为1:1的组合。一方面利用氧化镁晶须在水泥石中的微膨胀性能，另一方面发挥了玄武岩纤维的增韧作用。
上述低温高强韧性水泥浆中，所述分散剂可以是本领域常用的分散剂，优选地，所述分散剂可以包括磺化丙酮甲醛缩合物(USZ)等。
上述低温高强韧性水泥浆中，所述降失水剂可以是本领域常用的降失水剂，优选地，所述降失水剂包括聚乙烯醇(PVA)和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)类聚合物；更加优选地，所述聚乙烯醇(PVA)的分子量为77000±2200，聚合度为1750±50；所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)类聚合物的分子量为30-50万。本发明采用的降失水剂有液体的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)类聚合物和固体的聚乙烯醇(PVA)，采用两种不同形态的降失水剂说明本申请低温高韧性水泥浆适用性广。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所述缓凝剂包括改性淀粉和/或有机膦酸盐，更加优选地，所述有机膦酸盐为羟基乙叉二膦酸。本发明采用的缓凝剂有液体的有机膦酸盐和固体的改性淀粉，采用两种不同形态的缓凝剂说明本申请低温高韧性水泥浆适用性广。
上述低温高强韧性水泥浆中，优选地，所消泡剂包括磷酸三丁酯。
本发明还提供上述低温高强韧性水泥浆的制备方法，其包括以下步骤：
称量早强剂、低温高活性材料、膨胀韧性材料、分散剂、降失水剂、缓凝剂、消泡剂和水；
将固态物料混合均匀得到干混料；将液态物料混合均匀得到湿混料；
在4000±200r/min的转速下，于15s内将干混料均匀搅拌加入到湿混料中，待干混料完全润湿后，以12000±500r/min的转速继续搅拌35s，得到低温高强韧性水泥浆。
本发明还提供上述低温高强韧性水泥浆在致密油水平井、煤层气井固井中的应用；缩短油气井开发周期，提高固井质量，为油气井的长期、安全、有效运行提供技术支持。
本发明低温高强韧性水泥浆中，掺入不同粒径颗粒级配的低温高活性材料，提高了体系堆积密实度，实现了水泥石高强度(24h抗压强度大于30MPa，48h抗压强度大于40MPa，168h抗压强度大于50MPa)；
本发明低温高强韧性水泥浆中，掺入早强剂，加快了水泥浆在低温条件下的水化速度，提高了水泥石早期强度，实现水泥石的速凝早强(8h抗压强度大于8MPa)；
本发明低温高强韧性水泥浆中，掺入与水泥浆发生体积微膨胀的膨胀韧性材料，可使水泥石的体积膨胀率大于0.03％，有效抵消了水泥水化造成的体积收缩，避免水泥浆候凝过程中环空微裂缝的产生。膨胀韧性材料的掺入，体系的弹性模量降低至8GPa以下，实现了水泥石韧性改造，从而保持水泥环在交变应力作用的密封完整性；
本发明提供的低温高强韧性水泥浆具有早强、高强度、低弹性模量和微膨胀特性，能够有效改善水泥石低温下强度发展慢、强度不高、脆性强、易收缩的固有缺陷，能很好的应用于致密油水平井、煤层气井等固井，缩短油气井开发周期，提高固井质量，延长油气井使用寿命，为油气井的长期、安全、有效运行提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的水泥浆在35℃下进行稠化实验的稠化曲线图；
图2为本发明实施例2制备的水泥浆在45℃下进行稠化实验的稠化曲线图；
图3为本发明实施例3制备的水泥浆在55℃下进行稠化实验的稠化曲线图；
图4为本发明实施例1制备的水泥浆在35℃、20.7MPa下养护7d后进行三轴测试的曲线图；
图5为本发明实施例2制备的水泥浆在45℃、20.7MPa下养护7d后进行三轴测试的曲线图；
图6为本发明实施例3制备的水泥浆在55℃、20.7MPa下养护7d后进行三轴测试的曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。实施例中所提供的原料组分，若无特殊说明，均为市售购买。
实施例1
本实施例提供一种低温高强韧性水泥浆，以重量份计，其原料组分包括：
本实施例还提供上述低温高强韧性水泥浆的制备方法，其包括以下步骤：
按照上述比例称取物料，将早强剂、低温高活性材料、膨胀韧性材料、磺化丙酮甲醛缩合物、聚乙烯醇与G级油井水泥混合均匀得到干混料；
将磷酸三丁酯与清水混合均匀得到湿混料；
在4000±200r/min的转速下，于15s内将干混料均匀搅拌加入到湿混料中，待干混料完全润湿后，以12000±500r/min的转速继续搅拌35s，得到低温高强韧性水泥浆，该水泥浆密度为1.88g/cm3。
实施例2
本实施例提供一种低温高强韧性水泥浆，以重量份计，其原料组分包括：
本实施例还提供上述低温高强韧性水泥浆的制备方法，其包括以下步骤：
按照上述比例称取物料，将早强剂、低温高活性材料、膨胀韧性材料、磺化丙酮甲醛缩合物、聚乙烯醇、改性淀粉与G级油井水泥混合均匀得到干混料；
将磷酸三丁酯与清水混合均匀得到湿混料；
在4000±200r/min的转速下，于15s内将干混料均匀搅拌加入到湿混料中，待干混料完全润湿后，以12000±500r/min的转速继续搅拌35s，得到低温高强韧性水泥浆，该水泥浆密度为1.90g/cm3。
实施例3
本实施例提供一种低温高强韧性水泥浆，以重量份计，其原料组分包括：
本实施例还提供上述低温高强韧性水泥浆的制备方法，其包括以下步骤：
按照上述比例称取物料，将早强剂、低温高活性材料、膨胀韧性材料、磺化丙酮甲醛缩合物与G级油井水泥混合均匀得到干混料；
将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、羟基乙叉二膦酸、磷酸三丁酯与清水混合均匀得到湿混料；
在4000±200r/min的转速下，于15s内将干混料均匀搅拌加入到湿混料中，待干混料完全润湿后，以12000±500r/min的转速继续搅拌35s，得到低温高强韧性水泥浆，该水泥浆密度为1.92g/cm3。
实施例4低温高强韧性水泥浆的性能测试
本实施例提供了实施例1至实施例3制备的低温高强韧性水泥浆的性能测试对比实验，其中，密度、流动度、API失水量、游离液和稠化时间均按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法进行测试，测试结果如表1及图1-3所示。
表1
由表1及图1、图2和图3可知，该低温高强韧性水泥浆在试验温度35℃-55℃、压力10MPa-25MPa，稠化时间在98min-173min，稠化时间可调性好，稠化曲线平稳，过渡时间短。并且该水泥浆密度适应范围广，流动性能好，失水量低，游离液为零，能很满足固井施工对水泥浆性能的要求，保障了固井施工安全。
实施例5低温高强韧性水泥石的性能测试
本实施例提供了实施例1至实施例3制备低温高强韧性水泥浆与净浆养护成水泥石的性能测试实验，其中，抗压强度测试均按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法进行；弹性模量测试先采用标准模具养护，然后再用三轴压力试验机进行测试；体积膨胀率采用CN205138938U(体积膨胀收缩率测试装置)公开的装置测试；测试结果如表2及图4-6所示。
表2
由表2及图4、图5和图6可知，本发明提供的低温高强韧性水泥浆在24h、48h、168h抗压强度均显著高于净浆，抗压强度提高幅度为12％-102％，弹性模量相比净浆降低了16％以上，水泥石体积膨胀率相比净浆提高了101％，有效克服了净浆水泥石易收缩的固有缺陷，本发明的水泥石具有明显的微膨胀效果。8h抗压强度较净浆增加幅度不大或略有降低，这是因为低温高强韧性水泥浆为了满足现场固井施工要求，加入了一定的缓凝剂，稠化时间远长于净浆。综上所述，本发明公开的低温高强韧性水泥浆具有早强、高强度、低弹性模量、微膨胀特性，能很好满足现场应用对水泥浆的各项要求。
实施例6低温高强韧性水泥浆的现场应用
目前，本发明制备的低温高强韧性水泥浆已经成功应用于长庆油田致密油水平井4口井次，如表3所示，固井质量优质率80％以上，合格率100％，有效保证了固井质量，为油气井的长期安全有效运行提供了技术支撑，实现了科技发明与生产实际应用的紧密结合。
表3
综上所述，本发明提供的低温高强韧性水泥浆具有早强、高强度、低弹性模量和微膨胀特性，能够有效改善水泥石低温下强度发展慢、强度不高、脆性强、易收缩的固有缺陷，能很好的应用于致密油水平井、煤层气井等固井，缩短油气井开发周期，提高固井质量，延长油气井使用寿命，为油气井的长期、安全、有效运行提供技术支撑。

Claims (10)

1.一种低温高强韧性水泥浆，以重量份计，其原料组分包括：
2.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述水泥包括G级油井水泥。
3.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述早强剂包括氯化钙、硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、硅酸钠和铝酸钠中的一种或多种的组合；
优选地，所述早强剂为氯化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比为1:1:0.3的组合。
4.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述低温高活性材料包括矿渣粉、超细水泥、超细石英砂和偏高岭土中的一种或多种的组合；
优选地，所述矿渣粉的粒径不大于20μm；所述超细水泥的粒径不大于10μm；所述超细石英砂的粒径不大于15μm，纯度不低于95％；所述偏高岭土的粒径不大于45μm；
优选地，所述低温高活性材料为矿渣粉和超细水泥以重量比为1:1的组合。
5.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述膨胀韧性材料包括碳酸钙晶须、氧化镁晶须、水镁石纤维和玄武岩纤维中的一种或多种的组合；
优选地，所述膨胀韧性材料为氧化镁晶须和玄武岩纤维以重量比为1:1的组合。
6.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述分散剂包括磺化丙酮甲醛缩合物。
7.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述降失水剂包括聚乙烯醇和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸类聚合物；
优选地，所述聚乙烯醇的分子量为77000±2200，聚合度为1750±50；所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸类聚合物的分子量为30-50万。
8.根据权利要求1所述的低温高强韧性水泥浆，其特征在于：所述缓凝剂包括改性淀粉和/或有机膦酸盐；
优选地，所述有机膦酸盐为羟基乙叉二膦酸；
优选地，所述消泡剂包括磷酸三丁酯。
9.权利要求1-8任一项所述低温高强韧性水泥浆的制备方法，其包括以下步骤：
称量早强剂、低温高活性材料、膨胀韧性材料、分散剂、降失水剂、缓凝剂、消泡剂和水；
将固态物料混合均匀得到干混料；将液态物料混合均匀得到湿混料；
在4000±200r/min的转速下，于15s内将干混料均匀搅拌加入到湿混料中，待干混料完全润湿后，以12000±500r/min的转速继续搅拌35s，得到低温高强韧性水泥浆。
10.权利要求1-8任一项所述低温高强韧性水泥浆在致密油水平井、煤层气井固井中的应用。
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