CN107721272B - 一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆 - Google Patents

一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，2‑15份改性橡胶粉，2‑10份弹塑剂，80‑95份密度调节剂，50‑65份水，0.5‑2份分散剂，2‑10份降失水剂，1‑3份缓凝剂，0.5‑2份防气窜剂，0.1‑1份消泡剂，5‑15份填充剂；其中，所述密度调节剂为加重剂，所述加重剂包括重晶石、铁矿粉、活化铁矿粉、锰矿粉、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉中一种或多种；所述填充剂包括液硅、苯丙胶乳、丁苯胶乳中的一种或多种，其中固相的平均粒径为1‑100nm。

Description

一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆
技术领域
本发明涉及油气井固井技术领域，具体地，本发明涉及一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆。
背景技术
油井水泥环在井下承受高聚能射流的射孔冲击以及下套管和继续钻进时套管和钻头对水泥环的碰撞冲击，因水泥环具有脆性特点，其整体完整性会遭到破坏，导致后期层间密封性能失效，对油气井特别是高含酸性气体井后期增产措施及开发生产具有潜在安全隐患，无法保障油气井安全生产，造成巨大的经济损失。另外，油气井由于井底高压需要采用高密度水泥浆压稳，同时有大量气体水泥浆必须具备防窜功能，固井后井底需要大型压裂，因此，水泥环必须具备较高的韧性和弹塑性已起到水泥环完整性的保障。
随着汽车工业的迅猛发展，世界的废旧轮胎的积压了已达30亿条，并且以每年10亿条的量迅速增加，因此废旧轮胎的处理问题已变得日益严峻。废旧轮胎除了翻新和原形利用外，大多数废旧轮胎被制成橡胶粉，该胶粉具有一定的粒度，是一种由天然橡胶、顺丁橡胶、补强剂、润滑剂、硫及硫化促进剂等多种材料组成的含交联结构的混合物，但是由于废旧橡胶粉仍然具有交联网状结构，其表面呈惰性，很难与其它材料产生良好的界面相容性。橡胶颗粒在水泥浆中成团聚集，不能均匀分散，严重时甚至漂浮在水泥浆表面。同时，与水泥浆相容性差，与成型后的水泥石的界面粘结不好。这将严重影响水泥石成型后的力学性能。因此，对橡胶颗粒进行表面改性尤为重要。
传统的防气窜剂主要是胶乳类防气窜剂和聚乙烯醇。但是胶乳类防气窜剂添加量较大，而且当储存温度较低时会发生破乳，影响防气窜效果。
针对上述问题，本发明提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其具有沉降稳定性好，力学性能明显改善，稠化时间可调、流动性好、失水量较小，能完全满足现场注水泥施工要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，2-15份改性橡胶粉，2-10份弹塑剂，80-95份密度调节剂，50-65份水，0.5-2份分散剂，2-10份降失水剂，1-3份缓凝剂，0.5-2份防气窜剂，0.1-1份消泡剂，5-15份填充剂；
其中，所述密度调节剂为加重剂，所述加重剂包括重晶石、铁矿粉、活化铁矿粉、锰矿粉、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉中一种或多种；所述填充剂包括液硅、苯丙胶乳、丁苯胶乳中的一种或多种，其中固相的平均粒径为1-100nm。
在一种实施方式中，所述改性橡胶粉为在室温、大气压的开发条件下，采用等离子处理废旧橡胶粉获得表面改性的废旧橡胶粉。
在一种实施方式中，所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维。
在一种实施方式中，所述弹塑剂中所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶(0.1-1)∶(0.2-1)∶(0.01-0.1)。
在一种实施方式中，所述弹塑剂中所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02。
在一种实施方式中，所述分散剂包括聚醚型聚羧酸、聚酯型聚羧酸、酯醚复合聚羧酸、三聚氰胺甲醛树脂、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、六偏磷酸钠中一种或多种；所述降失水剂包括AMPS类聚合物降失水剂、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素中一种或多种；所述缓凝剂包括有机磷酸盐、木质素磺酸盐、磺化丹宁、丹宁酸钠、酒石酸中一种或多种；所述消泡剂包括有机硅消泡剂、高分子聚醚类消泡剂中的一种或多种。
在一种实施方式中，所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮。
在一种实施方式中，所述防气窜剂的制备原料中所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为(3-6)∶(8-12)∶1∶(8-12)。
在一种实施方式中，所述防气窜剂的制备原料中所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10。
本发明另一方面提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份向搅拌器中加入水泥、改性橡胶粉、弹塑剂、密度调节剂、分散剂、降失水剂、缓凝剂，搅拌器以低速转动，搅拌10min；
(2)按重量份在15秒内向步骤(1)中加完填充剂、密度调节剂、防气窜剂、弹塑剂，盖上搅拌器的盖子，并在高速下继续搅拌40秒，得所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆。
参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1普通水泥浆水泥石三轴应力应变实验的实验结果；
图2实施例1中弹塑性水泥浆体系水泥石三轴应力应变实验的实验结果。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
“聚合物”意指通过聚合相同或不同类型的单体所制备的聚合化合物。通用术语“聚合物”包含术语“均聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”与“共聚体”。
“共聚体”意指通过聚合至少两种不同单体制备的聚合物。通用术语“共聚体”包括术语“共聚物”(其一般用以指由两种不同单体制备的聚合物)与术语“三元共聚物”(其一般用以指由三种不同单体制备的聚合物)。“共混物”意指两种或两种以上聚合物通过物理的或化学的方法共同混合而形成的聚合物。
本发明第一方面提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，2-15份改性橡胶粉，2-10份弹塑剂，80-95份密度调节剂，50-65份水，0.5-2份分散剂，2-10份降失水剂，1-3份缓凝剂，0.5-2份防气窜剂，0.1-1份消泡剂，5-15份填充剂；
其中，所述密度调节剂为加重剂，所述加重剂包括重晶石、铁矿粉、活化铁矿粉、锰矿粉、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉中一种或多种；所述填充剂包括液硅、苯丙胶乳、丁苯胶乳中的一种或多种，其中固相的平均粒径为1-100nm。
在一种实施方式中，所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8。
在一种实施方式中，所述填充剂为苯丙胶乳。
本发明油井水泥专用于油井、气井的固井工程，又称堵塞水泥。它的主要主用是将套管与周围的岩层胶结封固，封隔地层内油、气、水层，防止互相窜扰，以便在井内形成一条从油层流向地面且隔绝良好的油流通道。
用于本发明油井水泥的基本要求为：水泥浆在注井过程中要有一定的流动性和适合的密度；水泥浆注入井内后，应较快凝结，并在短期内达到相当的强度；硬化后的水泥浆应有良好的稳定性和抗渗性、抗蚀性。
在一种实施方式中，所述改性橡胶粉为在室温、大气压的开发条件下，采用等离子处理废旧橡胶粉获得表面改性的废旧橡胶粉。
所述改性橡胶粉的制备方法包括以下步骤：
(1)橡胶粉的清洗：将橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平，放于等离子处理仪腔体内，开动电源，打开真空泵，待腔体内真空度达到10Pa以下时，打开流量阀，放入处理气体，待流量达到设定值时，打开高频电源开始放电，进行清洗；所述橡胶粉的目数为100目，所述处理气体为氧气，所述清洗功率为200W；
(2)橡胶粉的活化：将步骤(1)中得到的清洗后的橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平，放于等离子处理仪腔体内，开动电源，打开真空泵，待腔体内真空度达到10Pa以下时，打开流量阀，放入处理气体，待流量达到设定值时，打开高频电源开始放电，进行活化，得到改性橡胶粉，所述处理气体为氧气和空气，所述氧气和所述空气的流量比为1∶1，所述清洗功率为40-80W。
本发明所述橡胶粉末指橡胶制品经过常温粉碎法、冷冻法、常温化学法等加工处理获得的粉末。所述橡胶制品是指以天然及合成橡胶为原料生产各种橡胶制品，还包括利用废橡胶再生产的橡胶制品。例如橡胶粉末可以通过将废旧轮胎经过冷冻干燥、粉碎、过筛后获得。
本发明在室温、大气压的开发条件下，采用等离子处理废旧橡胶粉获得表面改性的废旧橡胶粉，使橡胶粉表面由疏水性转变成为亲水性。
等离子体技术基于一个简单的物理原理。如果获得能量供应，物质的状态将发生改变：由固态液态，再由液态气态。如果再向气体提供更多能量，气体将发生电离，由气态高能等离子状态，这就是物质的第四种状态。等离子体处理的机理，主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：无机气体被激发为等离子态；气相物质被吸附在固体表面；被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；产物分子解析形成气相；反应残余物脱离表面。
在一种实施方式中，所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维。
在一种实施方式中，所述弹塑剂中所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶(0.1-1)∶(0.2-1)∶(0.01-0.1)。
在一种实施方式中，所述弹塑剂中所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02。
分散剂在不同程度上对水泥颗粒具有分散作用，这使得水泥浆粘度下降、流动性能增加，实现低速下紊流注水泥，分散剂能降低水泥的水灰比。分散剂改变水泥石的微观孔隙结构，使大孔隙减少，生成更多的微孔，水泥石结构更为密实。因而提高了水泥的耐久性、耐井下流体的化学腐蚀性、抗流体的渗透性。
在一种实施方式中，所述分散剂包括聚醚型聚羧酸、聚酯型聚羧酸、酯醚复合聚羧酸、三聚氰胺甲醛树脂、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、六偏磷酸钠中一种或多种；优选地，所述分散剂为木质素磺酸钠。
降失水剂是一种能控制水泥浆中液相向渗透性地层滤失，从而保持水泥浆有适当水灰比的材料。固井时水泥浆只有保持较高的水灰比，才能够从套管泵送至井下，然后从环空返至恰当位置。如果水泥浆大量失水，水泥浆的密度、稠化时间、流变性能随之改变，甚至不可泵送，就会导致固井失败；大量的水进入地层中也会对地层造成不同程度的伤害。因此，在固井水泥浆设计中通常加入降失水剂。
所述降失水剂包括AMPS类聚合物降失水剂、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素中一种或多种；优选地，所述降失水剂为AMPS类聚合物降失水剂，AMPS即2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸是油井水泥浆中的优良缓凝剂，其性能稳定，使用温度范围宽，与其他添加剂配伍性好，对水泥石强度发育无副作用；优选天津科力奥尔工程材料技术有限公司生产的CG310S-P降失水剂。
缓凝剂为保证施工安全，水泥浆中需加入合适的缓凝剂以使注水泥作业安全顺利地进行。水溶性聚合物类缓凝剂，无论是抗温性还是产品的稳定性都较其它类缓凝剂好。油井水泥缓凝剂的抑制水化能力和温度稳定性决定于其分子结构，含有羟基、羧基及磷的分子具很好的缓凝效果。
所述缓凝剂包括有机磷酸盐、木质素磺酸盐、磺化丹宁、丹宁酸钠、酒石酸中一种或多种；优选地，所述缓凝剂为丹宁酸钠。
消泡剂在水泥浆中分散性好，用于消除抑制气泡。在不同温度条件下能保持良好的物理状态，不破乳、不漂油、消泡迅速、抑泡持久，且不会对环境造成任何污染。
所述消泡剂包括有机硅消泡剂、高分子聚醚类消泡剂中的一种或多种；优选地，所述消泡剂为二甲基硅油。
在一种实施方式中，所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮(CAS：5117-13-5)。
在一种实施方式中，所述防气窜剂的制备原料中所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为(3-6)∶(8-12)∶1∶(8-12)。
在一种实施方式中，所述防气窜剂的制备原料中所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10。
所述防气窜剂的制备方法包括以下步骤：
按重量比向反应器中加入腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮、去离子水，搅拌0.5h得到原料溶液，用氢氧化钠水溶液(1mol/L)将所述原料溶液pH调节为6-7，通入氮气，升温至60℃，加入引发剂过硫酸钾，保温反应5h，降温至室温，过滤，经干燥、粉粹得到所述防气窜剂；所述腐植酸钠与所述过硫酸钾、所述去离子水的重量比为1∶0.02∶8。
本发明另一方面提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份向搅拌器中加入水泥、水、降失水剂、缓凝剂、消泡剂，搅拌器以低速转动(4000±200转/分)，搅拌10min；
(2)按重量份在15秒内向步骤(1)中加完填充剂、密度调节剂、防气窜剂、弹塑剂，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌40秒，得所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆。
本发明中，通过各组分之间的协同作用，形成的水泥石具有优异的力学性能、抗高温性能和热学性能，能持续抵抗井温高低交替的周期性变化，帮助预防套管损伤，有效保证整个热采井固井的质量和安全。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的，购于国药化学试剂。
实施例1
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；
所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份向搅拌器中加入水泥、改性橡胶粉、弹塑剂、密度调节剂、分散剂、降失水剂、缓凝剂，搅拌器以低速转动，搅拌10min；
(2)按重量份在15秒内向步骤(1)中加完填充剂、密度调节剂、防气窜剂、弹塑剂，盖上搅拌器的盖子，并在高速下继续搅拌40秒，得所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆。
所述改性橡胶粉的制备方法包括以下步骤：
(1)橡胶粉的清洗：将橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平，放于等离子处理仪腔体内，开动电源，打开真空泵，待腔体内真空度达到10Pa以下时，打开流量阀，放入处理气体，待流量达到设定值时，打开高频电源开始放电，进行清洗；所述橡胶粉的目数为100目，所述处理气体为氧气，所述清洗功率为200W；
(2)橡胶粉的活化：将步骤(1)中得到的清洗后的橡胶粉盛于玻璃器皿中均匀铺平，放于等离子处理仪腔体内，开动电源，打开真空泵，待腔体内真空度达到10Pa以下时，打开流量阀，放入处理气体，待流量达到设定值时，打开高频电源开始放电，进行活化，得到改性橡胶粉，所述处理气体为氧气和空气，所述氧气和所述空气的流量比为1∶1，所述清洗功率为40-80W。
所述防气窜剂的制备方法包括以下步骤：
按重量比向反应器中加入腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮、去离子水，搅拌0.5h得到原料溶液，用氢氧化钠水溶液(1mol/L)将所述原料溶液pH调节为6-7，通入氮气，升温至60℃，加入引发剂过硫酸钾，保温反应5h，降温至室温，过滤，经干燥、粉粹得到所述防气窜剂；所述腐植酸钠与所述过硫酸钾、所述去离子水的重量比为1∶0.02∶8。
实施例2
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，2份改性橡胶粉，9份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
实施例3
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，15份改性橡胶粉，1份弹塑剂，85份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
实施例4
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.75∶0.625∶0.1；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
实施例5
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.1∶0.2∶0.025；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
实施例6
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为3∶12∶1∶8；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
实施例7
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为6∶8∶1∶12；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
对比例1
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，11份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；
所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
对比例2
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、纤维，所述橡胶粉与所述纤维的重量比为1∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
对比例3
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
对比例4
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，按重量份计算，包括100份水泥，8份改性橡胶粉，3份弹塑剂，90份密度调节剂，59份水，0.8份分散剂，5份降失水剂，1.35份缓凝剂，1份防气窜剂，0.2份消泡剂，10份填充剂；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维，所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1∶0.22∶0.43∶0.02；所述加重剂为重晶石、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉；所述加重剂中所述重晶石与所述碳酸钙、所述碳酸钡、所述方铅矿粉的重量比为1∶1.2∶0.5∶0.8；所述填充剂为苯丙胶乳；所述分散剂为木质素磺酸钠；所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；所述缓凝剂为丹宁酸钠；所述消泡剂为二甲基硅油；所述防气窜剂的制备原料包括腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰吗啉，所述腐殖酸钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述丙烯酰吗啉重量比为4∶9∶1∶10；
所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法、所述改性橡胶粉的制备方法、所述防气窜剂的制备方法同实施例1。
性能测试
1、按照API规范配制好固井用高韧性、高弹塑性水泥浆后，测试其工程性能。养护条件为：常压90℃×48h，三轴应力测试条件为：围压16MPa、恒速(2kN/min)循环加载，每周循环最大载荷为20kN。
2、水泥浆稳定性试验：经高温高压稠化仪(105℃×80MPa×60min)养护20min，然后降温至93℃，取出后将浆体倒入250mL量筒中，然后放入93℃水浴锅静置2小时，测其上部、下部密度分别为2.23g/cm3、2.24g/cm3，上部、下部密度差小于0.03g/cm3，说明浆体在105℃×80MPa高温条件下无沉降分层，稳定性好。
3、水泥石三轴应力应变实验：用该体系水泥浆水泥石与普通水泥浆体系水泥石进行力学性能对比，实验采用高温高压三轴岩石力学测试系统(美国GCTS公司RTR-1000)进行了三轴应力测试，试验条件为三轴应力(围压30MPa，温度90℃)，测试得三轴围压下的抗压强度、弹性模量和泊松比值。
表1性能测试结果
Figure BDA0001447595310000151
从上述数据可以看出，本发明提供一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其具有沉降稳定性好，力学性能明显改善，流动性好、失水量较小，能完全满足现场注水泥施工要求。
表2性能测试结果
Figure BDA0001447595310000152
Figure BDA0001447595310000161
从表2中数据及由三轴应力应变曲线可知，弹塑性水泥浆体系水泥石比普通水泥浆体系水泥石在井下温度、压力条件下(围压30MPa，温度90℃)应变值大4-5倍，同时应力值增大17.4MPa，弹性模量降低了2倍。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。

Claims (8)

1.一种高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，按重量份计算，包括100份水泥，2-15份改性橡胶粉，2-10份弹塑剂，80-95份密度调节剂，50-65份水，0.5-2份分散剂，2-10份降失水剂，1-3份缓凝剂，0.5-2份防气窜剂，0.1-1份消泡剂，5-15份填充剂；其中，所述密度调节剂为加重剂，所述加重剂包括重晶石、铁矿粉、活化铁矿粉、锰矿粉、碳酸钙、碳酸钡、方铅矿粉中一种或多种；所述填充剂包括液硅、苯丙胶乳、丁苯胶乳中的一种或多种，其中固相的平均粒径为1-100nm；所述防气窜剂的制备原料包括腐植酸 钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮；所述弹塑剂为橡胶粉、保温粉、石棉粉、纤维。
2.根据权利要求1所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，所述改性橡胶粉为在室温、大气压的开发条件下，采用等离子处理废旧橡胶粉获得表面改性的废旧橡胶粉。
3.根据权利要求1所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，所述弹塑剂中所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1：(0.1-1)：(0.2-1)：(0.01-0.1)。
4.根据权利要求3所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，所述弹塑剂中所述橡胶粉与所述保温粉、所述石棉粉、所述纤维的重量比为1：0.22：0.43：0.02。
5.根据权利要求1所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，所述分散剂包括聚醚型聚羧酸、聚酯型聚羧酸、酯醚复合聚羧酸、三聚氰胺甲醛树脂、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、六偏磷酸钠中一种或多种；所述降失水剂包括AMPS类聚合物降失水剂、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基羟乙基纤维素中一种或多种；所述缓凝剂包括有机磷酸盐、木质素磺酸盐、磺化丹宁、丹宁酸钠、酒石酸中一种或多种；所述消泡剂包括有机硅消泡剂、高分子聚醚类消泡剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，所述防气窜剂的制备原料中所述腐植酸 钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为(3-6)：(8-12)：1：(8-12)。
7.根据权利要求6所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆，其特征在于，所述防气窜剂的制备原料中所述腐植酸 钠与所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、所述丙烯酸、所述2-甲基-1-吗啉-4-基丙-2-烯-1-酮重量比为4：9：1：10。
8.根据权利要求1-7任一项所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按重量份向搅拌器中加入水泥、改性橡胶粉、弹塑剂、密度调节剂、分散剂、降失水剂、缓凝剂，搅拌器以低速转动，搅拌10min；(2)按重量份在15秒内向步骤(1)中加完填充剂与水、消泡剂、防气窜剂的混合溶液，盖上搅拌器的盖子，并在高速下继续搅拌40秒，得所述高韧性、高弹塑性、高密度的固井用水泥浆。
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