CN108706927B - 一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆，该悬浮稳定剂由以下各组分按重量份组成：0.5～4份纤维类材料，1～5份表面活性剂类粉体材料，0.5～2份絮凝剂类粉体材料；纤维类材料为晶须、海泡石、陶瓷纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维中的一种或两种材料的混合物；表面活性剂类粉体材料为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠、白糊精、黄糊精中的一种；絮凝剂类粉体材料为聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合硅酸铝铁中的一种。利用悬浮稳定剂制备的抗高温水泥浆，初始稠度低，沉降稳定性好。本发明提高了水泥浆高温悬浮稳定性和水泥石强度，为深层油气资源的勘探开发提供技术支撑。

Description

一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆
技术领域
本发明涉及一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆，属于石油天然气勘探开发领域。
背景技术
随着油气藏勘探开发的深入，深井超深井数目日益增多，井底温度越来越高，部分层段含有大段膏盐层、盐水层，对水泥浆的沉降稳定性设计提出了很大挑战。井底温度越高，水泥浆沉降稳定越难以保证；且盐水水泥浆的沉降稳定性较非盐水水泥浆更难以保证。水泥浆沉降稳定性不好，易出现沉降分层现象，影响界面胶结质量，导致层间油气水窜流；注水泥过程会因水泥浆沉降分层严重而造成环空憋堵，致使固井失败。因此开发一种高温水泥浆用悬浮稳定剂，对于保证浆体具有良好的沉降稳定性，从而确保固井施工安全，提高层间封隔质量非常必要。
目前水泥浆用悬浮稳定剂包括：1)黄原胶、瓜尔胶、温轮胶、纤维素等聚合物；2)膨润土、凹凸棒石、硅藻土、微硅等粉体材料；3)将上述的多种粉体材料复配而成水泥浆用悬浮稳定剂。
目前，使用上述悬浮稳定剂，可以保证160℃以下水泥浆的沉降稳定性和120℃以下的盐水水泥浆的沉降稳定性，但仍存在一些问题：1)常温增稠效果明显，易影响水泥浆下灰时间，且水泥浆稠化初始稠度普遍偏高，增加现场施工作业难度；2)由于常温增稠效果明显，若现场灰样混拌不均匀，易出现水泥浆局部增稠、流动性差的问题，甚至影响施工安全；3)悬浮作用机理主要是依靠高分子材料和无机材料的增稠作用，一般随着温度升高，增稠悬浮效果逐渐降低，因此水泥浆稠化曲线经常会出现“倒置馒头峰”的高温稀释现象，高温下水泥浆会出现不同程度的沉降；4)悬浮剂中的抗高温增稠高分子聚合物粉体材料，目前主要依靠国外进口，价格居高不下，致使水泥浆悬浮稳定剂的市场价格偏高；5)温度超过160℃时，高温非盐水水泥浆的沉降稳定性未能较好解决，水泥浆的上下密度差超过0.03g/cm3；温度超过120℃时，高温盐水水泥浆的沉降稳定性未能较好解决，上下密度差超过0.03g/cm3。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温水泥浆用悬浮稳定剂，由纤维类材料、表面活性剂类粉体材料、絮凝剂类粉体材料干混均匀而成，利用纤维类材料无序分散的网络结构搭桥、表面活性剂类粉体材料改善液体表面张力、絮凝剂类粉体材料螯合或络合高价阳离子形成胶束提高浆体内部结构力，通过上述材料的特性及相互间的联合作用机理，提高水泥浆的高温悬浮稳定性。
本发明的另一目的还在于提供利用上述悬浮稳定剂制备的抗高温水泥浆，该水泥浆原理可靠，具有常温增稠不明显，水泥浆初始稠度低，不会随温度升高出现高温稀释的现象，水泥浆稠化曲线平稳呈直线型，且有效改善高温水泥石力学结构，提高了高温水泥石强度，为深层油气资源的勘探开发提供了技术支撑。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种高温水泥浆用悬浮稳定剂，由以下各组分按重量份组成：0.5～4份纤维类材料，1～5份表面活性剂类粉体材料，0.5～2份絮凝剂类粉体材料，将以上材料干混均匀，即得高温水泥浆用悬浮稳定剂。
所述纤维类材料为晶须、海泡石、陶瓷纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维等无机纤维类材料中的一种或两种材料的混合物。
所述表面活性剂类粉体材料为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠、白糊精、黄糊精等表面活性剂类材料中的一种。
所述絮凝剂类粉体材料为聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合硅酸铝铁中的一种。
先将纤维类材料、表面活性剂类粉体材料、絮凝剂类粉体材料干混均匀即得高温水泥浆用悬浮稳定剂，将其与降失水剂、分散剂、石英砂等干混外加剂或外掺料一起掺入水泥中干混均匀；再将缓凝剂、消泡剂与淡水或盐水湿混均匀；最后在搅拌条件下，将干混料加入到湿混料中，搅拌均匀即得抗高温水泥浆。
利用所述高温水泥浆用悬浮稳定剂制备的抗高温水泥浆，由以下各组分按重量份组成：水泥100份，悬浮稳定剂1～6份，密度调节剂10～150份，石英砂25～45份，分散剂0.5～5份，降失水剂1～8份，缓凝剂0.5～6份，消泡剂0.05～1份，淡水、饱和盐水或半饱和盐水44～100份。
所述水泥为油气井固井用硅酸盐水泥。
所述密度调节剂为油气井固井常用密度调节材料，如玻璃微珠、漂珠、重晶石、铁矿粉、微锰矿粉等。
所述石英砂为二氧化硅粉体材料，粉体材料的目数大于500目。
所述分散剂为磺化三聚氰胺甲醛树脂。
所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
所述缓凝剂为羟基乙叉二膦酸或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
该抗高温水泥浆具有下灰时间短(50s以内)，常温流动度好(18-22cm)，水泥浆稠化初始稠度低；不会随温度升高出现高温稀释的现象，水泥浆稠化曲线平稳呈直线型；220℃以下高温非盐水水泥浆的沉降稳定性好，上下密度差小于0.03g/cm3；190℃以下高温盐水水泥浆的沉降稳定性好，上下密度差小于0.03g/cm3；高温水泥石强度有所提高等特点，满足高温深井超深井的现场应用要求。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用纤维类材料无序分散的网络结构搭桥、表面活性剂类粉体材料改善液体表面张力、絮凝剂类粉体材料螯合高价阳离子形成胶束以提高浆体内部结构力，以及上述材料相互间的联合作用原理，首次作为水泥浆的悬浮稳定机理，提高水泥浆的高温悬浮稳定性；
(2)水泥浆稠化初始稠度低，常温增稠不明显，几乎不影响水泥浆下灰时间；
(3)水泥浆的沉降稳定性好，不会随温度升高出现高温稀释的现象，水泥浆稠化曲线平稳呈直线型；
(4)有效改善高温水泥石力学结构，提高了高温水泥石强度。
具体实施方式
以下通过对比例和实施例进一步说明本发明。
以下所述物质均为重量份。
(1)掺有高温水泥浆用悬浮稳定剂的高温水泥浆的制备
对比例1：
由以下各组分按重量份配比组成：100份硅酸盐水泥，0.5％温轮胶，2％凹凸棒石，100份铁矿粉，50份微锰矿粉，35份石英砂，78份半饱和盐水，1份磺化三聚氰胺甲醛树脂，2份AMPS聚合物降失水剂，4份AMPS聚合物缓凝剂，0.3份磷酸三丁酯。先将温轮胶，铁矿粉，微锰矿粉，石英砂，醛酮缩合物分散剂，AMPS聚合物降失水剂与硅酸盐水泥一起干混均匀；再将AMPS聚合物缓凝剂，磷酸三丁酯与半饱和盐水湿混均匀；最后在搅拌条件下，将干混料加入到湿混料中，搅拌均匀即得高温高密度盐水水泥浆密度为2.50g/cm3。
对比例2：
由以下各组分按重量份配比组成：100份硅酸盐水泥，0.5％温轮胶，1.5％凹凸棒石，25份铁矿粉，35份石英砂，69份淡水，0.8份磺化三聚氰胺甲醛树脂，2份AMPS聚合物降失水剂，4份AMPS聚合物缓凝剂，0.3份磷酸三丁酯。先将温轮胶，铁矿粉，微锰矿粉，石英砂，醛酮缩合物分散剂，AMPS聚合物降失水剂与硅酸盐水泥一起干混均匀；再将AMPS聚合物缓凝剂，磷酸三丁酯与淡水湿混均匀；最后在搅拌条件下，将干混料加入到湿混料中，搅拌均匀即得高温水泥浆密度为2.00g/cm3。
实施例1：
由以下各组分按重量份配比组成：100份硅酸盐水泥，高温水泥浆用悬浮稳定剂3份，100份铁矿粉，50份微锰矿粉，35份石英砂，79份半饱和盐水，1份磺化三聚氰胺甲醛树脂，2份AMPS聚合物降失水剂，4份AMPS聚合物缓凝剂，0.3份磷酸三丁酯。先将高温水泥浆用悬浮稳定剂，铁矿粉，微锰矿粉，石英砂，醛酮缩合物分散剂，AMPS聚合物降失水剂与硅酸盐水泥一起干混均匀；再将AMPS聚合物缓凝剂，磷酸三丁酯与半饱和盐水湿混均匀；最后在搅拌条件下，将干混料加入到湿混料中，搅拌均匀即得高温高密度水泥浆密度为2.50g/cm3。
备注：实施例1中所述高温水泥浆用悬浮稳定剂组成：0.5份海泡石：3份玄武岩纤维：4份十二烷基苯磺酸钠：0.5份聚合硅酸铝铁。
实施例2：
由以下各组分按重量份配比组成：100份硅酸盐水泥，高温水泥浆用悬浮稳定剂份4，25份铁矿粉，35份石英砂，70份淡水，0.8份磺化三聚氰胺甲醛树脂，2份AMPS聚合物降失水剂，4份AMPS聚合物缓凝剂，0.3份磷酸三丁酯。先将高温水泥浆用悬浮稳定剂，铁矿粉，微锰矿粉，石英砂，醛酮缩合物分散剂，AMPS聚合物降失水剂与硅酸盐水泥一起干混均匀；再将AMPS聚合物缓凝剂，磷酸三丁酯与淡水湿混均匀；最后在搅拌条件下，将干混料加入到湿混料中，搅拌均匀即得高温水泥浆密度为2.00g/cm3。
备注：实施例2中所述高温水泥浆用悬浮稳定剂的比例：3份玄武岩纤维：3份白糊精：0.8份聚合硅酸铝铁。
(2)掺有高温水泥浆用悬浮稳定剂的高温水泥浆的性能测试
对比例1、实施例1、对比例2、实施例2的高温稳定性测试结果如表1所示。
表1对比例1、实施例1、对比例2、实施例2的高温稳定性测试结果
Figure BDA0001664621850000051
从表中数据可以看出：1)对比例1和实施例1相比较，在190℃下，对比例1的上下密度差为0.49g/cm3，水泥石出现开裂现象，稠化曲线呈“倒置馒头峰”形状，沉降稳定性很差；在190℃下，实施例1的上下密度差为0.03g/cm3，水泥石未出现开裂现象，2d抗压强度为36.2MPa，稠化曲线平稳，沉降稳定性良好；2)对比例2和实施例2相比较，在220℃下，对比例2的上下密度差为0.35g/cm3，水泥石出现开裂现象，稠化曲线呈“倒置馒头峰”形状，沉降稳定性很差；在220℃下，实施例2的上下密度差为0.02g/cm3，水泥石未出现开裂现象，2d抗压强度为43.7MPa，稠化曲线平稳，沉降稳定性良好；3)高温水泥浆用悬浮稳定剂具有良好的高温悬浮稳定性能，用该悬浮稳定剂制备的抗高温水泥浆具有良好的高温沉降稳定性，在220℃下的沉降稳定性良好。

Claims (9)

1.一种高温水泥浆用悬浮稳定剂，由以下各组分按重量份组成：0.5～4份纤维类材料，1～5份表面活性剂类粉体材料，0.5～2份絮凝剂类粉体材料，将以上材料干混均匀，即得高温水泥浆用悬浮稳定剂；所述纤维类材料为晶须、陶瓷纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维中的一种或两种材料的混合物；所述表面活性剂类粉体材料为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠、白糊精、黄糊精中的一种；所述絮凝剂类粉体材料为聚合硫酸铁、聚合硅酸铝铁中的一种。
2.利用权利要求1所述的高温水泥浆用悬浮稳定剂制备的抗高温水泥浆，由以下各组分按重量份组成：水泥100份，悬浮稳定剂1～6份，密度调节剂10～150份，石英砂25～45份，分散剂0.5～5份，降失水剂1～8份，缓凝剂0.5～6份，消泡剂0.05～1份，淡水、饱和盐水或半饱和盐水44～100份。
3.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述水泥为油气井固井用硅酸盐水泥。
4.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述密度调节剂为玻璃微珠、漂珠、重晶石、铁矿粉或微锰矿粉。
5.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述石英砂为二氧化硅粉体材料，粉体材料的目数大于500目。
6.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述分散剂为磺化三聚氰胺甲醛树脂。
7.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
8.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述缓凝剂为羟基乙叉二膦酸或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
9.如权利要求2所述的抗高温水泥浆，其特征在于，所述消泡剂为磷酸三丁酯。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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