CN108947405A - 一种预防气井环空带压水泥浆体系及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预防气井环空带压水泥浆体系及其制备方法。该弹性水泥浆体系，由水泥、淡水、降失水剂、分散剂、增强剂、树脂、树脂固化剂和树脂促进剂组成；各组分重量百分比以水泥质量为基准，各添加剂占水泥重量百分比为：降失水剂：2～4％；分散剂：0.5～1.5％；增强剂：1～3％；树脂：5～20％；树脂固化剂：1～5％；树脂促进剂：0.1～0.5％；淡水：44％。该预防气井环空带压水泥浆体系了提高水泥石抵抗外部载荷破坏的能力；使用树脂及配套添加剂材料制得的水泥浆体系游离液为零，稳定性好，滤失量较小，稠化时间可调，流变性满足施工要求，且力学性能明显改善。

Description

一种预防气井环空带压水泥浆体系及其制备方法
技术领域
本发明属于水泥浆制备技术领域，具体涉及一种预防气井环空带压水泥浆体系及其制备方法。
背景技术
油气井固井就是将水泥浆注入环空的过程,目的是为了实现层间封隔、支撑和保护套管。油井水泥是固井材料的主要组成部分，形成的水泥石是有先天微观缺陷的脆性材料。油气井开发过程中，井下水泥环的破坏必然减弱或失去封隔地下油、气、水层的作用,造成层间窜流并腐蚀套管,严重时会使油气井报废。随着油气井开发时间的延长，环空封固失效引起的环空带压等开发问题会越来越严重。
环空带压是指井口处套管环空的压力经过泄压后又重新恢复到泄压前的压力水平的现象。随着特殊气藏特别是非常规气藏(页岩气、致密气等)的开发，由于井下地质条件复杂性、储层特殊性、日趋复杂的井身结构以及为提高气井产能而采用的高强度储层改造措施等因素，油气井环空带压现象越来越严重。美国外大陆架区域有8000多口井存在环空带压现象，挪威石油安全管理局统计了406口井，其中18％的井具有完整性失效问题，我国塔里木油田高压气井完整性失效产生的环空带压占29.8％。在我国页岩气开发现场，其环空带压现象远远超出常规气井带压的比例。
弹性水泥浆能有效保障固井后续多载荷变化开采作业的封固质量，是预防气井环空带压的关键。现有的弹性水泥浆大多数是胶乳液、弹性颗粒及纤维这三类材料掺加或复配使用形成的水泥浆，通过粒间充填或拉筋搭桥作用改善水泥石性能，没有改变水泥石基质特性，作用有限。树脂是一类高柔性的材料，其固化过程能与水泥水化同时进行，从而改变水泥石基质结构。在建筑水泥中的应用表明树脂在改善水泥材料的力学性能和柔韧性方面有很好的作用，但油井水泥应用环境较建筑水泥更苛刻，因此树脂在油井水泥中的应用较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种预防气井环空带压水泥浆体系及其制备方法。
本发明提供的弹性水泥浆体系，由水泥、淡水、降失水剂、分散剂、增强剂、树脂、树脂固化剂和树脂促进剂组成；
各组分重量百分比以水泥质量为基准，各添加剂占水泥重量百分比为：降失水剂：2～4％；分散剂：0.5～1.5％；增强剂：1～3％；树脂：5～20％；树脂固化剂：1～5％；树脂促进剂：0.1～0.5％；淡水：44％。
上述弹性水泥浆体系中，所述水泥为符合API标准的G级高抗硫硅酸盐水泥；
所述降失水剂选自羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、水解聚丙烯腈和聚丙烯酰胺中至少一种；所述水解聚丙烯腈的分子量为10000-50000；所述聚丙烯酰胺的分子量为500-1700万；所述水解聚丙烯腈可购买于山东圣煌化工产品有限公司；所述聚丙烯酰胺可购买于任丘市北方化工有限公司；所述降失水剂所占百分比具体可为2.5％；
所述分散剂选自木质素磺酸盐、聚马来酸酐和聚萘磺酸盐中至少一种；所述聚马来酸酐的分子量为400～800；所述聚萘磺酸盐具体为聚萘甲醛磺酸盐；所述聚马来酸酐可购买于西安鑫豪石化科技有限公司；所述聚萘磺酸盐具体为聚萘甲醛磺酸盐，可购买于寿光市丽盛化工有限公司；所述分散剂所占百分比具体可为1％；
所述增强剂选自硅粉、微硅和超细G级水泥中至少一种；所述微硅可购买于嘉祥县大海化工有限公司；上述超细G级水泥可购买于葛洲坝集团水泥有限公司；所述增强剂所占百分比具体可为1.5％；
所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂和呋喃树脂中至少一种；所述树脂所占百分比可为10％或15％；
所述树脂固化剂选自三乙烯四胺、邻苯二甲酸酐和二乙氨基丙胺中至少一种；所述树脂固化剂所占百分比具体可为2％或3％；
所述树脂促进剂选自三-(二甲胺基甲基)苯酚、二甲基苯胺和三亚乙基二胺中至少一种。所述树脂促进剂所占百分比具体可为0.2％或0.4％；
所述弹性水泥浆体系还可包括缓凝剂。
具体的，所述缓凝剂选自单宁酸、酒石酸和硼酸中至少一种。
以水泥质量为基准，所述缓凝剂占水泥重量百分比为0～0.5％；且所述缓凝剂的重量百分比不为0；具体可为0.1％或0.2％；
更具体的，以水泥质量为基准，各添加剂占水泥重量百分比为：
降失水剂：2-4％；分散剂：0.5-1％；增强剂：1-1.5％；缓凝剂：0.1-0.5％；树脂：5-15％；树脂固化剂：1-3％；树脂促进剂：0.1-0.4％；淡水：44％；或者，
各添加剂占水泥重量百分比为：
降失水剂：2-2.5％；分散剂：1％；增强剂：1.5％；缓凝剂：0.1-0.5％；树脂：10-15％；树脂固化剂：2-3％；树脂促进剂：0.2-0.4％；淡水：44％；
再具体的，以水泥质量为基准，各添加剂占水泥重量百分比为：
降失水剂：4％；分散剂：0.5％；增强剂：1％；缓凝剂：0.2％；树脂：5％；树脂固化剂：1％；树脂促进剂：0.1％；淡水：44％；或者，
各添加剂占水泥重量百分比为：
降失水剂：2.5％；分散剂：1％；增强剂：1.5％；缓凝剂：0.1％；树脂：10％；树脂固化剂：2％；树脂促进剂：0.2％；淡水：44％；或者，
各添加剂占水泥重量百分比为：
降失水剂：2％；分散剂：1％；增强剂：1.5％；缓凝剂：0.5％；树脂：15％；树脂固化剂：3％；树脂促进剂：0.4％；淡水：44％；或者，
各添加剂占水泥重量百分比为：
降失水剂：2.5％；分散剂：1.5％；增强剂：3％；缓凝剂：0％；树脂：20％；树脂固化剂：5％；树脂促进剂：0.5％；淡水：44％。
本发明提供的制备所述弹性水泥浆体系的方法，包括：
将所述弹性水泥浆体系中各组分按照配比混合后先低速再高速搅拌，得到所述弹性水泥浆体系。
上述方法中，低速搅拌的转速为4000±200r/min；时间为8-15s；具体为15s；
高速搅拌的转速为12000±500r/min；时间为35s±1s。
上述转速均是按照国家标准GB10238-2005执行。
具体的，所述制备所述弹性水泥浆体系的方法，包括：
称取100重量份水泥，2～4重量份降失水剂，0.5～1.5重量份分散剂，1～3重量份增强剂干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0～0.5重量份缓凝剂，5～20重量份树脂，1～5重量份树脂固化剂，0.1～0.5重量份树脂促进剂溶于水中，然后将混合水放入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器在低速(4000±200r/min)转动，并在8-15s内均匀加完称取的混合干粉，所有混合干粉倒入混合水后，盖上搅拌杯盖子，并在高速(12000±500r/min)下搅拌35s±1s，而得。
另外，上述本发明提供的弹性水泥浆体系在预防气井环空带压中的应用，也属于本发明的保护范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该预防气井环空带压水泥浆体系从水泥石基质改性的角度设计柔性添加剂材料，通过加入树脂、树脂固化剂、树脂促进剂形成柔性体系改善水泥石柔性，提高水泥石抵抗外部载荷破坏的能力；使用树脂及配套添加剂材料制得的水泥浆体系游离液为零，稳定性好，滤失量较小，稠化时间可调，流变性满足施工要求，且力学性能明显改善。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。所述水解聚丙烯腈购买于山东圣煌化工产品有限公司；所述聚丙烯酰胺购买于任丘市北方化工有限公司，分子量为500-1700万；聚马来酸酐的分子量为400～800；所述聚萘磺酸盐具体为聚萘甲醛磺酸盐；所述聚马来酸酐购买于西安鑫豪石化科技有限公司；所述聚萘甲醛磺酸盐购买于寿光市丽盛化工有限公司；所述微硅购买于嘉祥县大海化工有限公司；超细G级水泥购买于葛洲坝集团水泥有限公司。
一、预防气井环空带压水泥浆的制备
实施例1：
按照表1提供的材料重量配比进行水泥浆制备，具体步骤如下：称取100重量份水泥，4重量份聚丙烯酰胺，0.5重量份聚萘甲醛磺酸盐，1重量份微硅干混为干粉，量取44重量份淡水，称取0.2重量份硼酸，5重量份环氧树脂，1重量份二乙氨基丙胺，0.1重量份二甲基苯胺溶于水中。然后将混合水放入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器在低速(4000±200r/min)转动，并在15s内均匀加完称取的混合干粉。所有混合干粉倒入混合水后，盖上搅拌杯盖子，并在高速(12000±500r/min)下搅拌35s±1s，即制得预防气井环空带压弹性水泥浆体系。
具体的，预防气井环空带压的弹性水泥浆体系配方表如表1所示：
实施例2：
按照表2提供的材料重量配比进行水泥浆制备，具体步骤如下：称取100重量份水泥，2.5重量份聚丙烯酰胺，1重量份聚萘磺酸盐，1.5重量份微硅为干粉，量取44重量份淡水，称取0.1重量份硼酸，10重量份环氧树脂，2重量份二乙氨基丙胺，0.2重量份二甲基苯胺溶于水中。然后将混合水放入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器在低速(4000±200r/min)转动，并在15s内均匀加完称取的混合干粉。所有混合干粉倒入混合水后，盖上搅拌杯盖子，并在高速(12000±500r/min)下搅拌35s±1s，即制得预防气井环空带压弹性水泥浆体系。
具体的，预防气井环空带压的弹性水泥浆体系配方表如表2所示：
实施例3：
按照表3提供的材料重量配比进行水泥浆制备，具体步骤如下：称取100重量份水泥，2重量份聚丙烯酰胺，1重量份聚萘磺酸盐，1.5重量份微硅为干粉，量取44重量份淡水，0.5重量份硼酸，15重量份环氧树脂，3重量份二乙氨基丙胺，0.4重量份二甲基苯胺溶于水中。然后将混合水放入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器在低速(4000±200r/min)转动，并在15s内均匀加完称取的混合干粉。所有混合干粉倒入混合水后，盖上搅拌杯盖子，并在高速(12000±500r/min)下搅拌35s±1s，即制得预防气井环空带压弹性水泥浆体系。
具体的，预防气井环空带压的弹性水泥浆体系配方表如表3所示：
实施例4：
按照表4提供的材料重量配比进行水泥浆制备，具体步骤如下：称取100重量份水泥，2.5重量份聚丙烯酰胺，1.5重量份聚萘磺酸盐，3重量份微硅为干粉，量取44重量份淡水，称取20重量份环氧树脂，5重量份二乙氨基丙胺，0.5重量份二甲基苯胺溶于水中。然后将混合水放入搅拌杯中，使用瓦楞搅拌器在低速(4000±200r/min)转动，并在15s内均匀加完称取的混合干粉。所有混合干粉倒入混合水后，盖上搅拌杯盖子，并在高速(12000±500r/min)下搅拌35s±1s，即制得预防气井环空带压弹性水泥浆体系。
具体的，预防气井环空带压的弹性水泥浆体系配方表如表4所示：
二、预防气井环空带压弹性水泥浆体系的性能测试
按照API规范制备水泥浆后，按照固井试验标准API10B-2-2005对该预防气井环空带压弹性水泥浆体系进行性能测试，测试结果如表5所示。
表5、本发明预防气井环空带压弹性水泥浆体系的性能测试结果
可以看出，本发明预防气井环空带压水泥浆具有较好的稳定性，失水量低，稠化可控制性，且流变性好，渗透率低，抗压强度满足固井施工要求。同时，水泥浆与模拟套管壁面胶结强度高，形成的水泥石抗冲击强度高，弹性模量低，这说明树脂的掺入一方面有效提高了水泥石的抗冲击韧性，增强水泥石抵抗外力冲击破坏的能力，防止水泥石破坏引起环空气窜；另一方面树脂对水泥石基质结构进行了改性，增强了水泥石弹性变形能力，有利于保证固井长期封固质量，预防环空带压。此外，树脂的加入提高水泥石与胶结界面的粘结能力，有益于提高固井质量。
综上所述，本发明的预防气井环空带压水泥浆不仅具有良好的施工性能，且凝固后形成的水泥石渗透率低，抗冲击强度高，弹性模量低，水泥环力学性能优异。以上性能保证了固井后水泥环长期封固完整性，为预防气井环空带压提供了有利支持。
以上所述只是该发明的具体实施方式，上述各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后可以对上述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (8)

1.一种弹性水泥浆体系，由水泥、淡水、降失水剂、分散剂、增强剂、树脂、树脂固化剂和树脂促进剂组成；
各组分重量百分比以水泥质量为基准，各添加剂占水泥重量百分比为：降失水剂：2～4％；分散剂：0.5～1.5％；增强剂：1～3％；树脂：5～20％；树脂固化剂：1～5％；树脂促进剂：0.1～0.5％；淡水：44％。
2.根据权利要求1所述的弹性水泥浆体系，其特征在于：所述水泥为符合API标准的G级高抗硫硅酸盐水泥；
所述降失水剂选自羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、水解聚丙烯腈和聚丙烯酰胺中至少一种；所述水解聚丙烯腈的分子量为10000-50000；所述聚丙烯酰胺的分子量为500-1700万；
所述分散剂选自木质素磺酸盐、聚马来酸酐和聚萘磺酸盐中至少一种；所述聚马来酸酐的分子量为400～800；所述聚萘磺酸盐具体为聚萘甲醛磺酸盐；
所述增强剂选自硅粉、微硅和超细G级水泥中至少一种；
所述树脂选自环氧树脂、酚醛树脂和呋喃树脂中至少一种；
所述树脂固化剂选自三乙烯四胺、邻苯二甲酸酐和二乙氨基丙胺中至少一种；
所述树脂促进剂选自三-(二甲胺基甲基)苯酚、二甲基苯胺和三亚乙基二胺中至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的弹性水泥浆体系，其特征在于：所述弹性水泥浆体系还包括缓凝剂。
4.根据权利要求3所述的弹性水泥浆体系，其特征在于：所述缓凝剂选自单宁酸、酒石酸和硼酸中至少一种。
5.根据权利要求3或4所述的弹性水泥浆体系，其特征在于：以水泥质量为基准，所述缓凝剂占水泥重量百分比为0～0.5％；且所述缓凝剂的重量百分比不为0。
6.一种制备权利要求1-5中任一所述弹性水泥浆体系的方法，包括：
将权利要求1-5中任一所述弹性水泥浆体系中各组分按照配比混合后先低速再高速搅拌，得到所述弹性水泥浆体系。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：低速搅拌的转速为4000±200r/min；时间为8-15s；具体为15s；高速搅拌的转速为12000±500r/min；时间为35s±1s。
8.权利要求1-5中任一所述弹性水泥浆体系在预防气井环空带压中的应用。
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