CN110845175A

CN110845175A - 天然气固井用的水泥纳米增韧剂

Info

Publication number: CN110845175A
Application number: CN201910959136.8A
Authority: CN
Inventors: 高飞; 田宝振; 党冬红; 宋元洪; 王永春; 张鑫; 李思彬; 程海林; 张晔; 刘宁泽; 段珏宏
Original assignee: CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明公开了一种石油天然气固井用的水泥纳米增韧剂包括以重量份计的100份清水、40～80份冷凝纳米硅粉、5～10份柔性颗粒、1.2～1.5份羟丙基淀粉、0.1～0.3份聚氯乙烯纤维；其中，所述柔性颗粒为苯乙烯类热塑性弹性体，其制备方法简单，仅通过将上述组分按照一定的重量比例称量后混拌均匀即可得到；该天然气固井用的水泥纳米增韧剂液与水泥浆配伍性良好，能够满足现场施工需求，同时在保证水泥石抗压强度的前提下降低水泥石的弹性模量，使环空水泥石抗冲击性能力强，保证环空水泥石能够承受大型压裂以及储气库井井筒交变应力变化带来的影响，延长油气井寿命。

Description

天然气固井用的水泥纳米增韧剂

技术领域

本发明涉及石油天然气固井技术领域，特别涉及一种天然气固井用的水泥纳米增韧剂。

背景技术

固井就是用某种手段把裸眼井段内下入的套管串与地层之间进行有效封固。近些年随着页岩气开发力度的不断加大，对固井水泥浆体系的要求越来越高，尤其是增加水泥石韧性，降低水泥石弹性模量，已经逐渐被列入页岩气固井的重要指标。

目前增加水泥石韧性，最常用的水泥浆外加剂有三类，胶乳、纤维和橡胶。在页岩气开发过程中，最常用的是胶乳水泥浆体系，其优点是有效防止气窜和防腐，但缺点是敏感性强、难以配伍、易絮凝成团。纤维则存在分散性差，密度差会导致纤维上浮、混拌不均匀，现场泵送困难。橡胶材料在混拌过程中也存在密度差的问题，容易浮在水泥浆上层，导致水泥浆性能不稳定。

已公开专利CN201410504903.3采用改性蛭石作为增韧剂主剂，辅以改性沥青和分散剂，但是由于蛭石密度较低，无法配制常规密度乃至高密度水泥浆，且蛭石的加量超过25％后会严重影响抗压强度。已公开专利CN201410047943.X使用了改性沥青作为油井水泥增韧剂，但该种材料抗温性能比较差，无法满足高温超高温的固井需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种在保证水泥石抗压强度的前提下降低水泥石的弹性模量的天然气固井用的水泥纳米增韧剂。

为此，本发明技术方案如下：

一种天然气固井用的水泥纳米增韧剂，包括以重量份计的100份清水、40～80 份冷凝纳米硅粉、5～10份柔性颗粒、1.2～1.5份羟丙基淀粉、0.1～0.3份聚氯乙烯纤维。其中，所述柔性颗粒为苯乙烯类热塑性弹性体。

优选，所述冷凝纳米硅粉的粒径为50～100nm。

优选，所述柔性颗粒材料粒径为50～250目。

优选，所述聚氯乙烯纤维为经过硅烷偶联剂进行表面处理后的长度为 3～30mm，直径为40～50μm，拉伸强度为270～800MPa的聚氯乙烯纤维。

在该天然气固井用的水泥纳米增韧剂的配方中，冷凝纳米硅粉为该增韧剂的稳定剂，减小体系的弹性模量，以实现提升体系的抗冲击性能；柔性颗粒为该增韧剂的悬浮剂，其密度为0.92～0.95g/cm³,具有柔性好、硬度小、弹性好，韧性很好、抗拉能力强、伸长率高、变形能力强、稳定性很好等特点；聚氯乙烯纤维的加入能使其他组分能够较好的分散于水溶液中；羟丙基淀粉为该增韧剂的流变性调节剂，使水泥纳米增韧剂具有一定的粘度。

该天然气固井用的水泥纳米增韧剂的制备方法简单，仅通过将上述组分按照一定的重量比例称量后混拌均匀即可得到。

与现有技术相比，该天然气固井用的水泥纳米增韧剂液与水泥浆配伍性良好，能够满足现场施工需求，同时在保证水泥石抗压强度的前提下降低水泥石的弹性模量，使环空水泥石抗冲击性能力强，保证环空水泥石能够承受大型压裂以及储气库井井筒交变应力变化带来的影响，延长油气井寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

在下述实施例1～3中采用的各组分均购自市售产品，且冷凝纳米硅粉采用冷凝方式制备得到的粒径为50～100nm的纳米级硅粉粉末，柔性颗粒采用粒径为50～250目的苯乙烯类热塑性弹性体，聚氯乙烯纤维采用长度为3～30mm，直径为 40～50μm，且满足拉伸强度为270～800MPa的聚氯乙烯纤维，且在配制增韧剂前先经过硅烷偶联剂对其表面进行预处理。

实施例1

一种天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其通过将5重量份的柔性颗粒、0.1 重量份聚氯乙烯纤维、1.2份羟丙基淀粉、40份冷凝纳米硅粉和100重量份清水混拌均匀后得到。

实施例2

一种天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其通过将10重量份的柔性颗粒、0.3 重量份聚氯乙烯纤维、1.5份羟丙基淀粉、80份冷凝纳米硅粉和100重量份清水混拌均匀后得到。

实施例3

一种天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其通过将8重量份的柔性颗粒、0.2 重量份聚氯乙烯纤维、1.3份羟丙基淀粉、60份冷凝纳米硅粉和100重量份清水混拌均匀后得到。

性能测试：

根据标准GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》和GB/T 50266-2013《工程岩体试验方法标准》对实施例1～3制备的天然气固井用的水泥纳米增韧剂的各项性能进行测试。

其中，具体测试样为分别在三份夹江G级水泥中添加质量分数为1％的实施例1、实施例2和实施例3的增韧剂混合而成的测试样；与实施例1～3同时进行测试的还包括作为对比例的普通试样；普通试样为目前常规使用的水泥增韧剂，具体为在600g夹江G级水泥中加入180g硅粉、30g微硅、1g降失水剂和0.5g 分散剂混合而成的。三个测试样和普通试样在混合形成水泥浆的过程中均以水灰比42％进行制备。

测试实验条件：养护温度为180℃，养护压力为50MPa，养护时间为48h。

具体测试结果如下表1所示

表1：

测试项目	普通试样	实施例1	实施例2	实施例3
					48h抗压强度/MPa	24.5	21.9	21.4	21.7
48h杨氏弹性模量/GPa	8.745	6.075	5.55	5.97
					API失水量/mL	44	32	30	42
稠化时间/min	164	158	167	179
					沉降密度差/(g·cm<sup>-3</sup>)	0.04	0.02	0.01	0.02
析水率/％	0.3	0	0	0

从上表1的测试结果可以看出，采用实施例1～3配制的水泥浆和普通试样的水泥浆经养护后，其形成的水泥石抗压强度变化不大，降低率小于13％，但采用实施例1～3配制的水泥浆形成的水泥石的杨氏弹性模量均有所降低，且降低幅度能够达到30％～36.5％，可见，确实能够能有效提高水泥环韧性，提高固井质量和延长油气井生产寿命。

此外，该水泥石养护实验的测试温度为180℃，可见该增韧剂同样具有高抗温性能。同时，实验过程中未发现包芯、鼓包等不良现象，可见该增韧剂与水泥浆体系的配伍性良好。

另外，从表1的测试结果还可以看出，本申请的增韧剂在水泥浆中的掺量为1wt.％时即能够对水泥浆稳定性有较大的促进效果，且对稠化时间影响小，沉降密度差小于0.04g·cm^-3，析水率为零。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其特征在于，包括以重量份计的100份清水、40～80份冷凝纳米硅粉、5～10份柔性颗粒、1.2～1.5份羟丙基淀粉、0.1～0.3份聚氯乙烯纤维；其中，所述柔性颗粒为苯乙烯类热塑性弹性体。

2.根据权利要求1所述的天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其特征在于，所述冷凝纳米硅粉的粒径为50～100nm。

3.根据权利要求1所述的天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其特征在于，所述柔性颗粒材料粒径为50～250目。

4.根据权利要求1所述的天然气固井用的水泥纳米增韧剂，其特征在于，所述聚氯乙烯纤维采用经过硅烷偶联剂进行表面处理后的长度为3～30mm，直径为40～50μm，且拉伸强度为270～800MPa的聚氯乙烯纤维。