CN111978028A - 一种固井水泥浆体系及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固井水泥浆体系，包括如下组分：水泥、高温稳定剂、降脆剂和耐高温膨胀剂。本发明的固井水泥浆体系还包括其他添加剂，所述其他添加剂包括选自降滤失剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂中的一种或多种。由本发明的水泥浆体系配制的固井水泥浆凝结硬化后，不仅降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性，提高其受力后的变形能力，提高了水泥石的抗冲击韧性，保持较高强度，而且补偿了水泥石的各种收缩，增强了水泥环界面胶结能力，满足高压气井固井需求。

Description

一种固井水泥浆体系及其应用
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种水泥浆体系及其应用，尤其涉及一种耐高温补偿收缩弹韧性水泥浆体系及其应用。
背景技术
油气井固井水泥浆体凝结形成固井水泥环，要求水泥环在后续施工作业和整个油气井生产寿命期间，甚至油气井报废之后都能实现有效的层间封隔。油井水泥浆在凝结硬化过程中发生各种收缩，包括塑性收缩、化学收缩和干缩等。水泥浆的收缩弱化了其与套管或地层之间的界面胶结能力，甚至可能会引起水泥环本体出现裂缝以及界面处出现微环隙。普通油井水泥石属于一种脆性材料，抗压强度高、抗拉强度低，力学变形能力差。对于采用分段压裂的页岩气井和频繁注采的储气库井，在施工作业荷载和注采产生的多次交变应力作用下，使得普通水泥环易出现裂纹或者微环隙。由此可见，水泥浆固化过程的各种收缩以及水泥石的脆性特征，均有可能引起水泥环出现微环隙和微裂缝，导致水泥环发生密封失效问题，引起环空带压，给油气井的生产带来安全隐患，甚至造成整口井的报废，导致巨大经济损失。目前，为了改善水泥石的力学和变形能力，通常采用的方法是在固井水泥浆中添加降脆剂或弹性材料，常用的主要是橡胶颗粒、胶乳等，降低水泥石的弹性模量，形成弹韧性水泥浆。但降低弹性模量改善脆性的同时，也损伤了水泥石的各项强度。为了补偿水泥浆的收缩，通常在水泥浆中掺入硫铝酸钙类膨胀剂。但硫铝酸钙类膨胀剂水化后生成的膨胀性水化产物钙矾石耐温性较差，其在超过70℃时即开始分解，失去部分结晶水，膨胀性能失效。因此，在高温时硫铝酸钙类膨胀剂达不到补偿水泥石收缩，提高水泥环的密封完整性的目的。
因此，急需开发一种耐高温、补偿收缩弹韧性水泥浆，可以高温下补偿水泥石收缩，同时具有较低的弹性模量。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型的耐高温补偿收缩弹韧性固井水泥浆体系。本发明通过在油井水泥浆中掺入降脆剂、高温稳定剂和耐高温膨胀剂及各种外加剂。一方面降脆剂有效地降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性特征；另一方面，耐高温膨胀剂补偿高温下水泥石的各种收缩。既保证了水泥石具有较低的弹性模量，较高的强度，提高水泥石受力时的变形能力，增强冲击荷载下的的韧性；又补偿了水泥石的收缩，增强界面胶结能力，从而达到满足高温油气井尤其是深层页岩气井，在分段压裂施工作业和长期生产过程中的温度压力变化引起的多次交变应力下，水泥环长效密封的目的。
在第一个方面，本发明提供了一种固井水泥浆体系，其包括如下组分：水泥、高温稳定剂、降脆剂和耐高温膨胀剂。
根据本发明的一些实施方式，所述固井水泥浆体系包括如下组分：100重量份水泥、0-50重量份高温稳定剂、2-10重量份的降脆剂和1-5重量份的耐高温膨胀剂。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥为油井水泥，优选为满足API规范的G级油井水泥。
根据本发明的一些实施方式，所述高温稳定剂为硅粉粉末，所述硅粉粉末中二氧化硅的质量百分含量大于98％，所述硅粉粉末的粒径为30μm-200μm。
根据本发明的一些实施方式，所述高温稳定剂适用于高于110℃，低于或等于该温度可不加入。
根据本发明的一些实施方式，所述降脆剂为橡胶颗粒，优选为140-180目数的橡胶颗粒。
根据本发明的优选实施方式，将所述降脆剂经过表面磺化处理，具体方法为：将降脆剂在硫酸溶液中浸渍0.5～1小时，然后用清水将降脆剂洗净，在室温下干燥。经过表面磺化处理后的降脆剂亲水性较好，配浆容易。
根据本发明的一些实施方式，所述耐高温膨胀剂为氧化镁膨胀剂。
根据本发明的一些实施方式，所述固井水泥浆体系还包括其他添加剂，所述其他添加剂包括选自降滤失剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂中的一种或多种
根据本发明的一些实施方式，所述其他添加剂包括2-6重量份的降滤失剂、0-2重量份的分散剂、0-1.5重量份的缓凝剂、44-68重量份的水和0.1-0.5重量份的消泡剂。
根据本发明的一些实施方式，所述降滤失剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合物、酮醛缩合类和聚乙烯醇(PVA)体系中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述分散剂为醛酮缩合物和/或萘系分散剂。
根据本发明的一些实施方式，所述缓凝剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
根据本发明的一些实施方式，所述消泡剂为聚醚类消泡剂。
根据本发明的一些实施方式，所述水为自来水或含盐量小于0.5g/L的水。
本发明的发明人将降脆剂加入普通水泥浆中，改善了水泥石的脆性。将耐高温膨胀剂加入到水泥浆体系中，在高温下水化生成体积较大的含大量结晶水Mg(OH)2晶体，可补偿水泥水化产生的塑性收缩、化学收缩等各种收缩，增强界面胶结。高温稳定剂可与水泥的水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，生成更多的C-S-H凝胶，进一步填充孔隙，保持水泥石较高的强度。
当加入的降脆剂的重量份数为2-10份时，大幅度降低了水泥石的弹性模量，水泥石表现出了较好的变形能力，水泥石由脆性破坏转变为塑性破坏。当加入的耐高温膨胀剂的重量份数为1-5份时，补偿了水泥石的各种收缩，提高了水泥环界面胶结能力，避免由于收缩产生微裂缝和微环隙。
除非另有说明，在本发明中的份数均为重量份数。
水泥浆的稳定性可以以吸水量和上下密度差表征。根据本发明的一些优选实施方式，在25～150℃，60MPa条件下，所述水泥浆的密度为1.75-2.10g/cm3，水泥浆的流动度大于18cm，析水量小于0.5％、上下密度差小于0.02g/cm3。
在第二个方面，本发明提供了一种根据第一个方面所述的固井水泥浆体系的制备方法，包括如下步骤：
(1)将水泥、高温稳定剂、降脆剂和耐高温膨胀剂混拌，得到固体混合物；
(2)将水和其他添加剂搅拌成配浆水；
(3)将所述固体混合物与所述配浆水混合搅拌，得到所述固井水泥浆体系。
在第三个方面，本发明提供了一种根据第一个方面所述的固井水泥浆凝结硬化得到的水泥石，在养护24-96小时、优选72小时后，所述水泥石的弹性模量为5-8.5GPa，抗压强度大于21MPa，膨胀率≥0.02％。
在第四个方面，本发明提供了一种根据第一个方面所述的固井水泥浆体系或根据第三个方面所述的水泥石在高温高压气井固井中的应用，尤其是在高产气井和/或页岩油气井中的应用，优选在页岩气井和储气库固井的水泥环中的应用。在本发明中，除另有说明，所述高压是指压力高于15MPa，所述高产是指日产量大于3000m3。
本发明的有益效果在于：
(1)降脆剂经过表面磺化处理后亲水性较好，配浆容易；
(2)与各种外加剂配伍性好，固井水泥浆性能稳定，满足油气井固井施工要求；
(3)有效的降低了固井水泥石的脆性，提高了抗冲击荷载韧性；
(4)有效补偿了水泥石的各种收缩，达到微膨胀，增强界面胶结的效果；
(5)水泥浆体系价格低廉，节约了成本；
(6)由本发明的水泥浆体系配制的固井水泥浆凝结硬化后，不仅降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性，提高其受力后的变形能力，提高了水泥石的抗冲击韧性，保持较高强度，而且补偿了水泥石的各种收缩，增强了水泥环界面胶结能力，满足高压气井固井需求，尤其适合于当前高产气井、页岩油气井及储气库中固井的应用。
具体实施方式
以下结合非限制性的具体实施例来对本发明进行进一步的说明。
在下列实施例中使用的水泥是嘉华G级油井水泥，购自四川嘉华水泥厂。降滤失剂型号是DZJ-Y，分散剂型号是DZS，缓凝剂是DZH-2，消泡剂是DZX-1，以上外加剂均来自德州大陆架石油工程技术有限公司，水采用北京地区的自来水。降脆剂是140-180目的丁腈类橡胶颗粒，所述降脆剂经过如下的表面磺化处理：将降脆增弹材料在硫酸溶液中浸渍0.5～1小时，然后用清水洗净，在室温下干燥。高温膨胀剂是氧化镁。高温稳定剂粒径为100-300μm的硅粉。
实施例1
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降脆剂(橡胶颗粒)6份，高温膨胀剂(氧化镁)5份，高温稳定剂(硅粉)35份，降滤失剂(DZJ-Y)4份，分散剂(DZS)1份，缓凝剂(DZH-2)0.5份，水60份，消泡剂0.2份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆体系，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为6.4GPa，泊松比为0.17，抗压强度为27MPa，膨胀率0.06％。
实施例2
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降脆剂(弹性粒子)8份，高温膨胀剂3份，高温稳定剂0份，降滤失剂(DZJ-Y)4份，分散剂(DZS)1份，缓凝剂(DZH-2)0.5份，水40份，消泡剂0.2份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆体系，110℃和21MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为5.9GPa，泊松比为0.18，抗压强度为25MPa，膨胀率0.08％。
实施例3
与实施例1的区别仅在于降脆剂的加入量为2重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为8.5GPa，泊松比为0.15，抗压强度为29MPa，膨胀率为0.06％。
实施例4
与实施例1的区别仅在于降脆剂的加入量为10重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.0GPa，泊松比为0.22，抗压强度为22MPa，膨胀率为0.09％。
实施例5
与实施例1的区别仅在于降脆剂的加入量为1重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为9.1GPa，泊松比为0.12，抗压强度为32MPa，膨胀率为0.06％。
实施例6
与实施例1的区别仅在于降脆剂的加入量为12重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为4.2GPa，泊松比为0.23，抗压强度为12MPa，膨胀率为0.09％。
实施例7
与实施例1的区别仅在于耐高温膨胀剂的加入量为1重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为6.0GPa，泊松比为0.17，抗压强度为25MPa，膨胀率为0.02％。
实施例8
与实施例1的区别仅在于耐高温膨胀剂的加入量为0.5重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.9GPa，泊松比为0.18，抗压强度为24MPa，膨胀率为-0.02％。
实施例9
与实施例1的区别仅在于耐高温膨胀剂的加入量为6重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为6.6GPa，泊松比为0.15，抗压强度为29MPa，膨胀率为0.10％。
对比例1
采用油井水泥(嘉华G级)100份，高温稳定剂35份，降滤失剂(DZJ-Y)4份，分散剂(DZS)1份，缓凝剂(DZH-2)0.5份，水58份，消泡剂0.2份，配置出密度为1.90g/cm3油井水泥浆体系，140℃和21MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为9.8GPa，泊松比为0.15，抗压强度为29MPa，收缩率0.2％。
对比例2
采用油井水泥(嘉华G级)100份，降脆剂(弹性粒子)6份，高温稳定剂35份，降滤失剂(DZJ-Y)4份，分散剂(DZS)1份，缓凝剂(DZH-2)0.5份，水60份，消泡剂0.2份，配置出密度为1.90g/cm3弹韧性水泥浆体系,140℃和21MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为6.6GPa，泊松比为0.17，抗压强度为18MPa，收缩率0.17％。
对比例3
采用油井水泥(嘉华G级)100份，高温膨胀剂5份，高温稳定剂35份，降滤失剂(DZJ-Y)4份，分散剂(DZS)1份，缓凝剂(DZH-2)0.5份，水60份，消泡剂0.2份，配置出密度为1.90g/cm3弹韧性水泥浆体系,140℃和21MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为9.6GPa，泊松比为0.12，抗压强度为32，膨胀率0.05％。
与对比例1相比，实施例1的固井水泥石的弹性模量大幅度降低，形变能力明显改善，同时具有微膨胀性能；与对比例2相比，实施例1的固井水泥石，具有高强度和微膨胀性能；与对比例3相比，实施例1的固井水泥石的弹性模量大幅度降低，形变能力明显改善。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种固井水泥浆体系，包括如下组分：水泥、高温稳定剂、降脆剂和耐高温膨胀剂。
2.根据权利要求1所述的固井水泥浆体系，其特征在于，所述固井水泥浆体系包括如下组分：100重量份水泥、0-50重量份高温稳定剂、2-10重量份的降脆剂和1-5重量份的耐高温膨胀剂。
3.根据权利要求1或2所述的固井水泥浆体系，其特征在于，所述水泥为油井水泥，优选为G级油井水泥；和/或所述高温稳定剂为硅粉粉末，所述硅粉粉末中二氧化硅的质量百分含量大于98％，所述硅粉粉末的粒径为30μm-200μm；和/或所述降脆剂为橡胶颗粒，优选为140-180目数的橡胶颗粒；和/或所述耐高温膨胀剂为氧化镁膨胀剂。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的固井水泥浆体系，其特征在于，所述固井水泥浆体系还包括其他添加剂，所述其他添加剂包括选自降滤失剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的固井水泥浆体系，其特征在于，所述其他添加剂包括2-6重量份的降滤失剂、0-2重量份的分散剂、0-1.5重量份的缓凝剂、44-68重量份的水和0.1-0.5重量份的消泡剂。
6.根据权利要求4或5所述的固井水泥浆体系，其特征在于，所述降滤失剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合物、酮醛缩合类和聚乙烯醇(PVA)体系中的一种或多种；
所述分散剂为醛酮缩合物和/或萘系分散剂；
所述缓凝剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物；
所述消泡剂为聚醚类消泡剂；
所述水为自来水或含盐量小于0.5g/L的水。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的固井水泥浆体系，其特征在于，在25-150℃，60MPa条件下，所述水泥浆的密度为1.75-2.10g/cm3，水泥浆的流动度大于18cm，析水量小于0.5％、上下密度差小于0.02g/cm3。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的固井水泥浆体系的制备方法，包括如下步骤：
(1)将水泥、降脆剂、高温稳定剂和耐高温膨胀剂混拌，得到固体混合物；
(2)将水和其他添加剂搅拌成配浆水；
(3)将所述固体混合物与所述配浆水混合搅拌，得到所述固井水泥浆体系。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的固井水泥浆结固化得到的水泥石，在养护24-96小时、优选72小时后，所述水泥石的弹性模量为5-8.5GPa，抗压强度＞21MPa，膨胀率≥0.02％。
10.一种根据权利要求1-7中任一项所述的固井水泥浆体系或根据权利要求9所述的水泥石在高温高压气井固井中的应用，尤其是在高产气井和/或页岩油气井中的应用，优选在页岩气井和储气库固井的水泥环中的应用。
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