CN111978940A - 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、降脆增弹材料、增韧材料和增强材料。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。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，而且提高了水泥石的抗冲击韧性，保持较高的抗压、抗折和抗拉强度，满足了高压气井固井需求。
Description
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，尤其涉及一种高强度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系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。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，使得普通水泥环极易出现裂纹或者微环隙，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，提高水泥环的密封完整性，通常采用的方法是在固井水泥浆中添加增韧剂或弹性材料，常用的主要是橡胶颗粒、胶乳等，形成弹韧性水泥浆。但普通弹韧性水泥浆在降低水泥石的弹性模量、达到增韧效果的同时，水泥石的强度损失较多。在提高油气井水泥环的长期密封完整性方面，并没有取得较好的效果。
因此，急需开发一种既具有较低的弹性模量，同时具有较高强度的弹韧性固井水泥浆，从而达到满足页岩气井分段压裂施工作业和长期生产过程中的温度压力变化，以及储气库频繁注采作业等引起的多次交变应力下，水泥环长效密封的目的。
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高强度弹韧性固井水泥浆体系，其具有较低弹性模量的同时具有较高强度。
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、降脆增弹材料、增韧材料和增强材料。
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重量份的水泥、3-8重量份的降脆增弹材料、1-7重量份的增韧材料和1-5重量份的增强材料。
根据本发明的一些实施方式，所述水泥为油井水泥，优选为G级油井水泥。
根据本发明的一些实施方式，所述降脆增弹材料为橡胶颗粒，优选为140-180目数的橡胶颗粒。
根据本发明的优选实施方式，将所述降脆增弹材料经过表面磺化处理，具体方法为：将降脆增弹材料在硫酸溶液中浸渍0.5～1小时，然后用清水将降脆增弹材料洗净，在室温下干燥。经过表面磺化处理后的降脆增弹材料亲水性较好，配浆容易。
根据本发明的一些实施方式，所述增韧材料晶须，优选为钙质晶须，更优选为直径0.5-2μm、长度20-50μm的晶须。
根据本发明的一些实施方式，所述增强材料为硅灰，优选粒径为50-300nm的硅灰。
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。
根据本发明的优选实施方式，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、40-46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。
本发明的发明人将弹性粒子橡胶颗粒加入普通水泥浆中，改善了水泥石的脆性。将钙质晶须材料和纳米硅灰加入到油井水泥浆体系中时，适宜尺寸的晶须材料和硅灰均匀分布并填充于水泥颗粒间。水泥浆凝固硬化后，钙质晶须颗粒材料填充于水泥石中的骨架颗粒之间，当水泥石受荷载作用时，由于骨架结构之间填充了钙质晶须颗粒，所以骨架结构将冲击力传递到钙质晶须颗粒上，继而弹性颗粒吸收部分的能量产生一定的缓冲作用，从而提高水泥石的变形能力，破坏时由普通油井水泥石的脆性破坏转变为塑性破坏，同时，钙质晶须在受力拉伸、拔出和拉断过程中消耗了能量，降低了外力冲击对水泥石的破坏作用，提高了抗拉强度。纳米硅灰可填充水泥水化产生的孔隙，降低水泥石的孔隙率；且其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。
当加入的降脆增弹材料为3-8重量份时，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；当加入的增韧材料为1-7重量份时，提高了水泥石的抗折强度和抗冲击韧性，水泥石表现出较强的抵抗外载荷冲击的韧性。当加入的增强材料为1-5重量份时，提高了水泥石的抗压强度，整体效果好。
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25-110℃，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、降脆增弹材料、增强材料和增韧材料混拌，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5-8GPa，抗压强度＞28MPa，抗折强度＞6MPa，抗拉强度>2.5MPa。
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)降脆增弹材料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)有效地降低了固井水泥石的脆性，提高了抗冲击荷载韧性并保持较高的各项强度；
(4)水泥浆体系价格低廉，节约了成本；
(5)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，而且提高了水泥石的抗冲击韧性，保持较高的抗压、抗折和抗拉强度，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。降脆增弹材料是140-180目的丁腈类橡胶颗粒，所述降脆增弹材料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。增韧材料是直径0.5-2μm、长度20-50μm的钙质晶须类。增强材料是粒径为50-300nm的纳米硅灰。
实施例1
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降滤失剂(DZJ-Y)4重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂(DZX-1)0.2重量份，降脆增弹材料(橡胶颗粒)6重量份，增韧材料(晶须类)2重量份，增强材料(纳米硅灰)2重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.8GPa，泊松比为0.20，抗压强度为32.5MPa，抗折强度为6.8MPa，抗拉强度为3.7MPa。
实施例2
与实施例1的区别仅在于降脆增弹材料的加入量为8重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.3GPa，泊松比为0.21，抗压强度为28.1MPa，抗折强度为6.1MPa，抗拉强度为2.6MPa。
实施例3
与实施例1的区别仅在于降脆增弹材料的加入量为1重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa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0.15，抗压强度为42.3MPa，抗折强度为7.6MPa，抗拉强度为4.5MPa。
实施例4
与实施例1的区别仅在于降脆增弹材料的加入量为10重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为4.8GPa，泊松比为0.22，抗压强度为17.2MPa，抗折强度为3.1MPa，抗拉强度为1.8MPa。
实施例5
与实施例1的区别仅在于增韧材料的加入量为7重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.5GPa，泊松比为0.21，抗压强度为34.2MPa，抗折强度为8.4MPa，抗拉强度为4.3MPa。
实施例6
与实施例1的区别仅在于增韧材料的加入量为0.5重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa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0.19，抗压强度为30.4MPa，抗折强度为4.5MPa，抗拉强度为2.2MPa。
实施例7
与实施例1的区别仅在于增韧材料的加入量为10重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.2GPa，泊松比为0.22，抗压强度为36.3MPa，抗折强度为9.1MPa，抗拉强度为5.2MPa。
实施例8
与实施例1的区别仅在于增强材料的加入量为5重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为6.1GPa，泊松比为0.18，抗压强度为45.7MPa，抗折强度为7.2MPa，抗拉强度为4.0MPa。
实施例9
与实施例1的区别仅在于增强材料的加入量为0.5重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为5.6GPa，泊松比为0.20，抗压强度为23.4MPa，抗折强度为6.1MPa，抗拉强度为3.4MPa。
实施例10
与实施例1的区别仅在于增强材料的加入量为7重量份，配置出密度为1.90g/cm3固井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试水泥石的弹性模量为6.4GPa，泊松比为0.17，抗压强度为48.2MPa，抗折强度为8.6MPa，抗拉强度为4.3MPa。
对比例1
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降滤失剂(DZJ-Y)4重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂(DZX-1)0.2重量份，配置出密度为1.90g/cm3油井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为10.5GPa，泊松比为0.14，抗压强度为34.1MPa，抗折强度为5.4MPa，抗拉强度为2.7MPa。
对比例2
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降滤失剂(DZJ-Y)4重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂(DZX-1)0.2重量份，降脆增弹材料6重量份，配置出密度为1.90g/cm3油井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为6.4GPa，泊松比为0.16，抗压强度为17.6MPa，抗折强度为4.6MPa，抗拉强度为1.2MPa。
对比例3
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降滤失剂(DZJ-Y)4重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂(DZX-1)0.2重量份，增韧材料2重量份，配置出密度为1.90g/cm3油井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为9.3GPa，泊松比为0.16，抗压强度为35.7MPa，抗折强度为7.8MPa，抗拉强度为4.1MPa。
对比例4
采用油井水泥(嘉华G级)100重量份，降滤失剂(DZJ-Y)4重量份，分散剂(DZS)1重量份，缓凝剂(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡剂(DZX-1)0.2重量份，增强材料2重量份，配置出密度为1.90g/cm3油井水泥浆，93℃和20MPa环境下养护72小时，测试弹性模量为10.6GPa，泊松比为0.13，抗压强度为49.2MPa，抗折强度为7.1MPa，抗拉强度为3.5MPa。
与对比例1的常规水泥石相比，实施例1的固井水泥石的弹性模量大幅度降低，说明变形能力得到了大大提高，且抗压强度没有降低，基本保持一致，抗折和拉强度有所提高，说明其保持了较高的各项强度，形变能力明显改善。与对比例2-4相比，实施例1的固井水泥石不仅弹性模量大幅度降低，且抗压、抗折和拉强度较高，说明其保持了较高的各项强度。
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、降脆增弹材料、增韧材料和增强材料。
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：水泥100重量份、降脆增弹材料3-8重量份、增韧材料1-7重量份和增强材料1-5重量份。
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/或所述降脆增弹材料为橡胶颗粒，优选为140-180目数的橡胶颗粒；和/或所述增韧材料为晶须，优选为钙质晶须，更优选为直径0.5-2μm、长度20-50μm的晶须；和/或所述增强材料为硅灰，优选粒径为50-300nm的硅灰。
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、40-46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25-110℃，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、降脆增弹材料、增强材料和增韧材料混拌，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5-8GPa，抗压强度＞28MPa，抗折强度＞6MPa，抗拉强度>2.5MPa。
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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