CN112299757A - 一种水泥浆体系及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水泥浆体系，其组分包括：水泥(G级高抗硫酸盐型油井水泥)、大温差缓凝剂、大温差降失水剂、抗高温弹性材料、抗高温增韧材料、高温膨胀剂、高温强度稳定材料、加重剂、早强剂、分散剂和水；所述水泥浆体系的密度可达1.8至2.15g/cm3，稠化时间150至500min可调可控。其依托大温差缓凝剂和大温差降失水剂可防止顶部水泥浆超缓凝；依托抗高温弹性材料与高温增韧材料可改善水泥石力学性能，提高水泥环密封性能。能够满足井底温度不高于140℃，封固段顶底温差不大于80℃时，顶部水泥石72h强度大于14MPa，水泥石弹性模量小于8GPa的要求。

Description

一种水泥浆体系及其制备方法
技术领域
本发明提供了一种水泥浆体系及其制备方法。
背景技术
随着勘探开发的深入，深井、超深井越来越多，封固段长度亦逐渐增加。深井高温长封固段固井面临一次性封固段长，上下温差大，顶部水泥石强度发展慢，甚至出现超缓凝问题。因此，针对长封固段大温差固井，不仅要求水泥浆具有良好的抗高温性能，满足现场注水泥作业要求；而且要求水泥石顶部强度发展快，不耽误后续作业进程。另外，常规体系水泥石的脆硬特性使得在经历套管内压力交变后，发生水泥环密封失效问题。因此，对于后期需经历酸化、压裂等增产作业的井，水泥石不但需要较高的抗压强度，而且需要较低的弹性模量和较好的抗冲击性，从而提高水泥环长效密封性。
发明内容
本发明之一提供了一种水泥浆体系，其组分包括：水泥、大温差缓凝剂、大温差降失水剂、抗高温弹性材料、抗高温增韧材料、高温膨胀剂、早强剂和水。
在一个具体实施方式中，所述水泥浆体系的密度为1.88至2.15g/cm3。
在一个具体实施方式中，以水泥的质量为100份计，大温差缓凝剂2.5至4.5份、大温差降失水剂4至6份、抗高温弹性材料5至6份、抗高温增韧材料0.2至0.25份、高温膨胀剂4至6份、早强剂1至2份，以及水40至80份。
在一个具体实施方式中，所述水泥为G级高抗硫酸盐型油井水泥。
在一个具体实施方式中，所述大温差缓凝剂为由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体和衣康酸单体形成的嵌段共聚物，其相对分子量为2至8万。
在一个具体实施方式中，所述大温差降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酸-丙烯酰胺三元嵌段共聚物(AMPS-AA-AM三元嵌段共聚物)，其相对分子量为80至120万。
在一个具体实施方式中，所述抗高温弹性材料包括选自丁腈橡胶粉、天然橡胶粉和丁苯胶粉中的一种。
在一个具体实施方式中，所述抗高温增韧材料包括选自聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维中的一种。
在一个具体实施方式中，所述高温膨胀剂包括选自氧化镁、氧化钙和钙矾石中的至少一种。
在一个具体实施方式中，所述早强剂包括选自氯化钠、氯化钾和硅酸钠中的至少一种。
在一个具体实施方式中，所述水泥浆体系还包括高温强度稳定材料、加重剂和分散剂中的至少一种。
在一个具体实施方式中，以水泥的质量为100份计，高温强度稳定材料35至60份，加重剂40至70份，分散剂0.25至1份。
在一个具体实施方式中，所述高温强度稳定材料包括硅粉和/或微硅。
在一个具体实施方式中，所述硅粉的中值粒径为80目至180目。
在一个具体实施方式中，所述微硅的中值粒径为1000目至1200目。
在一个具体实施方式中，所述加重剂为铁矿粉。
在一个具体实施方式中，所述铁矿粉的中值粒径为200至250目。
在一个具体实施方式中，所述分散剂为磺化丙酮-甲醛缩聚物。
在一个具体实施方式中，所述磺化丙酮-甲醛缩聚物的相对分子量为4000至10000。
本发明之二提供了根据本发明之一中任意一项所述的水泥浆体系的制备方法，其包括如下步骤：
1)将水泥、抗高温弹性材料和高温膨胀剂混拌均匀，得到干混材料；
2)将大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂和水混拌均匀，得到湿混材料；
3)将所述干混材料倒入所述湿混材料中，然后加入抗高温增韧材料，搅拌均匀，从而制得所述水泥浆体系。
在一个具体实施方式中，在第一搅拌速率下将所述干混材料倒入所述湿混材料中，然后在第二搅拌速率下加入所述抗高温增韧材料，并在所述第二搅拌速度下搅拌，从而制得所述水泥浆体系。
在一个具体实施方式中，所述第一搅拌速度为3800至4200r/min。
在一个具体实施方式中，在所述第一搅拌速度下在15秒之内将所述干混材料倒入所述湿混材料中。
在一个具体实施方式中，所述第二搅拌速度为11500至12500r/min。
在一个具体实施方式中，在所述第二搅拌速度下搅拌34至36秒。
在一个具体实施方式中，在所述水泥浆体系中还包括高温强度稳定材料和/或加重剂时，所述高温强度稳定材料和/或加重剂与水泥、抗高温弹性材料和高温膨胀剂混拌均匀，得到所述干混材料。
在一个具体实施方式中，所述水泥浆体系中还包括分散剂时，所述分散剂与大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂、分散剂和水混拌均匀，得到所述湿混材料。
本发明之三提供了根据权利要求本发明之一中任意一项所述的水泥浆体系或根据本发明之二中任意一项所述的制备方法制得的所述水泥浆体系在长封固段大温差固井中的应用。
在一个具体实施方式中，所述的制备方法制得的所述水泥浆体系在井底温度不高于140℃和/或顶底温差不大于80℃的长封固段大温差固井中的应用。
本发明的术语“大温差”是指最大温差可大80℃。此外，本发明的大温差材料同时也适用于低于80℃温差的范围，即0至80℃的温差范围。
本发明的术语“高温”指的是最高温不高于140℃的温度。此外，本发明的高温材料或抗高温材料同时也适用于最低至常温(25±5℃)的温度情况。
本发明的有益效果：
本发明水泥浆体系的密度可达1.88至2.15g/cm3，稠化时间150至500min可调可控。其依托大温差缓凝剂和大温差降失水剂可防止顶部水泥浆超缓凝；依托抗高温弹性材料与高温增韧材料可改善水泥石力学性能，提高水泥环密封性能。能够满足井底温度不高于140℃，封固段顶底温差不大于80℃时，顶部水泥石72h强度大于14MPa，水泥石弹性模量小于8GPa的要求。通过高温强度稳定材料，增强水泥石的高温强度稳定性，防止水泥石在110-140℃区间内的高温下强度的衰退。通过高温膨胀剂，可以弥补水泥石自身收缩，提高水泥环密封完整性。因此，本发明的水泥浆体系可满足长封固段大温差固井要求，提高水泥环长效密封性，防止井口带压。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明实施例仅为示例性的说明，该实施方式无论在任何情况下均不构成对本发明的限定。
如无特别说明，以下实施例中使用的试剂均可市售获得。
实施例1
1)将水泥、抗高温弹性材料和高温膨胀剂混拌均匀，得到干混材料；
2)将大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂、分散剂和水混拌均匀，得到湿混材料；
3)4000r/min的搅拌速率下将干混材料在15秒之内倒入湿混材料中，然后在12000r/min搅拌速率下均匀撒入抗高温增韧材料，搅拌35秒至均匀，从而制得水泥浆体系。
其中，水泥为G级高抗硫酸盐型油井水泥，用量为100质量份。
抗高温弹性材料为天然橡胶粉，用量为5质量份。
高温膨胀剂为氧化镁，用量为4质量份。
大温差缓凝剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)嵌段共聚物，相对分子量为2-8万，用量为2.5质量份。
大温差降失水剂为AMPS-AA-AM三元嵌段共聚物，其相对分子量为80-120万，用量为4质量份。
早强剂为硅酸钠，用量为2质量份。
分散剂为磺化丙酮-甲醛缩聚物，相对分子量4000-10000，用量为0.25质量份。
抗高温增韧材料为聚丙烯纤维，用量为0.25份。
水的用量为40质量份。
按上述配方可配得大温差弹韧性水泥浆体系，密度1.88g/cm3。
根据GB-T19139油井水泥实验方法测定100℃×80MPa×60min下的稠化时间，API失水，在20℃×0.1MPa条件下养护72h水泥石的抗压强度和杨氏弹性模量。结果见表1。
实施例2
1)将水泥、抗高温弹性材料、高温强度稳定材料和高温膨胀剂混拌均匀，得到干混材料；
2)将大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂、分散剂和水混拌均匀，得到湿混材料；
3)4000r/min的搅拌速率下将干混材料在15秒以内倒入湿混材料中，然后在12000r/min搅拌速率下均匀撒入抗高温增韧材料，搅拌35秒至均匀，从而制得水泥浆体系。
其中，水泥为G级高抗硫酸盐型油井水泥，用量为100质量份。
抗高温弹性材料为天然橡胶粉，用量为5质量份。
抗高温增韧材料为聚丙烯纤维，用量为0.25质量份。
高温膨胀剂为氧化镁，用量为4质量份。
高温强度稳定材料为30质量份的中值粒径为80目，30质量份的中值粒径为180目的硅粉，6质量份的中值粒径为1200目的微硅。
大温差缓凝剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)嵌段共聚物，相对分子量为2-8万，用量为3.2质量份。
大温差降失水剂为AMPS-AA-AM三元嵌段共聚物，其数均分子量为80-120万，用量为5质量份。
早强剂为硅酸钠，用量为1.0质量份。
分散剂为磺化丙酮-甲醛缩聚物，相对分子量4000-10000，用量为0.5质量份，用量为0.5质量份。
水的用量为65质量份。
按上述配方可配得大温差弹韧性水泥浆体系，密度1.90g/cm3。
根据GB-T19139油井水泥实验方法测定140℃×125MPa×60min下的稠化时间，API失水，在60℃×0.1MPa条件下养护72h水泥石的抗压强度和杨氏弹性模量。结果见表1。
实施例3
1)将水泥、抗高温弹性材料、高温强度稳定材料、高温膨胀剂和加重剂混拌均匀，得到干混材料；
2)将大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂、分散剂和水混拌均匀，得到湿混材料；
3)4000r/min的搅拌速率下将干混材料在15秒以内倒入湿混材料中，然后在12000r/min搅拌速率下均匀撒入抗高温增韧材料，搅拌35秒至均匀，从而制得水泥浆体系。
其中，水泥为G级高抗硫酸盐型油井水泥，用量为100质量份。
抗高温弹性材料为天然橡胶粉，用量为6质量份。
抗高温增韧材料为聚丙烯纤维，用量为0.2质量份。
高温膨胀剂为氧化镁，用量为5质量份。
高温强度稳定材料为中值粒径为120目的硅粉，用量为35质量份。
加重剂的中值粒径为200目的铁矿粉，用量为40质量份。
大温差缓凝剂的种类为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)嵌段共聚物，相对分子量为2-8万，用量为2.8质量份。
大温差降失水剂为AMPS-AA-AM三元嵌段共聚物，其相对分子量为80-120万，用量为5质量份。
早强剂为氯化钠，用量为2质量份。
分散剂为磺化丙酮-甲醛缩聚物，相对分子量4000-10000，用量为0.5质量份，用量为0.6质量份。
水的用量为75质量份。
按上述配方可配得大温差弹韧性水泥浆体系，密度2.05g/cm3。
根据GB-T19139油井水泥实验方法测定125℃×125MPa×60min下的稠化时间，API失水，在75℃×0.1MPa条件下养护72h水泥石的抗压强度和杨氏弹性模量。结果见表1。
实施例4
1)将水泥、抗高温弹性材料、高温强度稳定材料、高温膨胀剂和加重剂混拌均匀，得到干混材料；
2)将大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂、分散剂和水混拌均匀，得到湿混材料；
3)4000r/min的搅拌速率下将干混材料在15秒以内倒入湿混材料中，然后在12000r/min搅拌速率下均匀撒入抗高温增韧材料，搅拌35秒至均匀，从而制得水泥浆体系。
其中，水泥为G级高抗硫酸盐型油井水泥，用量为100质量份。
抗高温弹性材料为天然橡胶粉，用量为6质量份。
抗高温增韧材料为聚丙烯纤维，用量为0.2质量份。
高温膨胀剂为氧化镁，用量为6质量份。
高温强度稳定材料为用量为30质量份的中值粒径为80目的硅粉，用量为30质量份的中值粒径为180目的硅粉，用量为4质量份的中值粒径为1000目的微硅。
加重剂为中值粒径为250目的铁矿粉，用量为70质量份。
大温差缓凝剂的种类为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)嵌段共聚物，相对分子量为2-8万，用量为4.5质量份。
大温差降失水剂为AMPS-AA-AM三元嵌段共聚物，其数均分子量为80-120万，用量为6质量份。
早强剂为氯化钾，用量为2质量份。
分散剂为磺化丙酮-甲醛缩聚物，相对分子量4000-10000，用量为0.5质量份，用量为1.0质量份。
水的用量为80质量份。
按上述配方可配得大温差弹韧性水泥浆体系，密度2.15g/cm3。
根据GB-T19139油井水泥实验方法测定140℃×155MPa×60min下的稠化时间，API失水，在60℃×0.1MPa条件下养护72h后的水泥石的抗压强度和杨氏弹性模量。结果见表1。
表1
Figure BDA0002149483190000061
虽然本申请已经参照具体实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解在没有脱离本申请的真正的精神和范围的情况下，可以进行的各种改变。此外，可以对本申请的主体、精神和范围进行多种改变以适应特定的情形、材料、材料组合物和方法。所有的这些改变均包括在本申请的权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种水泥浆体系，其组分包括：水泥、大温差缓凝剂、大温差降失水剂、抗高温弹性材料、抗高温增韧材料、高温膨胀剂、早强剂和水。
2.根据权利要求1所述的水泥浆体系，其特征在于，所述水泥浆体系的密度为1.88至2.15/cm3。
3.根据权利要求1或2所述的水泥浆体系，其特征在于，以水泥的质量为100份计，大温差缓凝剂2.5至4.5份、大温差降失水剂4至6份、抗高温弹性材料5至6份、抗高温增韧材料0.2至0.25份、高温膨胀剂4至6份、早强剂1至2份，以及水40至80份。
4.根据权要求1至3中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述水泥为G级高抗硫酸盐型油井水泥；
优选地，所述大温差缓凝剂为由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体和衣康酸单体形成的嵌段共聚物，其相对分子量为2至8万；
优选地，所述大温差降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酸-丙烯酰胺三元嵌段共聚物，其相对分子量为80至120万；
优选地，所述抗高温弹性材料包括选自丁腈橡胶粉、天然橡胶粉和丁苯胶粉中的一种；
优选地，所述抗高温增韧材料包括选自聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维中的一种；
优选地，所述高温膨胀剂包括选自氧化镁、氧化钙和钙矾石中的至少一种；
优选地，所述早强剂包括选自氯化钠、氯化钾和硅酸钠中的至少一种。
5.根据权要求1至4中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述水泥浆体系还包括高温强度稳定材料、加重剂和分散剂中的至少一种。
6.根据权要求5所述的水泥浆体系，其特征在于，以水泥的质量为100份计，高温强度稳定材料35至60份，加重剂40至70份，分散剂0.25至1份。
7.根据权要求5或6所述的水泥浆体系，其特征在于，所述高温强度稳定材料包括硅粉和/或微硅；优选地，所述硅粉的中值粒径为80目至180目，更优选地，所述微硅的中值粒径为1000目至1200目；
优选地，所述加重剂为铁矿粉，优选地，所述铁矿粉的中值粒径为200至250目；
优选地，所述分散剂为磺化丙酮-甲醛缩聚物，优选地，所述磺化丙酮-甲醛缩聚物的相对分子量为4000至10000。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的水泥浆体系的制备方法，其包括如下步骤：
1)将水泥、抗高温弹性材料和高温膨胀剂混拌均匀，得到干混材料；
2)将大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂和水混拌均匀，得到湿混材料；
3)将所述干混材料倒入所述湿混材料中，然后加入抗高温增韧材料，搅拌均匀，从而制得所述水泥浆体系。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在第一搅拌速率下将所述干混材料倒入所述湿混材料中，然后在第二搅拌速率下加入所述抗高温增韧材料，并在所述第二搅拌速度下搅拌，从而制得所述水泥浆体系；
优选地，所述第一搅拌速度为3800至4200r/min。
优选地，在所述第一搅拌速度下在15秒之内将所述干混材料倒入所述湿混材料中。
优选地，所述第二搅拌速度为11500至12500r/min。
优选地，在所述第二搅拌速度下搅拌34至36秒。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，在所述水泥浆体系还包括高温强度稳定材料和/或加重剂时，所述高温强度稳定材料和/或加重剂与水泥、抗高温弹性材料和高温膨胀剂混拌均匀，得到所述干混材料；优选地，所述水泥浆体系中还包括分散剂时，所述分散剂与大温差缓凝剂、大温差降失水剂、早强剂、分散剂和水混拌均匀，得到所述湿混材料。
11.根据权利要求1至7中任意一项所述的水泥浆体系或根据权利要求8至10中任意一项所述的制备方法制得的所述水泥浆体系在长封固段大温差固井中的应用；
优选地，所述的制备方法制得的所述水泥浆体系在井底温度不高于140℃和/或顶底温差不大于80℃的长封固段大温差固井中的应用。
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