CN112830723A

CN112830723A - 一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系

Info

Publication number: CN112830723A
Application number: CN202110219984.2A
Authority: CN
Inventors: 符铁松; 李早元; 黄盛�; 薛元陶
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2021-05-25

Abstract

本发明公开了一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系，属于水泥浆体系技术领域，该水泥浆体系包含以下重量份数的组分：100份水泥、2～5份增韧材料、4～10份弹性材料、3～20份增强材料、10～45份高温强度稳定剂、0～120份密度调节剂、0.5～1份分散剂、2～4份缓凝剂、3～7份降失水剂、0.1～1份消泡剂。本发明的水泥浆通过向水泥浆中加入新型弹韧性材料，让水泥石具有高强度、低弹模、低渗透等特点，改善水泥环受到冲击时的应力变形，以满足页岩油气井现场应用的要求。

Description

一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系

技术领域

本发明属于水泥浆体系领域，具体涉及一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系。

背景技术

页岩油气是蕴藏于页岩层可供开采的新型能源，中国探明的页岩油气可采储量较大，但长期以来由于页岩气的的开采技术不成熟，页岩油气开发程度较低，近年来，随着水平井以及大型水力压裂等技术的应用使得页岩油气具有了商业开采的价值，但其独特的开采方式易于对固井产生不利影响且对固井质量提出更高的要求。

页岩油气井由于自然产能极低，需要采用水力压裂的手段进行储层改造，达到增产的目的，但水力压裂所产生巨大的冲击力会使得水泥环产生一定的形变，水泥环质量较差时，这会导致水泥环产生裂缝，情况严重时会导致水泥环破碎，严重影响固井施工安全和固井质量。

目前国内外页岩油气井固井时通常向水泥浆中加入弹韧性材料来改善水泥环的弹韧性，如专利CN105254226A《弹性水泥浆及其制备方法》中，通过加入树脂，橡胶粉或胶乳来改善水泥石的弹性；专利CN104371678《一种膨胀韧性固井水泥浆及其制备方法》中，通过加入纤维以及膨胀剂改善水泥石的韧性。但目前弹性材料胶乳存在环境污染严重，加量大，价格贵的问题；树脂存在耐温性较差的问题；橡胶粉与水泥石基体的胶结能力差的问题。而目前韧性材料如纤维的缺点是分散性差，混拌困难，与水泥石基体胶结差且纤维自身的强度和弹性模量低，无法有效提高水泥石的抗拉强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系，通过向水泥浆中加入新型弹韧性材料，让水泥石具有高强度、低弹模、低渗透等特点，改善水泥环受到冲击时的应力变形，以满足页岩油气井现场应用的要求。

为了达到上述目的，本发明提供了一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系，该水泥浆体系包含以下重量份数的组分：100份水泥、2～5份增韧材料、4～10份弹性材料、3～20份增强材料、10～45份高温强度稳定剂、0～120份密度调节剂、0.5～1份分散剂、2～4份缓凝剂、3～7份降失水剂、0.1～1份消泡剂；所述增韧材料选自氧化铝纳米线、碳化硅纳米线和氧化锌纳米线中的任意一种，所述增韧材料的纳米线的直径为10～200纳米，具有一维结构；所述弹性材料选自改性橡胶粉，该改性橡胶粉是将200目橡胶粉经低温等离子改性制得的；所述增强材料选自超细水泥、纳米二氧化硅和液硅中的任意一种，所述高温强度稳定剂选自石英砂；所述密度调节剂为减轻剂或加重剂，所述减轻剂选自空心玻璃微珠或空心陶瓷微珠，所述加重剂选自铁矿粉或重晶石粉；所述分散剂选自酮醛缩合物分散剂；所述缓凝剂选自耐高温的AMPS类缓凝剂；所述降失水剂选自耐高温的AMPS类降失水剂；所述消泡剂选自有机硅消泡剂。

本发明的改性橡胶粉相较于未改性前橡胶粉，改性橡胶粉表面润湿性好，能够均匀分散在水泥浆中。本发明通过密度调节剂加入水泥浆，能够有效增大或者降低水泥浆密度，获得不同密度的水泥浆体系，具有密度适应性范围广的特点。

优选地，该水泥浆体系包含以下重量份数的组分：100份水泥、2～5份增韧材料、4～6份弹性材料、3～20份增强材料、10～35份高温强度稳定剂、0～90份密度调节剂、0.5～1份分散剂、2.5～3份缓凝剂、5～6份降失水剂、0.5～1份消泡剂。

优选地，所述增韧材料的纳米线的长度为1～50微米。

优选地，所述改性橡胶粉的水接触角为30.7°～31.2°。

优选地，所述改性橡胶粉的制备，为：将200目橡胶粉经干燥处理后，置于低温等离子仪腔体内，在氧气氛围下，经100～120W高频电源放电处理，所述高频电源放电处理的时间为180～300s。

优选地，所述超细水泥的粒径为2000～5000目，粒径小，水化速率快，加入水泥浆后可促进水泥浆水化。

优选地，所述液硅、纳米二氧化硅的粒径小于100纳米，能增大与水泥浆发生火山灰反应的速率，从而促进水泥浆水化。

优选地，所述石英砂为80目粗硅砂，能够与水泥及超细材料间形成较好的充填且能够与水泥浆高温下与水泥石形成硬硅钙石和莫来石，有效提高了后期的强度。

本发明的页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系，具有以下优点：

本发明的页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆，加入的纳米线材料是一维材料，直径在10～200纳米，一方面可以作为晶核诱导水泥水化产物的生成和长大提高水泥基体的致密性，另一方面该材料具有高强度、高模量特点，能改善水泥的力学性能。而普通的微米甚至毫米级别的纤维由于尺寸大，与水泥基体接触面远大于一维材料，存在强度低以及粘结缺陷等问题。

本发明的页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆，加入的改性弹性材料，通过低温等离子体改性，增大了橡胶颗粒的润湿性，改善了材料在水泥浆中的分散性。在承受载荷时，橡胶颗粒能作为弹性体吸收部分应力，从而减缓套管所受到的应力变形。

本发明的页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆，加入的增强材料(如超细水泥)自身粒径小水化速率快，能够有效增强水泥石早期的强度发展，而加入的高温稳定剂(如石英砂)能在高温下与水泥石形成硬硅钙石和莫来石，有效提高了后期的强度。

附图说明

图1为本发明橡胶粉经等离子体改性前后在水中分散情况图。

图2为本发明实施例2的水泥浆体系用水泥环完整性测试装置测试后水泥环的形貌图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种低密度耐高温弹韧性水泥浆体系，加入的材料有500目G级嘉华水泥浆、600目空心玻璃微珠(减轻剂)、200目改性橡胶粉颗粒(弹性材料)、直径为200纳米且长度为50微米的碳化硅纳米线(增韧材料)、液硅(增强材料)、80目石英砂(高温强度稳定剂)、AMPS类高温降失水剂和缓凝剂(由成都欧美克公司提供)、酮醛缩合物分散剂(由成都川锋化工厂提供)、有机硅消泡剂(东莞市德丰消泡剂公司提供)，以重量份计，具体组分如下表1所示：

表1为实施例1的低密度耐高温弹韧性水泥浆体系的成分

按照GB T19139-2012《油井水泥试验方法》中的步骤把上述材料搅拌制得低密度耐高温弹韧性水泥浆。

实施例2

一种常规密度耐高温弹韧性水泥浆体系，加入的材料有500目G级嘉华水泥浆、200目改性橡胶粉颗粒(弹性材料)、直径为100纳米且长度为50微米的氧化锌纳米线(增韧材料)、2000目超细水泥(增强材料)、80目石英砂(高温强度稳定剂)、AMPS类降失水剂和缓凝剂、酮醛缩合物分散剂、有机硅消泡剂，以重量份计，具体组分如下表2所示：

表2为实施例2的常规密度耐高温弹韧性水泥浆体系的成分

按照GB T19139-2012《油井水泥试验方法》中的步骤把上述材料搅拌制得常规密度耐高温弹韧性水泥浆。

实施例3

一种高密度耐高温弹韧性水泥浆体系，加入的材料有500目G级嘉华水泥浆、300目铁矿粉(加重剂)、200目改性橡胶粉颗粒(弹性材料)、直径为10纳米且长度为1微米的氧化铝纳米线(增韧材料)、纳米二氧化硅(增强材料)、80目石英砂(高温强度稳定剂)、AMPS类降失水剂和缓凝剂、酮醛缩合物分散剂、有机硅消泡剂，以重量份计，具体组分如下表3所示：

表3为实施例3的高密度耐高温弹韧性水泥浆体系的成分

按照GB T19139-2012《油井水泥试验方法》中的步骤把上述材料搅拌制得高密度耐高温弹韧性水泥浆。

对比例1

对比例的组分为100重量份G级水泥、35重量份石英砂、5.5重量份降失水剂和2.5重量份缓凝剂，水灰比为0.44。

实验例1

本发明的改性橡胶粉相较于未改性前橡胶粉，改性橡胶粉表面润湿性好，能够均匀分散在水泥浆中，如图1所示。改性效果随时间和功率的变化如表4所示，可知当功率超过100W，处理时间超过180s后，改性效果提高明显，因此选择改性功率选择为100～120W，时间选择为180～300s。

表4为改性橡胶粉水接触角随等离子体处理功率和时间的变化

实验例2

对实施例1-3及对比例1的水泥浆体系的常规性能进行测试，其中，密度的测量、流动度的测量、API失水的测量、稠化时间的测量均是按照GB/T19139油井水泥试验方法进行的，结果见表5。

表5为实施例1-3及对比例1中的水泥浆的性能测试的结果

注：失水和稠化实验温度为120℃。

从表5可以看出，本发明的水泥浆体系具有密度适应性范围广、稠化时间可调性好、流动度好、失水量低等优点，能够保障固井施工的安全，提高固井的质量。

实验例3

对实施例1-3及对比例1的水泥浆体系凝固后的力学性能进行测试，其中，抗压强度的测量、弹性模量的测量、抗拉强度、渗透率的测量均是按照GB/T19139油井水泥试验方法进行的，结果见表6。

表6为实施例1-3和对比例1中的水泥浆的力学性能测试结果

注：水泥石养护温度为120℃。

从表6可以看出，本发明的水泥浆体系凝固后形成的水泥石具有低弹性模量、高强度和低渗透率等特性，可以有效改善普通水泥石脆性大、渗透率高的缺点，为油气井的长期、安全、有效运行提供技术支撑。

实验例4

对实施例1-3(即实例1-3)的水泥浆体系养护后，用水泥环完整性测试装置模拟在低应力环境和高应力环境下套管内施加内压后水泥环的密封完整性，具体实施方法参见中国发明专利“一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法”(CN104405366A)。

上述低应力环境下密封完整性测试结果如表7所示，高应力环境下密封完整性测试结果如表8所示，实施例2测试后水泥环及套管的形貌如图2所示。

表7为实施例1-3中的水泥浆的低应力环境下密封完整性测试结果

表8为实施例1-3中的高应力环境下密封完整性测试结果

从表7-8和图2可以看出，本发明的水泥浆体系凝固后形成的水泥环在模拟的高、低应力环境下，未出现密封完整性失效的现象，起到了在井下应力环境下，防止套管发生损坏的作用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种页岩油气井耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，该水泥浆体系包含以下重量份数的组分：100份水泥、2～5份增韧材料、4～10份弹性材料、3～20份增强材料、10～45份高温强度稳定剂、0～120份密度调节剂、0.5～1份分散剂、2～4份缓凝剂、3～7份降失水剂、0.1～1份消泡剂；

所述增韧材料选自氧化铝纳米线、碳化硅纳米线和氧化锌纳米线中的任意一种，所述增韧材料的纳米线的直径为10～200纳米，具有一维结构；

所述弹性材料选自改性橡胶粉，该改性橡胶粉是将200目橡胶粉经低温等离子改性制得的；

所述增强材料选自超细水泥、纳米二氧化硅和液硅中的任意一种；

所述高温强度稳定剂选自石英砂；

所述密度调节剂为减轻剂或加重剂，所述减轻剂选自空心玻璃微珠或空心陶瓷微珠，所述加重剂选自铁矿粉或重晶石粉；

所述分散剂选自酮醛缩合物分散剂；

所述缓凝剂选自耐高温的AMPS类缓凝剂；

所述降失水剂选自耐高温的AMPS类降失水剂；

所述消泡剂选自有机硅消泡剂。

2.如权利要求1所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，该水泥浆体系包含以下重量份数的组分：100份水泥、2～5份增韧材料、4～6份弹性材料、3～20份增强材料、10～35份高温强度稳定剂、0～90份密度调节剂、0.5～1份分散剂、2.5～3份缓凝剂、5～6份降失水剂、0.5～1份消泡剂。

3.如权利要求1所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，所述增韧材料的纳米线的长度为1～50微米。

4.如权利要求1所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，所述改性橡胶粉的水接触角为30.7°～31.2°。

5.如权利要求1所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，所述改性橡胶粉的制备，为：将200目橡胶粉经干燥处理后，置于低温等离子仪腔体内，在氧气氛围下，经100～120W高频电源放电处理，所述高频电源放电处理的时间为180～300s。

6.如权利要求1所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，所述超细水泥的粒径为2000～5000目。

7.如权利要求1所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，所述液硅、纳米二氧化硅的粒径小于100纳米。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的耐高温弹韧性水泥浆体系，其特征在于，所述石英砂为80目粗硅砂。