CN114350334B - 一种抗高温韧性固井水泥浆体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高温韧性固井水泥浆体系，涉及油气田开发固井材料技术领域。该固井水泥浆体系按重量百分比计由以下原料组成：低水化热水泥：47wt%～60wt%；高温强度稳定材料：25wt%～30wt%；高温强度增强材料：10wt%～15wt%；高温增韧材料：2wt%～5wt%；高温稳定剂：2wt%，分散剂0.5wt%；所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉混合而成的混合物；所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂。本发明的抗高温韧性固井水泥浆体系具有抗高温强度衰退和高韧性的优点，能够有效缓解水泥石在高温条件下发生的强度衰退以及韧性不足的难题，满足油气井固井的要求。

Description

一种抗高温韧性固井水泥浆体系

技术领域

本发明属于油气田开发固井材料技术领域，更具体地说涉及一种抗高温韧性固井水泥浆体系。

背景技术

随着浅层油气资源的日益枯竭，油气资源勘探和开发逐渐走向深部地层，深井以及超深井数量正在逐年增长。而随着油气井深度的增加，井底温度超200 ℃的高温深井、超深井逐渐增多，高温、超高温下对水泥浆性能提出了更高的要求。特别是在超高温环境下，国内常规硅酸盐加砂水泥浆体系暴露出诸多问题，水泥石高温强度衰退、开裂差等问题尤为突出。国外如斯伦贝谢、哈里伯顿等公司都具有抗温能力超过 200 ℃的硅酸盐水泥浆体系，国内则缺乏温度在 200 ℃以上且综合性能稳定的硅酸盐水泥浆体系，因此，抗高温固井水泥浆体系的研发对于我国油气资源的开发具有特殊意义。

固井后套管-水泥环-地层会形成一个胶结体，即固井屏障。固井屏障在油气井生产过程中，要受到各种载荷的作用，会导致固井屏障密封系统失效。因此，固井水泥浆不仅要具有满足管柱封固和层间封隔的要求，而且需要能抵抗井下复杂作业载荷的破坏，同时防止固井作业过程中发生气窜问题和长期的水泥石完整性，才能充分满足油气井固井以及后续油气生产的要求。

目前，向水泥浆中加入橡胶颗粒、纤维或乳胶等方式是提高水泥石韧性的主要方法。但是，橡胶颗粒和纤维成本较高，且会使水泥浆的流变性变差，并破坏水泥浆在高温下的沉降稳定性；乳胶的制备较为复杂，其与其他固井外加剂的配伍性较差。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种抗高温韧性固井水泥浆体系，本发明的发明目的在于解决水泥石在高温条件下发生的强度衰退以及韧性不足的问题。本发明的抗高温韧性固井水泥浆体系具有抗高温强度衰退和高韧性的优点，能够有效缓解水泥石在高温条件下发生的强度衰退以及韧性不足的难题，满足油气井固井的要求。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明提供了一种抗高温韧性固井水泥浆体系，该固井水泥浆体系按重量百分比计由以下原料组成：

低水化热水泥：47.5wt%～60.5wt%；

高温强度稳定材料：25wt%～30wt%；

高温强度增强材料：10wt%～15wt%；

高温增韧材料：2wt%～5wt%；

高温稳定剂：2wt%；

分散剂：0.5wt%

所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉混合而成的混合物；所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂。

所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉按照1:1比例混合而成的混合物。

所述低水化热水泥的C₂S含量≥40%，比表面积为280-330m²/Kg,7d水化热≤240kJ/kg。

所述高温强度稳定材料为废弃耐火砖粉，SiO₂含量≥95%，粉体细度≥800目。

所述有机硅树脂微粉为白色粉末，有效物质含量＞99%，粉体细度≥800目。

所述高温稳定剂为黏土矿物。

所述分散剂为醛酮缩合物。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明的固井水泥浆体系具有良好的高温外加剂适应性和高抗压强度。本发明采用低热水泥在高温水热环境条件下，具有更好的抗压强度稳定性和外加剂适应性，低热水泥中硅酸二钙含量高、水泥比表面积小，在高温条件下的水化温度更慢，水化产物中氢氧化钙含量更低，需要的高温强度稳定剂和高温强度增强剂加量更少，提高了水泥水化产物的均匀性，通过改善水泥高温水化产物的微观、介观结构分布，有效提高高温固井水泥高温强度稳定性。

2、本发明中采用废弃耐火砖粉作为高温强度稳定材料，具有绿色环保，成本低廉的优点，其主要成分份二氧化硅为主，从成分上满足高温固井材料的性能需求，能够有效将固废进行再次利用。

3、高温增强材料抗高温能力强，在油井水泥外掺料中加入其能抵抗热冲击，提高高温强度，预防高温环境下，水泥石强度衰退；加入的有机硅树脂粒径小，分子主链结构是-O-Si-O-，硅氧键很稳定，不容易断开，在水泥内部能够起到充填作用，降低孔隙数量及大小，从而使水泥石表现出耐高温，强度不衰退性能。

4、在水泥浆反应过程中，高温增韧微粒与水泥浆颗粒之间。相互穿插，彼此聚集，提高基体内部各水化产物之间胶结强度。由于高温增韧微粒所具有的结构具有较强的柔性作用，使得应力相对分散，降低了水泥石的脆性，也在一定程度上提高了水泥石的弹韧性。

5、本发明中利用废弃耐火砖二氧化硅含量高，比表面积大，表面活性高等特点保证了水泥浆体系的钙硅比及高温强度。高温增强材料为有机基团与无机结构的相互配合，增强了材料的机械性能及柔性。高温韧性材料是一种主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，由于其特殊的结构不仅可以提高材料的柔性，而且还能在一定程度上增强材料的机械强度。依据协同增效的作用原理，有机材料与无机材料的相互配合，具有绿色环保，耐高温，机械强度高，柔性好，成本低的特点。

附图说明

图1为实施例1中1#试样的稠化试验曲线；

图2为实施例1中2#试样的稠化试验曲线；

图3为实施例1中3#试样的稠化试验曲线。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中低水化热水泥为嘉华特种水泥股份有限公司提供，高温缓凝剂和高温降失水剂均为四川旭冉鸿宸新材料有限公司提供，高温稳定剂为黏土类矿物。高温缓凝剂为AMPS类聚合物；高温降失水剂2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；分散剂为醛酮缩合物实施例中无特殊说明的，均为重量百分比。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了一种抗高温韧性固井水泥浆体系，采用低水化热水泥为基础水泥，其中，C₂S含量≥40%，比表面积为280-330m²/Kg，7d水化热≤240kJ/kg；具体组分如下表所示：

所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂；所述高温强度稳定材料为废弃耐火砖粉，SiO₂含量≥95%，粉体细度≥800目。所述有机硅树脂微粉为白色粉末，有效物质含量＞99%，粉体细度≥800目。所述高温稳定剂为黏土。按上表中的具体成分比例取原料混合，按照GB/T19139制备水泥浆，水灰比0.44的固井水泥浆体系。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种抗高温韧性固井水泥浆体系，采用低水化热水泥为基础水泥，其中，C₂S含量≥40%，比表面积为280-330m²/Kg，7d水化热≤240kJ/kg；具体组分如下表所示：

所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂；所述高温强度稳定材料为废弃耐火砖粉，SiO₂含量≥95%，粉体细度≥800目。所述有机硅树脂微粉为白色粉末，有效物质含量＞99%，粉体细度≥800目。所述高温稳定剂为黏土。按上表中的具体成分比例取原料混合，按照GB/T19139制备水泥浆，水灰比0.44的固井水泥浆体系。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种抗高温韧性固井水泥浆体系，采用低水化热水泥为基础水泥，其中，C₂S含量≥40%，比表面积为280-330m²/Kg，7d水化热≤240kJ/kg；具体组分如下表所示：

所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂；所述高温强度稳定材料为废弃耐火砖粉，SiO₂含量≥95%，粉体细度≥800目。所述有机硅树脂微粉为白色粉末，有效物质含量＞99%，粉体细度≥800目。所述高温稳定剂为黏土。按上表中的具体成分比例取原料混合，按照GB/T19139制备水泥浆，水灰比0.44的固井水泥浆体系。

对比例1：对比实施例的方案为常规高温固井水泥，具体组分为G级高抗油井水泥62.5%、硅砂35%、高温稳定剂2%、分散剂0.5%。水灰比0.44。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，本实施例中，将上述实施例1-3及对比例1中得到的水泥浆样品，倒入铜模成型后放入高温养护釜中养护，养护温度为150℃、210℃和260℃，养护周期为2d、7d、28d。采用NYSQ-2017压力试验机进行抗压强度测试，检测结果如下表所示：

由上表中的数据可知，实施例1-3在各个养护温度下养护一定的龄期后，抗压强度并未出现衰退的现象，而对比例1出现强度衰退。本发明中的技术方案所提供的水泥浆体系，内部结构密实度较高，抗高温性能更好。

实施例5

作为本发明又一较佳实施例，本实施例中，将上述实施例1-3及对比例1中得到的水泥浆样品，倒入铜模成型后放入高温养护釜中养护，养护温度为150℃、210℃和260℃，养护周期为14d。对养护成型后的水泥石进行取芯，之后进行三轴力学性能测试。水泥石力学测试标准依据GB/T50266-2013《工程岩体试验方法标准》，实验所用设备RTR-1000型三轴岩石力学测试，检测结果如下表所示：

从上表中的测试结果数据可以看出：在合理调控范围内，同等条件下实施例1-3相对于对比例1，水泥石弹性模量降低明显（表示水泥石力学变形能力提高，能更好地抑制微环隙形成）。可有效解决高温环境下水泥石韧性不足的问题。

实施例6

作为本发明又一较佳实施例，本实施例是对实施例1中得到的水泥浆稠化时间的考察。将3份实施例1中的水泥浆样品，开展210℃高温稠化试验，稠化时间件下表所示，稠化试验曲线将附图1、附图2和附图3所示：

根据上表中的实验数据以及附图1、附图2和附图3，可以看出：实施例1中得到的抗高温韧性固井水泥体系稠化时间可调，说明本发明的抗高温韧性固井水泥浆体系中各组分物质与高温缓凝剂、降失水剂等具有良好的配伍性，安全可泵时间可控，有利于提高高温固井作业施工安全。

通过上述案例可知，采用本发明中的技术方案，利用胶凝材料，加入特定的高温强度稳定剂、高温强度增强剂后，有效改善了固井水泥的韧性及高温强度稳定性，得到的水泥浆固化后的产物同时具有优良的抗高温性能及韧性，能够满足高温固井工程的水泥浆的性能要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种抗高温韧性固井水泥浆体系，其特征在于，该固井水泥浆体系按重量百分比计由以下原料组成：

低水化热水泥：47.5wt%～60.5wt%；

高温强度稳定材料：25wt%～30wt%；

高温强度增强材料：10wt%～15wt%；

高温增韧材料：2wt%～5wt%；

高温稳定剂：2wt%；

分散剂：0.5%；

所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉混合而成的混合物；所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂；所述高温强度稳定材料为废弃耐火砖粉，SiO₂含量≥95%，粉体细度≥800目；所述高温稳定剂为黏土矿物。

2.如权利要求1所述的一种抗高温韧性固井水泥浆体系，其特征在于：所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉按照1:1比例混合而成的混合物。

3.如权利要求1或2所述的一种抗高温韧性固井水泥浆体系，其特征在于：所述低水化热水泥的C₂S含量≥40%，比表面积为280-330m²/Kg,7d水化热≤240kJ/kg。

4.如权利要求1或2所述的一种抗高温韧性固井水泥浆体系，其特征在于：所述有机硅树脂微粉为白色粉末，有效物质含量＞99%，粉体细度≥800目。

5.如权利要求1或2所述的一种抗高温韧性固井水泥浆体系，其特征在于：所述分散剂为醛酮缩合物。

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