本发明专利技术涉及一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法，该水泥浆体系，包括如下组分组成：油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂、分散剂和水。将油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂和分散剂混合均匀，然后加入水搅拌均匀，即得高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系。本发明专利技术还提供上述水泥浆体系的设计方法。本发明专利技术的水泥浆体系具有较高的抗压强度和韧性，在150℃、30MPa条件下养护1～28天，抗压强度>60MPa，且随着养护时间的延长不发生强度衰退；弹性模量<10GPa，且随养护时间的延长不发生明显的变化。
【技术实现步骤摘要】
一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法
本专利技术涉及一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法，属于油气田开发
技术介绍
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，井底的温度也将相应的提高，部分油气井的井底温度将会超过150℃，甚至达到200℃。另外，我国也拥有丰富的稠油资源，稠油油藏的火烧油层、注蒸汽吞吐等开发技术也会使井底产生150℃～350℃的高温。井底的高温高压环境对固完井工程，尤其对固井水泥浆体系提出了更加严峻的挑战。因此，新型高温固井水泥浆体系的研发对于我国油气资源的勘探与开发具有非常重大的意义。固井的目的是封隔地层和支撑及保护套管。油井水泥是固井作业中最为常用的材料。水泥浆凝固后所形成水泥环的完整性将直接决定固井质量以及油气井的使用寿命，水泥石的力学性能对水泥环完整性有至关重要的影响。在深部地层的水泥环除了受到较高的地层围压外，还会受到油气生产过程中所产生的循环载荷，以及轴向和径向的压力。所以水泥石不仅要具有足够高的抗压强度，还要有较好的韧性，才能充分满足油气井固井以及后续油气生产的要求。目前所常用的油井水泥为一种波特兰水泥，其主要成分为硅酸钙和铝酸钙类的矿物。油井水泥在高温条件下(温度超过110℃)会发生强度下降和渗透率急剧增大的现象，最终导致水泥环完整性失效，难以实现封隔地层和支撑套管的目的。因此，需要对常规的油井水泥浆体系进行优化，改善其在高温下的力学性能。目前防止水泥石高温强度衰退的最普遍的方法为向水泥中掺加30～40％的石英砂或石英粉，通过降低油井水泥中CaO与SiO2(C/S)的摩尔比(钙硅比)，来改善水泥的水化产物并形成更加致密的结构。虽然石英砂的加入可以有效提高水泥石在高温下的抗压强度，但也会明显提升水泥石的弹性模量，即韧性降低。除了最常用的石英砂，也可以用其他添加剂来防止水泥石的强度衰退，如中国专利文件CN105331341A中所涉及的利用高岭土改善水泥石的力学性能，通过生成在高温下不发生晶型转化的具有钙长石结构的水化产物，来防止水泥石的强度衰退，但是高岭石对水泥石强度的提升效果远不如石英砂。目前也开发出适用于高温固井的新型非硅酸盐水泥浆体系，如中国专利文件CN102994058A中所涉及的利用Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O(Na2O+K2O)的组分A以及3CaO·Al2O3·CaSO4、2CaO·SiO2和6CaO·Al2O3·2Fe2O3的组分B按照重量比1:1所配制的高温水泥体系，但是该非硅酸盐水泥石在高温下的抗压强度仍较低。中国专利文件CN102220114A公开了一种可耐200℃的固井用水泥浆，该水泥浆中使用的降失水剂能够有效降低水泥浆的失水量，缓凝剂的耐温能力达230℃以上，并可保证水泥浆的稠化时间可调；减阻剂采用了磺化丙酮甲醛缩聚物，稳定剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/氮乙烯基吡咯烷酮共聚物，保证了水泥浆的稳定性；热稳定剂为二氧化硅固体颗粒普通80目石英砂，提高水泥石的抗压强度和抗渗能力，并且二氧化硅抗高温能力高达350℃。但是，该固井用水泥浆添加有80目石英砂，会明显降低水泥石的韧性，且在高温下的水泥石抗压强度仍有待加强。中国专利文件CN105694832A公开了一种油田固井用耐高温大温差的水泥浆体，原料组分及重量含量如下，G级油井水泥：600份、HS101L降失水剂：(30～36)份、HS201L缓凝剂：(8～20)份、HS-301S分散剂：1.8份、石英砂：150份、微硅粉：30份、HS-XF1S悬浮稳定剂：1.8份、水：(280～300)份和二(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠：1份；石英砂的粒径为80～120目，微硅粉的粒径为300～400目且二氧化硅含量在90％以上。虽然该水泥浆在常温井段有较高的抗压强度，但是随着温度的升高，当养护温度超过150℃时，该水泥浆体系仍会发生强度衰退现象。另外，现有提高水泥石韧性的主要方法是向水泥浆中加入橡胶颗粒、弹性微球、纤维或乳胶。但是，橡胶颗粒和弹性微球会破坏水泥石的均一结构，从而明显降低水泥石的抗压强度；纤维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，与其他固井添加剂的配合也不够理想。因此，需要开发出新型的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，来满足深层油气井和稠油热采井固井的要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系及其制备方法和设计方法，以解决目前油井水泥浆体系耐高温性差、韧性不足的问题。本专利技术的水泥浆体系具有高强度和高韧性的优点，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。可适用于深层油气井和稠油热采井固井，可提高固井质量并延长油气井生产时间。本专利技术的技术方案如下：一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：根据本专利技术，优选的，所述的油井水泥是油井G级水泥、油井H级水泥、油井A级水泥、油井C级水泥中的一种。根据本专利技术，优选的，所述的粗石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.30～2.65g/cm3，颗粒呈圆球形，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％。根据本专利技术，优选的，所述的细石英砂是一种白色无定形固体粉末，密度介于2.40～2.85g/cm3，颗粒呈圆球形，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％。根据本专利技术，优选的，所述的粗石英砂和细石英砂的总加量为油井水泥质量的35％～45％。根据本专利技术，优选的，所述的纳米二氧化硅是纳米二氧化硅粉末、纳米二氧化硅水溶胶中的一种；优选的，所述的纳米二氧化硅的制备方法是化学气相沉积法、液相法、离子交换法、沉淀法和溶胶凝胶法等化学制备方法中的一种，纳米二氧化硅呈非晶形结构。根据本专利技术，优选的，所述的纳米二氧化硅粉末是一种白色无定型固体蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm3，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量≥90％，粉末颗粒为圆球形。根据本专利技术，优选的，所述的纳米二氧化硅水溶胶是一种透明至微乳白的液体，密度介于1.10～1.40g/cm3，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量为25～50％，粉末颗粒为圆球形。根据本专利技术，优选的，所述的纳米二氧化硅的最优加量为油井水泥质量的6％～8％。根据本专利技术，优选的，所述的降失水剂是油田固井常用的丁二烯-苯乙烯胶乳降失水剂、醋酸乙烯酯-乙烯胶乳降失水剂、丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合类降失水剂中的一种或两种以上混合。根据本专利技术，优选的，所述的分散剂是油田固井常用的磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂，或者聚萘磺酸盐分散剂中的一种。根据本专利技术，所述的水可以是淡水、海水和矿化度水中的一种。根据本专利技术，优选的，所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：根据本专利技术，优选的，所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，包括如下质量份的组分组成：根据本专利技术，上述高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系的制备方法，包括步骤如下：将油井水泥、粗石英砂、细石英砂、纳米二氧化硅、降失水剂和分散剂混合均本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，该水泥浆体系包括如下质量份的组分组成：
【技术特征摘要】
1.一种高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，该水泥浆体系包括如下质量份的组分组成：2.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的油井水泥是油井G级水泥、油井H级水泥、油井A级水泥、油井C级水泥中的一种。3.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的粗石英砂密度介于2.30～2.65g/cm3，粒径介于50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％。4.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的细石英砂密度介于2.40～2.85g/cm3，粒径介于10～15μm，二氧化硅质量含量≥95％。5.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的纳米二氧化硅是纳米二氧化硅粉末、纳米二氧化硅水溶胶中的一种；优选的，所述的纳米二氧化硅的制备方法是化学气相沉积法、液相法、离子交换法、沉淀法和溶胶凝胶法等化学制备方法中的一种。6.根据权利要求5所述的高强度高韧性耐高温固井水泥浆体系，其特征在于，所述的纳米二氧化硅粉末密度介于0.60～1.50g/cm3，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量≥90％；优选的，所述的纳米二氧化硅水溶胶密度介于1.10～1.40g/cm3，粒径介于12～30nm，二氧化硅质量含量为25～50％。7.根据权利要求1所述的高强度高韧性耐高温固...
【专利技术属性】
技术研发人员：王成文，陈新，魏晓彤，王瑞和，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37
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