一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆制造技术

本发明专利技术公开了一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，由以下各组分按重量份组成：100份G级油井水泥，30‑120份加重材料，10‑30份高温增强材料，2‑10份杂合纳米增强增韧剂，0.5‑2份分散剂，0.5‑4份降失水剂，0.2‑2份缓凝剂，0.1‑1份消泡剂和40‑60份清水。杂合纳米增强增韧剂的制备如下：（1）将苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和引发剂缓慢滴入聚乙二醇甲基丙烯酸酯水溶液中，反应4～5 h；（2）分别将氧化石墨、纳米二氧化硅溶解于水中，混合后在55～60℃条件下超声处理30～50min；（3）将上述产物混合后在55～60℃条件下超声处理30～50 min。本发明专利技术的施工性能完全满足现场要求，水泥石具有高强度和低弹性模量的力学性能，具有广阔的市场应用前景。

A high temperature resistant high strength low elastic modulus cement slurry

The invention discloses a high strength, low elastic modulus and high density cement slurry with high temperature resistance, which is composed of the following components by weight: 100 parts G grade oil well cement, 30 120 weighting materials, 10 30 high temperature reinforcing materials, 2 10 hybrid nano reinforcing and toughening agents, 0.5 2 dispersing agents, 0.5 4 water loss reducing agents, 0.2 2 retarding setting materials. Agent, 0.1, 1, defoamer and 40, 60 pieces of clean water. The preparation of hybrid nano-reinforcement and toughening agent is as follows: (1) Sodium styrene sulfonate, methacryloyloxyethyl trimethyl ammonium chloride and initiator are slowly dripped into polyethylene glycol methacrylate aqueous solution and reacted for 4-5 h; (2) Graphite oxide and nano-silica are dissolved in water respectively, and mixed at 55-60 (?) Ultrasonic treatment for 30-50 minutes; (3) mixing the above products and ultrasonic treatment for 30-50 minutes at 55-60 (?) The construction performance of the invention fully meets the field requirements, and the cement paste has the mechanical properties of high strength and low elastic modulus, and has a broad market application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆
本专利技术涉及一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，属于石油天然气勘探开发领域。
技术介绍
随着勘探开发的深入，深井或超深井固井数量越来越多，高密度或者超高密度水泥浆的使用愈加普遍，目前的高密度水泥浆固井技术还不能满足高温高压天然气井、酸性油气井等复杂井的固井质量要求。高密度水泥浆固井技术难度大，主要很难同时满足施工性能和封固性能都好的要求，具体包括以下几个方面：(1)各材料之间密度、颗粒大小差别较大，容易产生小颗粒轻质材料上浮、大颗粒重质材料下沉的现象，高密度水泥浆体系沉降稳定性差；(2)由于加重材料为惰性材料，不参与水化，仅起加重填充作用，高密度水泥浆体系强度相对低、发展慢；(3)水泥石在临界温度120℃以上时会产生衰退，温度越高，强度衰减程度越严重；(4)高密度水泥石的脆性大，在受力环境恶劣的情况下易破损，造成水泥环完整性失效。本专利技术优选了合适粒度分布的加重材料、抑制水泥石强度衰退的高温增强材料、能够对水泥石实现韧性改造的增韧材料等高性能外掺料，依据紧密堆积理论，合理设计加重材料、高温增强材料、增韧材料的种类及粒度分布，制备了GO/nSiO2杂合纳米增强增韧剂，开发了高效高温增强材料，使得配制的水泥浆不仅施工性能(失水、流变性、沉降稳定性等)满足要求，而且水泥石在高温条件下具有高强度和低弹性模量的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，失水低、流变性好、沉降稳定性好，施工性能完全满足现场要求，而且水泥石具有高强度和低弹性模量的力学性能，可广泛应用于高温高压天然气井、酸性油气井等复杂井的固井，具有广阔的市场前景。为达到以上技术目的，本专利技术提供以下技术方案。一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，由以下各组分按重量份组成：100份G级油井水泥，30-120份加重材料，10-30份高温增强材料，2-10份杂合纳米增强增韧剂，0.5-2份分散剂，0.5-4份降失水剂，0.2-2份缓凝剂，0.1-1份消泡剂和40-60份清水。所述杂合纳米增强增韧剂，通过以下过程制备：(1)将苯乙烯磺酸钠(SSS)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和引发剂在温度70～80℃和氮气保护条件下缓慢滴入聚乙二醇甲基丙烯酸酯(MAPEG)的水溶液中，滴完继续反应4～5h，将反应物冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值至7～9，得到一种黄褐色粘性液体，即具有梳型结构的聚羧酸分散剂，所述SSS和MAPEG的摩尔比为1:1～1.5；所述DMC为SSS和MAPEG总质量的3～4％；所述MAPEG的水溶液的质量浓度为30～40％；所述引发剂为硫酸铵和亚硫酸钠的混合物，硫酸铵和亚硫酸钠的摩尔比2～4:1，引发剂用量为SSS和MAPEG总质量的4～6％；(2)选取平均粒径为5～8μm的氧化石墨(GO)和平均粒径为12～15nm的球形纳米二氧化硅(nSiO2)，取0.6～1重量份氧化石墨溶解于20重量份水中，将氧化石墨水溶液在55～60℃条件下超声处理30～50min和磁力搅拌1～2h后，得到氧化石墨纳米片层分散液；将18～20重量份纳米二氧化硅溶解于50～60重量份水中，磁力搅拌15～20min后，得到纳米二氧化硅水溶液；将纳米二氧化硅水溶液和氧化石墨纳米片层分散液混合后在55～60℃条件下超声处理30～50min，得到杂合纳米二氧化硅-氧化石墨分散液；(3)将6～8重量份聚羧酸分散剂倒入80～100重量份杂合纳米二氧化硅-氧化石墨分散液中，将混合溶液在55～60℃条件下超声处理30～50min后，得到杂合纳米增强增韧剂。所述加重材料为120目和400目的铁矿粉1:1混配组成。所述高温增强材料为羟基磷灰石(粒径不大于15微米)、莫来石(粒径不大于15微米)、海泡石(粒径不大于15微米)、超细石英砂(粒径不大于15微米)、偏高岭土(粒径不大于15微米)中的一种或多种混合物。所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂。所述降失水剂为聚乙烯醇类或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物。所述缓凝剂为改性淀粉或有机磷酸盐类。所述消泡剂为磷酸三丁酯。以上物质均为市售。所述抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆的制备方法如下：将加重材料、高温增强材料、分散剂、降失水剂与水泥干混均匀备用；将缓凝剂、消泡剂、纳米增强增韧剂与清水湿混均匀得到拌合水，将其转入搅拌器中；搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，在15秒内将干混料均匀加入到拌和水中，盖上搅拌器的盖子，高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术通过紧密堆积设计了加重材料、高温增强材料、增韧材料的粒度分布，使得干混料的堆积率达0.8以上，有利于提高高密度水泥浆强度；(2)本专利技术中杂合纳米增强增韧剂结合了氧化石墨纳米片层和球形纳米二氧化硅的双重优势，既能发挥出氧化石墨纳米片层的增强增韧效果，又能发挥出纳米二氧化硅的火山灰活性，且通过新型聚羧酸分散剂的表面改性，可以保证杂合纳米二氧化硅-氧化石墨材料在水泥浆碱性环境中具有较好的分散性；(3)本专利技术中杂合纳米增强增韧剂能抗温250℃以上，有效改善高密度水泥石高温条件下的力学性能，提高高密度水泥石的强度和韧性；(4)本专利技术中高温增强材料，保证120℃以上高密度水泥石强度不仅不衰退，反而进一步提高，比采用常规石英砂掺量更低，抗水泥石高温衰退效果更好；(5)油井水泥和加重材料、高温增强材料、杂合纳米增强增韧剂这些组分材料的颗粒组合在一起形成的粒度级配曲线，和最佳粒度分布曲线接近，大小颗粒合理分布，小颗粒进入大颗粒孔隙中，对大颗粒有粘附性，改善了高密度水泥浆的易沉降性。综上所述，本专利技术不仅施工性能(低失水、流变性好、沉降稳定性好等)满足要求，而且水泥石力学性具有高强度和低弹性模量的特点。高密度水泥石在120-180℃以上养护7天强度50MPa以上，28天强度80兆帕以上，同时弹性模量低于7GPa，能满足高温高压天然气井、酸性油气井等复杂井的固井质量要求。具体实施方式下面通过实施例进一步说明本专利技术。实施例1制备密度为2.3g/cm3的抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，过程如下：取100份水泥，84份加重材料，25份高温增强材料，0.85份分散剂，2份降失水剂。将加重材料、高温增强材料、分散剂、降失水剂与水泥干混均匀备用；取5份杂合纳米增强增韧剂，1份缓凝剂，0.5份消泡剂，55份清水。将杂合纳米增强增韧剂、缓凝剂、消泡剂与清水湿混均匀得到拌合水，将其转入搅拌器中；搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，在15秒内将干混料均匀加入到拌和水中，盖上搅拌器的盖子，高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得密度为2.3g/cm3的抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆。按照API规范测试固井水泥浆的工程性能和水泥石力学性能，分别见表1和表2。表1实施例1制备的的水泥浆的工程性能(135℃)表2实施例1制备的水泥石的力学性能(135℃养护7天)实施例2制备密度为2.4g/cm3的抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，过程如下：取100份水泥，100份加重材料，25份高温增强材料，0.85份分散剂，2份降失水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，由以下各组分按重量份组成：100份G级油井水泥，30‑120份加重材料，10‑30份高温增强材料，2‑10份杂合纳米增强增韧剂，0.5‑2份分散剂，0.5‑4份降失水剂，0.2‑2份缓凝剂，0.1‑1份消泡剂和 40‑60份清水。

【技术特征摘要】
1.一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，由以下各组分按重量份组成：100份G级油井水泥，30-120份加重材料，10-30份高温增强材料，2-10份杂合纳米增强增韧剂，0.5-2份分散剂，0.5-4份降失水剂，0.2-2份缓凝剂，0.1-1份消泡剂和40-60份清水。2.如权利要求1所述的一种抗高温的高强度低弹模高密度水泥浆，其特征在于，所述杂合纳米增强增韧剂，通过以下过程制备：（1）将苯乙烯磺酸钠SSS、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵DMC和引发剂在温度70～80℃和氮气保护条件下缓慢滴入聚乙二醇甲基丙烯酸酯MAPEG的水溶液中，反应4～5h，将反应物冷却至室温，调节pH值至7～9，得到聚羧酸分散剂，所述SSS和MAPEG的摩尔比为1:1～1.5，所述DMC为SSS和MAPEG总质量的3～4%，所述MAPEG的水溶液的质量浓度为30～40%，所述引发剂为硫酸铵和亚硫酸钠的混合物，硫酸铵和亚硫酸钠的摩尔比2～4:1，引发剂用量为SSS和MAPEG总质量的4～6%；（2）取0.6～1重量份氧化石墨溶解于20重量份水中，将氧化石墨水溶液在55～60℃条件下超声处理30～50min和磁力搅拌1～2h后，得到氧化石墨纳米片层分散液；将18～20重量份纳米二氧化硅溶解于50～60重量份水中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘慧婷，于永金，靳建洲，徐明，李明，刘硕琼，冯宇思，张弛，刘子帅，张华，程小伟，丁志伟，周崇峰，
申请(专利权)人：中国石油集团工程技术研究院有限公司，西南石油大学，
类型：发明
国别省市：北京,11