一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系及其制备方法技术

一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，按重量份计包括以下组分：油井水泥100份；硅砂30～40份；聚四氟乙烯粉末3～8份；混合纤维0.3～0.7份；纳米液硅1～3份；消泡剂0.2～1份；降失水剂4～10份；减阻剂0～3份；缓凝剂0.5～4份；水44～50份。该体系在150℃/10MPa的条件下，具有良好的弹韧性，同时能维持较高的抗压强度。该体系能改善高温高压条件下固井水泥石的弹韧性，防止水泥石在高压下、高应力作用下发生脆性破坏，保证水泥石环结构完整性，提高超深井高温高压固井质量，实现超深井高温高压水泥石环的长效封隔性能，保障高温高压超深油气井的井筒安全。

【技术实现步骤摘要】
一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系及其制备方法
本专利技术涉及油气井固井领域，尤其涉及一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系及其制备方法。
技术介绍
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石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。油气井固井水泥石属于有先天微观缺陷的脆性材料，存在着固有的缺陷：①抗拉强度低，在0.69～1.38MPa之间(为抗压强度的1/7～1/12)；②抗破裂性能差，极限延伸率为0.02％～0.06％；③抗冲击强度低，其断裂功为20～80J/m2(结构钢为5×105J/m2)；④弹性模量高(2.5～6.6GPa)，泊松比小(0.15～0.36)。在射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩体/复合体上，可产生高达4×103～2×104MPa的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流”，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实：射孔前CBL/VDL/SBT测井固井质量为优质，而射孔后CBL/VDL/SBT测井质量不合格。针对固井水泥石脆性问题，目前改善水泥石脆性的方法主要有：(1)维材料改善水泥石抗冲击性能，目前，常用纤维增韧材料可分为刚性纤维和非刚性纤维，非刚性纤维又可分为高弹模纤维和低弹模纤维。在纤维增韧油井水泥研究中，不但要提高水泥石的韧性，纤维水泥浆也要有适当的可泵性，故一般采用非刚性纤维作为油井水泥增韧材料。高弹模纤维主要有石棉纤维、玻璃纤维和碳纤维等；低弹模纤维主要有维纶纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和涤纶纤维等。纤维增韧材料具有掺量小、可增加油井水泥石的抗折强度、抗冲击性能和抗压强度等优点。但目前所用的纤维材料耐高温性差，而一些耐高温的玻璃纤维等则太脆，在水泥浆搅拌混浆过程易折断，从而影响期效果。(2)胶乳材料改善水泥石弹塑性，胶乳是一种乳液聚合物，悬浮颗粒的直径一般为0.05～0.5μm，大多数胶乳悬浮液含有约50％的固相。将胶乳加入硅酸盐水泥中即形成胶乳水泥体系，胶乳水泥是聚合物水泥的一种。目前，国内外对胶乳水泥的研究和应用都较多，但在由于现有胶乳材料的耐高温性能较差，长期稳定性较弱等，在高温高压固井中应用仍比较缺乏。(3)弹性颗粒材料改善水泥石弹塑性，弹性颗粒材料主要包括无机颗粒和有机颗粒，粒径一般为75～230μm。无机颗粒主要包括膨润土、硅灰、微珠、活性矿渣和云母粉等；有机颗粒主要包括天然橡胶粉、工业合成橡胶粉、有机玻璃珠等。颗粒材料具有价格低廉、原料易得、改善水泥石的弹性、延缓水泥石裂纹扩展等优点。但缺点是掺量大、不具备胶结能力，并且目前使用的温度最高达到142℃。(4)纳米材料改善水泥石力学性能。但目前纳米材料的作用机理、料径大小、类型和加量等仍不清楚，并且所使用的纳米材料价格昂贵，成本太高。
技术实现思路
本专利技术针对目前现有技术难以满足超深井高温高压固井水泥石弹韧性要求的难题，通过研发抗高温弹韧性外加剂，优选配套抗高温外加剂，构建抗高温弹韧性水泥浆体系。改善高温高压条件下固井水泥石的弹韧性，防止水泥石在高压下、高应力作用下发生脆性破坏，保证水泥石环结构完整性，提高超深井高温高压固井质量，实现超深井高温高压水泥石环的长效封隔性能，保障高温高压超深油气井的井筒安全。本专利技术所采用的技术方案是：一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，按重量份计包括以下组分：根据本专利技术，优选的，所述的油井水泥可以是API油井G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，所述的硅砂是一种白色无定形固体粉末，密度范围为2.30～2.65g/cm3，颗粒呈圆球形，粒径范围为50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％。根据本专利技术，优选的，所述的聚四氟乙烯粉末为黑色固体粉末，粒径介于50～100μm，密度范围为1.4～1.95g/cm3，四氯乙烯粉末表面采用自聚成膜改性方法。根据本专利技术，优选的，所述的聚四氟乙烯材料的表面改性方法如下：所述的聚四氟乙烯颗粒材料，是将工业加工过程中所产生的聚四氟乙烯塑料废弃边角料，先进行粉碎到75～125μm，然后将聚四氟乙烯颗粒装入搅拌器中，以150～300转/分钟的转速进行搅拌，同时以1mm喷嘴、0.3MPa压力均匀喷洒8～15g/L盐酸多巴胺与23～55g/L三乙醇胺的混合溶液，喷洒时间为5-10秒钟，喷洒结束后继续搅拌10-15分钟，然后将聚四氟乙烯颗粒平铺在空气放置24-36小时，使其表面粘附的盐酸多巴胺物质在空气中氧化自聚，在聚四氟乙烯颗粒表面形成亲水性薄膜，改善了聚四氟乙烯颗粒的亲水性，有利于分散和与水泥材料粘胶。根据本专利技术，优选的，所述的混合纤维为玄武岩纤维与聚丙烯纤维混合，玄武岩纤维长度优选为3～5mm，聚丙烯纤维优选为5～7mm，其中玄武岩纤维与聚丙烯纤维的质量份数比例为7:3。根据本专利技术，优选的，所述的纳米液硅是一种透明的液体，密度范围为1.10～1.40g/cm3，粒径范围为20～50nm，二氧化硅质量含量为35％～45％，颗粒呈圆球形。根据本专利技术，优选的，所述的消泡剂为硅醚共聚类、有机硅氧烷、聚醚类消泡剂至少一种。根据本专利技术，优选的，所述的高温降失水剂的重均分子量为75万至90万；其是由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)单体形成的高分子共聚物，和/或由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺和马来酸酐(MA)单体形成的高分子共聚物；根据本专利技术，优选的，所述的减阻剂的重均分子量为25万至35万，其为磺化甲醛-丙酮的缩聚物。根据本专利技术，优选的，所述的高温缓凝剂的重均分子量为40万至55万；其是由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和丙烯酸单体形成的高分子共聚物，和/或由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和衣康酸(IA)单体形成的高分子共聚物。根据本专利技术，优选的，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，上述抗高温弹韧性防窜水泥浆体系的制备方法，包括步骤如下：将油井水泥、硅砂、聚四氟乙烯粉末、混合纤维，然后加入水、纳米液硅、消泡剂、减阻剂、降失水剂和缓凝剂搅拌均匀，即得抗高温弹韧性防窜水泥浆体系。本专利技术通过在水泥浆中加入聚四氟乙烯粉末、聚丙烯纤维和玄武岩纤维混合纤维、纳米材料形成高温弹韧性防窜水泥浆体系。其中聚四氟乙烯粉末起到缓冲作用，吸收部分能量，提高水泥石抗冲击性能，聚四氟乙烯，商品名为“特氟龙”，具有极好的化学惰性，不溶于强酸、强碱和各种有机溶剂，并且耐高温、耐低温、热稳定性优良。聚四氟乙烯优秀的性能，可加在油井水泥中，改善高温条件下水泥石的塑性，提高固井水泥石防窜能力。但是，聚四氟乙烯中氟原子电负性大，且四氟乙烯单体对称性极好，使得聚四氟乙烯具有较低的表面能，材料表面具有显著的疏水性和不粘性，这限制了它在油井水泥中的分散、胶结性以及应用。目前对聚四氟乙烯材料表面进行处理有湿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，其特征在于，按重量份计包括以下组分：/n

【技术特征摘要】
1.一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，其特征在于，按重量份计包括以下组分：





2.如权利要求1所述的抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，其特征在于，所述的硅砂粒径范围为50～90μm，二氧化硅质量含量≥95％；所述的纳米液硅密度范围为1.10～1.40g/cm3，粒径范围为20～50nm，二氧化硅质量含量为35％～45％，颗粒呈圆球形。


3.如权利要求1或2所述的抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，其特征在于，所述的聚四氟乙烯粉末为黑色固体粉末，粒径范围为50～100μm，密度范围为1.4～1.95g/cm3，四氯乙烯粉末表面采用自聚成膜改性。


4.如权利要求3所述的抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，其特征在于，所述的聚四氟乙烯粉末表面自聚成膜改性方法如下：所述的聚四氟乙烯是将工业加工过程中所产生的聚四氟乙烯塑料废弃边角料，先进行粉碎到75～125μm，然后将聚四氟乙烯颗粒装入搅拌器中，以150～300转/分钟的转速进行搅拌，同时以1mm喷嘴、0.3MPa压力均匀喷洒8～15g/L盐酸多巴胺与23～55g/L三乙醇胺的混合溶液，喷洒时间为5-10秒钟，喷洒结束后继续搅拌10-15分钟，然后将聚四氟乙烯颗粒平铺在空气中放置24-36小时，使其表面粘附的盐酸多巴胺物质在空气中氧化自聚，在聚四氟乙烯颗粒表面形成亲水性薄膜。


5.如权利要求1或2或4所述的抗高温弹韧性防窜水泥浆体系，其特征在于，所述的混合纤维为玄武岩纤维与聚丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斐，易浩，路飞飞，赫英状，张俊，李双贵，刘晓民，罗发强，贾晓斌，樊艳芳，李光乔，陈培亮，李文霞，王居贺，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，
类型：发明
国别省市：北京;11