适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系及其组成制造技术

本发明专利技术涉及油气田钻井固井技术领域，具体公开了一种适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系及其组成，所述水泥浆体系包括如下质量份的组分：油井水泥100份，中空玻璃微珠0～25份，纳米二氧化硅2.0～5.0份，水性环氧树脂2.5～12.0份，水性环氧固化剂3.1～15.5份，降失水剂0.6～1.2份，减阻剂0.40～0.85份，复合早强剂2.0～5.5份，消泡剂0.2～0.6份，水45～60份。所述水性环氧树脂为一种改性水性环氧树脂乳液，该改性水性环氧树脂是通过自由基共聚的方法在环氧树脂分子链上引入了甲基丙烯酸类单体，能够在低温下显著提升水泥浆体系的防气窜性能。该水泥浆体系密度较低且可调，固化后具有高强、低弹的优异力学性能，各指标完全可以满足现场固井的要求，为海洋深水浅层固井提供技术保障。井提供技术保障。

【技术实现步骤摘要】
适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系及其组成


[0001]本专利技术涉及油气田钻井固井
，尤其涉及一种特别适用于海洋深水固井的致密韧性防气窜水泥浆体系。

技术介绍

[0002]我国海洋蕴藏着十分丰富的石油与天然气资源。南海的石油与天然气资源量约占我国油气资源总量的1/3，并且我国海洋油气整体处于勘探的早中期阶段，资源基础雄厚，产业化潜力较大，是未来我国能源产业发展的战略重点，但目前深水钻井作业还存在许多不同于陆地钻井的挑战与技术难题。深水固井作业作为海洋油气资源开采的安全保障而显得尤其重要，相比陆地钻井，深水表层段固井面临着低温、浅层水
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气流动等复杂问题。
[0003]海底的异常高压砂层以及天然气水合物分解等现象导致的浅层水
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气流动问题使深水固井面临着严重的挑战。常规水泥浆体系在低温下还存在水化速度缓慢、强度发展缓慢、渗透性高等诸多弊端，不能满足复杂浅层固井的要求。并且，水泥浆在侯凝过程中，随着水化反应的不断进行，水泥浆的静胶凝强度不断发展，导致水泥浆逐渐失去传递静液柱压力的能力，发生“胶凝失重”现象，从而导致环空静液柱压力逐渐降低，当水泥浆液柱压力与地层压力失去平衡，环空静液柱压力与气窜阻力叠加之和小于地层压力时，浅层的水、气就会进入环空中发生水窜、气窜。因此，想要阻止环空气窜、水窜现象的发生，缩短水泥浆静胶凝强度从 48～240Pa的过渡时间是关键所在。
[0004]公开号为CN102618231的中国专利公开了一种低温浅层防窜水泥浆，该防窜水泥浆中加入了一定量的三异丙醇胺、氯化钙、醋酸乙烯乳液与丁苯胶乳，通过水泥浆体系中各组分的相互作用优化了水泥浆体系性能，改变了水泥水化产物的界面取向等。该水泥浆使用温度为10℃～60℃，具有低温早强、稠化时间可调、提高界面胶结性能等优点，但胶乳加量过大时会导致水泥石抗压强度的损失。
[0005]公开号为CN104610948A的中国专利中，将90％的磷铝酸盐水泥和10％的超细活性矿渣组成调和水泥，并搭配以其他添加剂配置成适用于深水浅层固井的磷铝酸盐水泥浆体系，具有低温早强，直角稠化等优点，缺点是磷铝酸盐水泥浆与其他油井水泥外加剂的配伍性较差。
[0006]公开号为CN101974317A的中国专利公开了一种深水固井用硫铝酸盐水泥浆，其组分由由硫铝酸盐水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂、促凝剂、缓凝剂和水组成，在水泥浆密度1.40g/cm3，3℃和21MPa下养护24h，水泥石抗压强度为4.1MPa，15℃和21MPa下养护 12h水泥石抗压强度为3.0MPa。硫铝酸盐水泥浆还存在成本较高的问题，且和磷铝酸盐水泥浆同样与其他油井水泥添加剂配伍性较差。
[0007]树脂作为一种固化后，有较高的抗压强度和低弹性模量、抗腐蚀及提高环空界面胶结方面具有较好的效果而在固井行业中逐渐被关注。不同的水性环氧树脂固化体系可以在低温、室温、中温和高温下固化，水性环氧树脂的固化速率与固化剂关系密切，因此即使在低温下也可以通过调节固化剂活性提高反应速率来实验固化时间的可调。树脂在固化后
还可以拥有较高的抗压强度和低弹性模量、抗腐蚀及提高环空界面胶结效果等优点，可以解决防气窜水泥浆体系常用的胶乳在低温下影响水泥强度发展的问题。在环氧树脂水泥石中，水性环氧树脂树脂以膜状物形式存在于树脂水泥石中，膜部分填充在水泥石内部孔隙内，使其更加致密，改善水泥石的孔隙度，增大气侵阻力以减少气窜发生概率，而且环氧树脂可以增强水泥石的韧性，降低脆性，以减少水泥石受到外力影响产生微裂隙、微裂缝而导致气窜的概率。
[0008]“一种固井合成水泥石的研制和室内评价”(符军放等，钻井液与完井液，2015/3) 一文中所研究的一种基于环氧树脂的合成水泥石，具有耐酸腐蚀、提高界面胶结强度等优点，但文中使用的环氧树脂未经过亲水改性，属于油溶性树脂，存在成本过高的弊端。
[0009]“环氧树脂乳液对油井水泥石水化过程和力学性能的影响”(阎培渝等，硅酸盐通报， 2016/7)一文研究发现，通过在水泥浆体系中加入环氧树脂可以提高水泥石的抗压强度，环氧树脂的加量如果低于一定量时，水泥石的抗压强度反而会有所降低，但这是在仅加入环氧树脂不加入固化剂的条件下实现的，不含固化剂的环氧树脂固化后其整体性能会大打折扣，从而影响水泥浆体系的整体性能和防窜效果。
[0010]虽然以上这几种水泥浆体系能够解决部分深水低温固井的难题，但这些体系仍然存在一些弊端，如：硫铝酸盐和磷铝酸盐水泥浆与其他水泥浆添加剂配伍性较差，且成本较高；胶乳水泥浆体系是目前应用最为广泛的一种防气窜水泥浆体系，但胶乳类防窜剂存在可能发生破乳导致其失效的弊端，并且目前有大量的文献表明，加入过量的胶乳会导致水泥石抗压强度的损失；目前关于树脂应用主要集中在油溶性树脂和不含固化剂的水溶性树脂水泥浆两方面，但油溶性树脂只能溶于有机溶剂，成本过高，不含固化剂的水溶性树脂则会延缓水泥水化反应且普通水溶性树脂防气窜性能较差，并且关于树脂在深水低温固井方面的研究应用还很少。
[0011]随着我国加快海洋油气资源的勘探开发，深水低温固井将面临着更严峻的挑战。虽然国内目前已经开展了部分深水水泥浆体系的相关研究，但仍然无法完全满足复杂浅层的固井作业要求。因此，针对深水低温、浅层水
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气流动等问题，开发能够满足深水固井要求的低温防窜水泥浆具有重要意义。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的就是针对目前我国深水固井所面临的挑战以及现有低温固井水泥浆体系所存在的问题，提供一种适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系，该体系创新性的引入自制的水性环氧树脂和固化剂，不仅有效改善了无固化剂的环氧树脂水泥浆体系早期抗压强度低、影响水泥水化进程的问题，而且可以有效解决传统防气窜水泥浆体系中胶乳类添加剂影响水泥石抗压强度发展的问题。该水泥浆体系流变性能良好，密度较低且在1.35～ 1.80g/cm3范围内可调，水泥浆体系在侯凝中和固化后都具有显著的防气窜效果，并且水泥石固化后具有高强低弹的优异力学性能，能够代替传统深水固井水泥浆进行固井作业。
[0013]通过对深水低温浅层固井环空气窜频发问题和目前低温固井水泥浆应用现状进行大量的研究，本专利技术有针对性的引入水性环氧树脂和纳米二氧化硅，其中水性环氧树脂与固化剂之间的固化反应可以缩短水泥浆静胶凝强度过渡时间，水性环氧树脂在固化过程
中形成的交联网状结构，可以在提高水泥浆防气窜性能的同时改善水泥石的力学性能，使水泥石拥有较高抗压强度的同时还具备一定的韧性，另外纳米二氧化硅颗粒可以填充水泥石裂缝、孔隙结构，通过环氧树脂与纳米二氧化硅的填充和固化粘接作用，两者协同增效使得水泥石结构更加致密，力学性能更加优异，改善水泥石的孔隙度增大气侵阻力，从而进一步减少气窜发生概率。
[0014]本专利技术的低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系是适用于深水浅层复杂环境的低密度早强防窜水泥浆体系。该水泥浆具有显著的低温早强、防气窜效果，另外还具有低失水量、配置操作简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系，其特征在于，包括如下质量份的组分，或由如下质量份的组分组成：油井水泥100份，中空玻璃微珠0～25份，纳米二氧化硅2.0～5.0份，水性环氧树脂2.5～12.0份，水性环氧固化剂3.1～15.5份，降失水剂0.6～1.2份，减阻剂0.40～0.85份，复合早强剂2.0～5.5份，消泡剂0.2～0.6份，水45～60份；所述的适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系，其特征在于，所述的水性环氧树脂为改性双酚A型环氧树脂乳液，其各原料组分配比范围如下，用量以质量百分数表示：双酚A型环氧树脂30
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35％、甲基丙烯酸20
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25％、丙烯酸乙脂1
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5％、甲基丙烯酸乙酯0.1
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2.0％、苯乙烯0.1
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3.0％、过氧化苯甲酰0.5
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1.0％，其余为蒸馏水；所述的适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系，其特征在于，所述的水性环氧树脂为改性双酚A型环氧树脂乳液，其制备过程为：按配比将丙二醇甲醚溶解的双酚A型环氧树脂加入到装有搅拌桨、冷凝管、恒流泵和氮气装置的四口瓶中，升温至80
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90℃时，按配比加入溶解了过氧化苯甲酰、甲基丙烯酸、丙烯酸乙脂、甲基丙烯酸乙酯、苯乙烯的丙二醇甲醚溶液并升温，温度升至115
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120℃后恒温反应一小时，补加引发剂过氧化苯甲酰，继续恒温反应3
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5小时后停止反应，得到自由基接枝改性的自乳化水性环氧树脂，然后将该反应产物在高速分散机2000
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3500转/分钟的高速搅拌下缓慢加入到成盐剂N,N
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二甲基乙醇胺的水溶液中，通过加入去离子水和成盐剂调节体系pH＝3
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7，最终得到本发明使用的改性水性环氧树脂乳液，固体含量60
±
2％，具有较好的低温水溶解性能和低温固化性能；所述的适用于低温固井用致密韧性防气窜水泥浆体系，其特征在于，所述的水性环氧固化剂是由聚酰胺与环氧树脂和聚醚多元醇缩水甘油醚按照重量比为0.5
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1.0:0.1
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0.6:0.7
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成文，刘伯诺，郭胜来，郭辛阳，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：