油井水泥石微观结构仿生增强增韧调控方法与水泥浆体系及应用技术

本发明专利技术公开了油井水泥石微观结构仿生增强增韧调控方法与水泥浆体系及应用。本发明专利技术油井水泥浆体系借鉴珍珠母贝壳外壳组织的微观结构特点，利用水化形核调节剂、水化形貌诱导剂、晶体增强剂和晶体粘结剂四种关键添加剂，分别从纳观、微观、细观和宏观上对水泥石微观结构进行有效调控，使油井水泥石中形成与珍珠母贝壳组织作用相同的仿生力学增强增韧结构，建立了油井水泥石微观结构仿生增强增韧调控方法与水泥浆体系。利用该方法所形成的水泥石具有“几何互锁”仿生结构特点，能够在水泥石受破坏过程中利用“矿物桥接”、“裂纹偏转”和“增加破坏能”等作用，使油井水泥石的抗压强度、抗折强度和韧性等力学性能大幅度显著提升。折强度和韧性等力学性能大幅度显著提升。

【技术实现步骤摘要】
油井水泥石微观结构仿生增强增韧调控方法与水泥浆体系及应用


[0001]本专利技术涉及油气田开发
，特别适用于固井水泥环易受压力破坏、对油气井水泥环弹韧性要求高的油气资源开发作业环境。

技术介绍

[0002]井筒密封完整性对于油气田生产开发过程至关重要，但随着油气勘探开发目标越来越复杂，固井水泥环的完整性面临严峻挑战。特别是在复杂深层天然气井、非常规油气水平井和储气库井中，水泥石环受力非常复杂，通常面临着高的液压应力、热应力，还得经受高达几十次的高载荷重复冲击。然而，油井水泥石却是一种脆性材料，存在抗拉强度低、抗破裂性能差和抗冲击韧性低等固有缺陷，固井水泥环的完整性非常容易被破坏，使井筒的密封完整性失效，严重影响油气资源的正常生产、安全和效益。
[0003]传统固井作业为了满足分段压裂后水泥环的密封完整性，通常在固井水泥浆掺入弹性粒子、胶乳或纤维等，改善水泥石的脆性，降低弹性模量，形成弹韧性水泥石，取得了一定的效果。随着我国油气勘探开发增储上产工作的不断推进，复杂井筒环境下对固井水泥环的力学性能提出了更高的要求，能够承受高强度交变应力、有较高折压比和优良韧性的水泥浆已成为研究热点。
[0004]中国专利CN109761547A公开了一种适合页岩气水平井大型分段压裂用固井水泥浆体系，该技术将橡胶颗粒进行表面改性以增强亲水性，水泥石弹性模量小于6GPa。然而橡胶颗粒自身耐温性较差，难以应用于高温深井固井。
[0005]公开号为CN112939527A的中国专利公开了一种固井用超高强度韧性水泥浆体系及其制备与应用，该专利技术向水泥浆体系中加入晶须、微硅、石英砂和偏高岭土等材料，水泥石具有超高强度(抗压强度高达80MPa)等特性，能够很好地满足深层页岩气、高温深井等固井要求，可避免因高温强度引起的水泥石强度衰退。但对该水泥浆体系的水化进程的认识与水泥石微观结构的认识不足，只是多种材料的优化组合，无法形成一般使用的微观结构调控与强度提升方法。
[0006]公开号为CN110938171B的中国专利公开了一种固井用纳米纤维素的改性方法，该专利技术添加特定用量的水性单体通过聚合反应，对纳米纤维素颗粒表面进行改性，使改性后的纳米纤维素能够均匀分散于水泥浆体系中，通过封堵水泥颗粒之间的孔隙，纳米纤维素颗粒的增强增韧效应得到有效发挥。但是单掺纳米材料对于力学性能的提升仍然有限，且加量过大时水泥浆易变稠，导致无法泵送。
[0007]公开号为CN112174568A的中国专利公开了一种固井用改性增韧材料，使用纤维材料70～90％，支链淀粉类有机分散助剂5～10％和富硅无机分散助剂5～20％。该专利技术的专利技术目的在于提供一种固井用改性增韧材料，可以使纤维在水泥材料等凝胶材料中分散，减少团聚，加大纤维在水泥基材料中的使用比例，改善水泥浆抗压强度、抗裂性、韧性、耐久性、减少收缩。该专利技术主要改善纤维的分散问题，纤维主要是提高水泥石抗折强度，对水泥
石强度、渗透率、微观结构等并没有实质影响和提升，仍属于传统水泥石力学改善方法。
[0008]综上所述，现有专利所代表的技术通过向水泥浆加入硅质化学活性材料、晶须纤维增强增韧材料、聚合物改性分散剂和高效减阻剂提升水泥石力学性能等方法，都属于传统水泥石力学改性方法，没有接合水泥水化产物形貌、堆积状态和微观结构上来综合考虑，无法从不同尺度、不同堆积状态、不同微观结构上形成高效的力学性能增强增韧方法，未能从微观结构具体揭示各种添加材料作用机理以及强度提升规律，对于水化进程的调控机理与微观结构的改善的认识不足，水泥石的强度与弹韧性亟需进一步改善提升。
[0009]珍珠母贝壳外壳因其有机与无机材料交替排布、层间几何互锁的波纹突起和矿物桥等独特的微观结构使其能够承受巨大交变应力、具有优良的韧性，对于水泥胶凝材料提升力学性能具有重要指导意义。本专利创新性地借鉴与利用珍珠母贝壳仿生结构力学增强增韧的原理，通过专利技术制备出水化形核调节剂、水化形貌诱导剂、晶体增强剂和晶体粘结剂四种关键水泥石仿生改性添加剂，调节水化产物微观结构，形成均匀有序的仿生“砖泥组织”和“矿物桥”结构，能够通过“桥联”、“裂缝偏转”、“减少结构缺陷”和“增加破坏能”等机制提升宏观的力学性能。
[0010]随着复杂油气藏的大规模开发和储气库的大量建设，对于固井质量提出了更高的要求，现有技术对于水泥环抗压强度、抗折强度和弹韧性的提升有限，微观结构仿生调控的油井水泥增强增韧体系对于保障油气井水泥环完整性、阻断油气水窜流、延长油气井寿命具有重要作用，为未来固井质量的提升奠定了坚实的基础和技术支持。

技术实现思路

[0011]本专利技术针对固井水泥环强度低、韧性差、在后期作业中井筒完整性被严重破坏的问题，在现有对固井水泥水化进程控制、水化产物多层次微观结构调控、力学性能提升的研究基础上，根据珍珠母贝壳仿生结构力学增强增韧的原理，运用不同纳米材料、微米材料、晶种材料和有机聚合物等，结合现代材料制备技术，专利技术制备出水化形核调节剂、水化形貌诱导剂、晶体增强剂和晶体粘结剂四种关键水泥石仿生改性添加剂。所专利技术的四种关键水泥石仿生改性添加剂能够从纳观、微观、细观和宏观上对油井水泥水化产物形貌、大小、堆积状态进行有效调节，从而对水泥石微观结构进行有效调控，使油井水泥石中形成与珍珠母贝壳组织作用相同的仿生力学增强增韧结构，实现对油井水泥石仿生增强增韧力学性能改性目标，显著提升水泥石的强度和韧性。
[0012]为使水泥石形成仿生高强高韧结构，本专利中向固井水泥浆中加入的晶体粘结剂和形核调节剂在水泥水化早期水泥浆基体中形成网状结构，阻碍了水分子和钙离子的扩散运动，纳米级化学活性材料与水化产物反应生成水化硅酸钙，前者延缓了水泥的水化进程，后者加速了水泥的水化进程，两者协同作用保证了固井作业中水泥浆体水化进程的安全可控。
[0013]为优化水泥石水化微观形貌、改变氢氧化钙和钙钒石的沉积结构，本专利公开的微观结构仿生调控的油井水泥增强增韧体系中加入了含羟基和羧基的水化形貌诱导剂，减弱了有害产物空间分布和降低了取向度，与水化形核调节剂共同作用，生成更多、紧密排列的水化硅酸钙产物。
[0014]为改善水泥石的抗拉强度各抗折强度，本专利公开的微观结构仿生调控的油井水
泥增强增韧体系中加入了晶体增强剂和晶体粘结剂，相比于仅加入普通增韧材料，加入晶体增强剂和晶体粘结剂更均匀的分散于水泥浆体基质中，更大可能的分布于微裂缝之间，正硅酸乙酯分解产生的纳米二氧化硅附着于晶体或纤维表面，水化反应过程中水化硅酸钙与晶体嵌合的更加紧密，两种机理共同作用在微米级尺度最大程度的增强了晶体桥接和拨出作用，在水泥石受拉、受压破坏过程中增加了破坏能。
[0015]本专利技术结合珍珠母贝壳外壳组织微观结构，运用纳米化学活性材料、微米材料、晶体材料、纤维和聚合物粘结剂等共同协同作用下，形成有序的水化产物结构、细化微裂纹、填充有害空隙、桥接裂缝、发挥拨出效应，最终改善水泥石的力学性能，达到高强度和低弹性模量。配合减阻剂、消泡剂、缓凝剂共同作用，形成可以满足本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.油井水泥石微观结构仿生增强增韧调控方法与水泥浆体系及应用，其特征在于，按重量份计，包括如下的组分组成：油井水泥100份，晶体增强剂1～3份，晶体粘结剂1～2份，水化形核调节剂1～3份，水化形貌诱导剂1～3份，减阻剂1～2份，降失水剂0.7～1.5份，缓凝剂0.3
‑
1.0份，消泡剂0.2～1.0份，水44～60份；油井水泥石微观结构仿生增强增韧调控方法，具体是指在油井水泥中添加水化形核调节剂、水化形貌诱导剂、晶体增强剂和晶体粘结剂四种关键添加剂，水化形核调节剂在水泥基体中发挥纳米材料的晶核效应优化水化产物沉积位点、在水化反应早期推动水化进程、减少其它不同维度外加剂材料与水泥基体胶结界面微观空隙，水化形貌诱导剂与水泥颗粒协同反应并降低氢氧化钙和钙钒石等水化产物取向度、在水泥颗粒外围生成密集的填充产物、调控水化产物形貌并形成有序的紧密堆积结构，晶体增强剂中微米晶体和纤维类材料均匀异向分布在水泥浆中形成应力分散的三维网络、在受压和受拉时延缓裂缝和受损界面的形成，晶体粘结剂通过改善水化产物各晶体颗粒间分子间作用力、提高水化产物相互间的粘结作用、增加水泥石整体抗压抗拉等力学性能，通过这四种关键添加剂分别从在纳观、微观、细观和宏观上对水化产物含量、晶体的形貌、大小和堆积结构产生积极影响，从而有效调控水泥石微观结构，四种材料复合作用使油井水泥石中形成与珍珠母贝壳组织作用相同的仿生力学增强增韧结构，水泥石形成仿生“几何互锁”结构，能够在水泥石受破坏过程中利用“矿物桥接”、“裂纹偏转”和“增加破坏能”等作用，使油井水泥石的抗压强度、抗折强度和韧性等力学性能实现大幅度的显著提升；其中，所述的水化形核调节剂，是纳米级一维化学活性材料，以纳米二氧化硅为代表，发挥纳米材料的晶核作用，优化水化产物成核位点，与氢氧化钙发生火山灰反应降低氢氧化钙等脆弱水化沉积产物的取向度提升水化硅酸钙含量，未反应的部分填充在微纳米孔隙，使胶凝材料内部嵌合的更加密实，水化形核调节剂具体组成以重量份计为正硅酸乙酯(TEOS)20～35份、无水乙醇(质量分数为95％)40～60份、氨水(NH3·
H2O)若干份、硅烷偶联剂2～5份、水性聚氨酯(WPU)5～10份、去离子水(H2O)80～100份，其制备过程是在水浴条件下，按照上述材料配比将无水乙醇和去离子水在三口烧瓶混合搅拌，滴加盐酸调节溶液pH值至4.0～6.0，水浴加热至45～50℃后将正硅酸乙酯缓慢滴加到混合液中，在水浴条件下搅拌反应1～2小时，待溶液澄清之后，加入硅烷偶联剂并用氨水调节溶液pH值至8.0～10.0，反应3～4小时后将所得溶液进行真空抽滤，得到固体纳米二氧化硅粉末，与水性聚氨酯单体粉末在研磨机中充分干混后，加入100份去离子水高速乳化分散，即制得水化形核调节剂，所制得的水化形核调节剂中纳米二氧化硅含量35％、凝胶溶液性质稳定、无沉淀分层、粒径10～30nm、pH值7.0～9.0；其中，所述的水化形貌诱导剂，能够在水化反应早期能够快速参与水泥颗粒表面溶解释放出的Ca
2+
反应，其表面形成的水化产物会向外扩散形成水化产物晶核，同时未反应的诱导剂又在脱落的表面继续反应，使得整体的水化反应被限制在水泥颗粒的表面，延长了水泥颗粒参与水化时间以提高水化程度，优化了水泥颗粒及表面沉积产物的形貌，水化形貌诱导剂的具体制备过程是在100份去离子水中，在温度50～60℃、搅拌速度300～500转/分钟的条件下依次加入5～10份富含羟基或羧基类物质、1～3份...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成文，陈顺理，陈泽华，王子振，周卫东，李罗鹏，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：