一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系及其制备方法与流程

文档序号:25543914发布日期:2021-06-18 20:41
本发明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。
背景技术
: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。技术实现要素:本发明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。本发明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:根据本发明,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。根据本发明,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%。根据本发明,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。根据本发明,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。根据本发明,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。根据本发明,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。根据本发明,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。根据本发明,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;根据本发明,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。根据本发明,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。根据本发明,优选的,所述的水可以是淡水、海水和矿化度水中的一种。根据本发明,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。本发明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化学法、力化学法、熔融、辐射、等离子处理法、激光处理法等。但是,湿化学法污染重不环保,辐射、等离子法和激光等物理处理法处理的ptfe表面特性具有时效性,随着放置时间的延长,表面亲水性逐渐退化,放置7天后其润湿性基本回复未经处理的表面状态。针对此问题,采用表面自聚成膜改性的方法,具有经济高效、绿色环保、操作简便的特点;混合纤维能在水泥石中形成致密的网状结构,对水泥石缺陷处的裂纹尖端应力场形成屏蔽,从而提高水泥石的断裂韧性;纳米材料因其小尺寸效应,对水泥石中微孔隙产生填充作用,使水泥石更致密,提高水泥石强度。调节三者加量至最优,三者共同作用对水泥石高温弹韧性产生明显作用。本发明的优点及效果:(1)在150℃高温条件下水泥石具有良好的韧性(弹性模量<4gpa),同时能够维持较高的强度(抗压强度>30mpa),在高温条件下具有一定的防强度衰退效果。(2)水泥浆具有良好的流变性能,其综合性能可以满足现场固井施工的有关要求。(3)该体系中加入聚四氟乙烯可以明显提高水泥石抗冲击性能,同时聚四氟乙烯耐高温,适合应用于高温水泥浆体系中。且采用的聚四氟乙烯粉末是用工业加工过程中所产生的聚四氟乙烯塑料废弃边角料制作而成,成本低廉。(4)针对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的问题采用表面自聚成膜改性的方法,具有经济高效、绿色环保、操作简便的特点。(5)采用玄武岩纤维和聚丙烯纤维复配的混合纤维,调节二者比例至最佳,充分发挥二者的作用,可极大地增强水泥石韧性。(6)该体系中加入纳米二氧化硅作为增强材料,可以有效填充水泥石微孔隙,使水泥石更加致密,有效提高水泥石抗压强度。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书来实现和获得。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。以下结合具体实施例,对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。实施例中所用的实验方法:按标准gb/t19139~2003“油井水泥试验方法”制备的水泥浆体系,并参考标准sy/t6544~2003“油井水泥浆性能要求”、sy/t6466~2000“油井水泥石抗高温性能评价方法”测试水泥浆体系的性能。实施例和试验例中所述的“份”均为“质量份”。以下实施例和对比例中所用的原料均为常规市购产品,具体如下:g级油井水泥:购自山东临朐胜潍特种水泥有限公司的g级油井水泥。高温硅砂:购自成都欧美克石油科技有限公司,htce-1s牌号。聚四氟乙烯粉末:购自瑞邦高分子材料有限公司,粒径介于50~100μm,密度介于1.4~1.95g/cm3。玄武岩纤维:购自泰安砼伴纤维有限公司,纤维长度3-6mm聚丙烯纤维:购自泰安砼伴纤维有限公司,纤维长度4-7mm纳米液硅:购自北京德科岛金科技有限公司。密度介于1.10~1.40g/cm3,粒径介于20~50nm,二氧化硅质量含量为35%~45%。高温降失水剂:购自成都欧美克石油科技有限公司,hx-12l牌号。高温缓凝剂:购自成都欧美克石油科技有限公司,hx-36l牌号。减阻剂:购自成都欧美克石油科技有限公司,fs-13l牌号。实施例1:胶粉种类对水泥石抗压强度的影响测试向油井g级水泥中加入不同种类的粒径介于50~100μm的胶粉,胶粉加量为3%,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下分别养护48h和96h,配方组成及抗压强度测试结果如表1:表1加入不同胶粉的水泥石抗压强度测试从表1抗压强度数据可知,只有加入聚四氟乙烯粉末水泥石强度会提高,加入其他种类的胶粉对水泥石抗压强度没有有益的效果。实施例2:聚四氟乙烯粉末径对水泥石抗压强度的影响测试向油井g级水泥中加入不同粒径的聚四氟乙烯粉末,聚四氟乙烯粉末加量为3%,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下分别养护48h和96h,配方组成及抗压强度测试结果如表2:表2不同粒径聚四氟乙烯粉末对水泥石抗压强度影响测试从表2数据可知,200目聚四氟乙烯粉末对水泥石抗压强度提高效果最明显。实施例3:聚四氟乙烯粉末加量对水泥石抗压强的影响测试向油井g级水泥中加入不同加量的200目聚四氟乙烯粉末,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下分别养护48h和96h,配方组成及抗压强度测试结果如表3:表3不同加量聚四氟乙烯粉末对水泥石抗压强度影响测试从表3数据可知,加入3%是聚四氟乙烯粉末的最优加量,加入3%聚四氟乙烯粉末对水泥石抗压强度提高最明显。实施例4:纤维种类对水泥石抗折强度的影响测试向油井g级水泥中加入不同种类纤维,纤维加量为0.6%,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下养护48h,配方组成及抗折强度测试结果如表4:表4抗折强度配方及强度编号水泥硅砂材料水+消泡剂抗折强度/mpa1胜潍g级35%原浆0.385.372胜潍g级35%无机矿物纤维0.386.863胜潍g级35%聚丙烯纤维0.387.024胜潍g级35%玄武岩纤维0.3810.46从表4数据可知玄武岩纤维的抗折强度最高。从水泥石外观来看,抗折试验之后,只有聚丙烯纤维水泥石没有断开,从断面将其掰断,可以明显看到纤维均匀分散在断面上。其他水泥石断裂之后,在断面均不可见明显纤维结构。因此,优选聚丙烯纤维和玄武岩纤维进行下一步实验。实施例5:纤维长度对水泥石抗折强度的影响测试向油井g级水泥中加入不同长度的玄武岩纤维和聚丙烯纤维,加量为0.6%,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下养护48h,配方组成及抗折强度测试结果如表5:表5不同长度的纤维对水泥石抗折强度影响由表5数据可知,聚丙烯纤维5~7mm效果最好,玄武岩纤维3~5mm效果最好。实施例6:混合纤维对水泥石抗折强度的影响测试向油井g级水泥中加入不同配比的玄武岩纤维(4mm)和聚丙烯纤维(6mm)混合纤维,混合纤维加量为0.6%,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下养护48h,配方组成及抗折强度测试结果如表6:表6不同配比的纤维对水泥石抗折强度影响由表6数据可知,玄武岩纤维:聚合物纤维为7:3时,抗折强度最高。实施例7:纳米材料对水泥石抗压强度的影响测试向油井g级水泥中加入不同的纳米材料,以水灰比0.38配制水泥浆,在150℃/10mpa条件下养护48h和96h,配方组成及抗压强度测试结果如表7:表7纳米材料对水泥石抗压强度影响3%纳米液硅和1%纳米sio2粉末所含sio2量相当,由表7数据可知,加入3%纳米液硅对提高水泥石抗压强度效果最好。因为纳米液硅分散性更好,所以效果比纳米sio2粉末略好。纳米caco3和纳米al2o3对水泥石抗压强度提高效果不明显。故优选纳米液硅作为增强纳米材料。实施例8一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系,按重量比计包括以下组分:油井水泥可以是api油井g级水泥;所述的硅砂粒径为60μm,二氧化硅质量含量98.8%;所述的纳米液硅密度介于1.3g/cm3,粒径介于25nm,二氧化硅质量含量为36%,颗粒呈圆球形。所述的聚四氟乙烯粉末为黑色固体粉末,粒径为100μm,密度介于1.8g/cm3,四氯乙烯粉末表面采用自聚成膜改性。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80μm,然后将聚四氟乙烯颗粒装入搅拌器中,以200转/分钟的转速进行搅拌,同时以1mm喷嘴、0.3mpa压力均匀喷洒10g/l盐酸多巴胺与30g/l三乙醇胺的混合溶液,喷洒时间为6秒钟,喷洒结束后继续搅拌13分钟,然后将聚四氟乙烯颗粒平铺在空气中放置28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。所述的混合纤维为玄武岩纤维与聚丙烯纤维混合,玄武岩纤维长度为4mm,聚丙烯纤维为6mm,其中玄武岩纤维与聚丙烯纤维的质量比为7:3。所述的消泡剂为硅醚共聚类消泡剂。所述的降失水剂的重均分子量为80万;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。所述的减阻剂的重均分子量为30万,其为磺化甲醛-丙酮的缩聚物。所述的缓凝剂的重均分子量为45万;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。包括以下步骤: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。将该体系在150℃/10mpa条件下养护5天,在围压10mpa条件下测量其三轴力学性能,结果下表:表8弹韧性水泥浆体系三轴数据弹性模量(mpa)泊松比剪切模量(mpa)体积模量(mpa)破裂时体积应变(%)3713.9520.1001688.1601547.4800.9979该体系综合性能良好,强度和弹性模量均满足现场施工要求。实施例9一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系,按重量比计包括以下组分:油井水泥可以是api油井g级水泥;所述的硅砂粒径为60μm,二氧化硅质量含量98.8%;所述的纳米液硅密度介于1.3g/cm3,粒径介于25nm,二氧化硅质量含量为36%,颗粒呈圆球形。所述的聚四氟乙烯粉末为黑色固体粉末,粒径为150μm,密度介于1.8g/cm3,四氯乙烯粉末表面采用自聚成膜改性。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80μm,然后将聚四氟乙烯颗粒装入搅拌器中,以200转/分钟的转速进行搅拌,同时以1mm喷嘴、0.3mpa压力均匀喷洒10g/l盐酸多巴胺与30g/l三乙醇胺的混合溶液,喷洒时间为6秒钟,喷洒结束后继续搅拌13分钟,然后将聚四氟乙烯颗粒平铺在空气中放置28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。所述的混合纤维为玄武岩纤维与聚丙烯纤维混合,玄武岩纤维长度为4mm,聚丙烯纤维为6mm,其中玄武岩纤维与聚丙烯纤维的质量份数比例为1:1。所述的消泡剂为硅醚共聚类消泡剂。所述的降失水剂的重均分子量为80万;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。所述的减阻剂的重均分子量为30万,其为磺化甲醛-丙酮的缩聚物。所述的缓凝剂的重均分子量为45万;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。包括以下步骤: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。将该体系在150℃/10mpa条件下养护5天,在围压10mpa条件下测量其三轴力学性能,结果下表:表9弹韧性水泥浆体系三轴数据弹性模量(mpa)泊松比剪切模量(mpa)体积模量(mpa)破裂时体积应变(%)3321.5030.1031505.6681394.4181.0478该体系综合性能良好,强度和弹性模量均满足现场施工要求。以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作任何其他形式的限制,而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化,仍属于本发明所要求保护的范围。当前第1页12
再多了解一些
当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1