弹性防窜水泥浆及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固井用水泥浆技术领域，是一种弹性防窜水泥浆及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 油、气、水窜是固井界面临的重大难题之一，如果层间封隔不良，高压层流体窜入 低压层，导致油气资源的流失和浪费，同时因流体窜流导致固井二界面胶结不良，对产能和 环境保护造成巨大威胁。由于水泥石具有脆性，在油气井的后续射孔、大型压裂等试采作业 过程中，水泥石发生破裂导致微裂纹产生，特别是目的层薄、底界水层活跃区块，往往导致 水层与油层连通，严重影响开采效果。因此，水泥浆具有良好的防窜能力、水泥石具有弹性 (抵抗应力变形的能力)、微膨胀性能成为解决此固井难题的重要措施。
[0003] 现有水泥浆技术对同时出现油气水窜、水泥环在射孔、压裂过程中易于破裂问题 的解决途径单一。胶乳水泥浆作为防窜的主要技术手段，在保证满足固井技术要求的前提 下，虽然对油气水窜的控制有一定效果，但水泥石抗裂性，保持井筒完整性难以解决，而改 善水泥石弹性的水泥浆体系应用较少，以往主要依靠加入纤维材料改善水泥石的抗冲击 功，抵抗应力变形效果有限，水泥石硬脆性问题、油气水窜问题得不到有效解决，特别在油、 气、水活跃地层固井时油、气、水易窜流引起固井二界面胶结不良，水泥石高脆性(高杨氏模 量)，已不能满足射孔及大型压裂开采的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种弹性防窜水泥浆及其制备方法，克服了上述现有技术之不足， 其能有效解决现有水泥浆在油、气、水活跃地层固井时油、气、水易窜流引起固井二界面胶 结不良，水泥石高脆性，已不能满足射孔及大型压裂开采要求的问题。
[0005] 本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种弹性防窜水泥浆，原料按 重量份数含有水泥100份、弹性材料15份至40份、粗硅砂40份至65份、硅粉20份至30 份、细硅砂5份至10份、膨胀剂3份至6份、添加剂17. 7份至40. 5份、水30份至45份。
[0006]下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进： 上述弹性防窜水泥浆按下述方法得到：将所需量的水泥、弹性材料、粗硅砂、硅粉、细硅 砂、添加剂和水混合均匀后得到弹性防窜水泥浆。
[0007] 上述添加剂包括胶乳、减阻剂、缓凝剂、悬浮剂和消泡剂；胶乳、减阻剂、缓凝剂、悬 浮剂和消泡剂的质量比为15至30:2至5:0至4:0. 2至1. 0:0. 5。
[0008] 上述胶乳为适用于油井水泥浆中的非离子型或阳离子型胶乳或丁苯胶乳；或/ 和，减阻剂为甲醛丙酮缩聚物或胺基高分子衍生物；或/和，缓凝剂为葡萄糖酸钙液体或葡 萄糖庚酸盐液体或羧基膦酸盐复合物或有机酸；或/和，悬浮剂为有机高分子材料聚合物； 或/和，消泡剂为二甲基硅烷、硅油、有机硅氧烷和磷酸酯混合物中的一种以上。
[0009] 上述弹性防窜水泥浆的密度为1. 60g/cm3至1. 90g/cm3;或/和，粗硅砂的粒径为 480μm至655μm，粗硅砂中SiO2的质量百分含量为90%至98% ;或/和，硅粉的粒径为 4μm至9μm，硅粉中Si02的质量百分含量为90%至98% ;或/和，细硅砂的粒径为16μm至38μm，细硅砂中Si02的质量百分含量为90%至98%。
[0010] 上述膨胀剂为钙铝氧化物、钙镁氧化物及钝化铝复合物、无机盐、碱金属氧化物和 橡胶粉中的一种以上；或/和，弹性材料为树脂、橡胶、脂肪类聚合物、纤维类、聚丙烯蜡、胶 乳和合成大分子中的一种以上。
[0011] 本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种弹性防窜水泥浆的制备方 法，按下述步骤进行：将所需量的水泥、弹性材料、粗硅砂、硅粉、细硅砂、添加剂和水混合均 匀后得到弹性防窜水泥浆。
[0012] 下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进： 上述添加剂包括胶乳、减阻剂、缓凝剂、悬浮剂和消泡剂；胶乳、减阻剂、缓凝剂、悬浮剂 和消泡剂的质量比为15至30:2至5:0至4:0. 2至1. 0:0. 5。
[0013] 上述胶乳为适用于油井水泥浆中的非离子型或阳离子型胶乳或丁苯胶乳；或/ 和，减阻剂为甲醛丙酮缩聚物或胺基高分子衍生物；或/和，缓凝剂为葡萄糖酸钙液体或葡 萄糖庚酸盐液体或羧基膦酸盐复合物或有机酸；或/和，悬浮剂为有机高分子材料聚合物； 或/和，消泡剂为二甲基硅烷、硅油、有机硅氧烷和磷酸酯混合物中的一种以上。
[0014] 上述弹性防窜水泥浆的密度为1. 60g/cm3至1. 90g/cm3;或/和，粗硅砂的粒径为 480μm至655μm，粗硅砂中SiO2的质量百分含量为90%至98% ;或/和，硅粉的粒径为 4μm至9μm，硅粉中Si02的质量百分含量为90%至98% ;或/和，细硅砂的粒径为16μm 至38μm，细硅砂中Si02的质量百分含量为90%至98% ;或/和，膨胀剂为钙铝氧化物、钙 镁氧化物及钝化铝复合物、无机盐、碱金属氧化物和橡胶粉中的一种以上；或/和，弹性材 料为树脂、橡胶、脂肪类聚合物、纤维类、聚丙烯蜡、胶乳和合成大分子中的一种以上。
[0015] 本发明得到的弹性防窜水泥浆性能稳定，失水量较低，有较强的防气窜能力和抗 水侵能力，能够有效的抑制高压油气层、活跃水层，避免油气水窜，有效解决油、气、水窜严 重的复杂井的固井技术难题；同时本发明得到的弹性防窜水泥浆杨氏模量低，抗拉强度高， 胶结强度大和体积微膨胀，能够改善固井二界面胶结质量问题，满足多次大型压裂试采要 求，在油、气、水活跃地层获得高产油气流。
【具体实施方式】
[0016] 实施例1，该弹性防窜水泥浆原料按重量份数含有水泥100份、弹性材料15份至 40份、粗硅砂40份至65份、硅粉20份至30份、细硅砂5份至10份、膨胀剂3份至6份、添 加剂17. 7份至40. 5份、水30份至45份。本发明得到的弹性防窜水泥浆中液灰比为45% 至75%，液灰比为添加剂与拌合水量占水泥质量的百分比。
[0017] 实施例2,该弹性防窜水泥浆原料按重量份数含有水泥100份、弹性材料15份或 40份、粗硅砂40份或65份、硅粉20份或30份、细硅砂5份或10份、膨胀剂3份或6份、添 加剂17. 7份或40. 5份、水30份或45份。
[0018] 实施例3,该弹性防窜水泥浆按下述制备方法得到：将所需量的水泥、弹性材料、 粗硅砂、硅粉、细硅砂、添加剂和水混合均匀后得到弹性防窜水泥浆。本发明通过加入胶乳 弹性材料、膨胀剂和不同粒径的硅砂与硅粉，运用紧密堆积理论达到合理的颗粒级配；紧密 充填提高水泥石的致密度、抗腐蚀性、抗射孔冲击能力和降低渗透率；膨胀剂使水泥体积膨 胀产生化学预应力，增强环空与套管、地层的胶结力，有效闭合微环隙；与胶乳共同作用达 到较好的防窜能力，同时提高固井二界面胶结能力；加入的弹性材料可降低水泥石的杨氏 模量，提高抗拉强度，能够抵抗外力变形，达到满足射孔及大型压裂开采的要求。
[0019] 实施例4,作为上述实施例的优化，添加剂包括胶乳、减阻剂、缓凝剂、悬浮剂和消 泡剂；胶乳、减阻剂、缓凝剂、悬浮剂和消泡剂的质量比为15至30:2至5:0至4:0. 2至1. 0: 0. 5〇
[0020] 实施例5,作为上述实施例的优化，胶乳为适用于油井水泥浆中的非离子型或阳离 子型胶乳或丁苯胶乳；或/和，减阻剂为甲醛丙酮缩聚物或胺基高分子衍生物；或/和，缓 凝剂为葡萄糖酸钙液体或葡萄糖庚酸盐液体或羧基膦酸盐复合物或有机酸；或/和，悬浮 剂为有机高分子材料聚合物；或/和，消泡剂为二甲基硅烷、硅油、有机硅氧烷和磷酸酯混 合物中的一种以上。
[0021] 实施例6,作为上述实施例的优化，弹性防窜水泥衆的密度为1. 60g/cm3至1. 90g/ cm3;或/和，粗娃砂的粒径为480μπι至655μπι，粗娃砂中SiO2的质量百分含量为90%至 98% ;或/和，硅粉的粒径为4μm至9μm，硅粉中SiO2的质量百分含量为90%至98% ;或 /和，细硅砂的粒径为16μm至38μm，细硅砂中SiO2的质量百分含量为90%至98%。
[0022] 实施例7,作为上述实施例的优化，膨胀剂为钙铝氧化物、钙镁氧化物及钝化铝复 合物、无机盐、碱金属氧化物和橡胶粉中的一种以上；或/和，弹性材料为树脂、橡胶、脂肪 类聚合物、纤维类、聚丙烯蜡、胶乳和合成大分子中的一种以上。
[0023] 实施例8,该弹性防窜水泥浆原料按重量份数