[发明专利]一种固井水泥浆体系及其应用

说明书

本发明涉及一种固井水泥浆体系，包括如下组分：水泥、高温稳定剂、降脆剂和耐高温膨胀剂。本发明的固井水泥浆体系还包括其他添加剂，所述其他添加剂包括选自降滤失剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂中的一种或多种。由本发明的水泥浆体系配制的固井水泥浆凝结硬化后，不仅降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性，提高其受力后的变形能力，提高了水泥石的抗冲击韧性，保持较高强度，而且补偿了水泥石的各种收缩，增强了水泥环界面胶结能力，满足高压气井固井需求。

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种水泥浆体系及其应用，尤其涉及一种耐高温补偿收缩弹韧性水泥浆体系及其应用。

背景技术

油气井固井水泥浆体凝结形成固井水泥环，要求水泥环在后续施工作业和整个油气井生产寿命期间，甚至油气井报废之后都能实现有效的层间封隔。油井水泥浆在凝结硬化过程中发生各种收缩，包括塑性收缩、化学收缩和干缩等。水泥浆的收缩弱化了其与套管或地层之间的界面胶结能力，甚至可能会引起水泥环本体出现裂缝以及界面处出现微环隙。普通油井水泥石属于一种脆性材料，抗压强度高、抗拉强度低，力学变形能力差。对于采用分段压裂的页岩气井和频繁注采的储气库井，在施工作业荷载和注采产生的多次交变应力作用下，使得普通水泥环易出现裂纹或者微环隙。由此可见，水泥浆固化过程的各种收缩以及水泥石的脆性特征，均有可能引起水泥环出现微环隙和微裂缝，导致水泥环发生密封失效问题，引起环空带压，给油气井的生产带来安全隐患，甚至造成整口井的报废，导致巨大经济损失。目前，为了改善水泥石的力学和变形能力，通常采用的方法是在固井水泥浆中添加降脆剂或弹性材料，常用的主要是橡胶颗粒、胶乳等，降低水泥石的弹性模量，形成弹韧性水泥浆。但降低弹性模量改善脆性的同时，也损伤了水泥石的各项强度。为了补偿水泥浆的收缩，通常在水泥浆中掺入硫铝酸钙类膨胀剂。但硫铝酸钙类膨胀剂水化后生成的膨胀性水化产物钙矾石耐温性较差，其在超过70℃时即开始分解，失去部分结晶水，膨胀性能失效。因此，在高温时硫铝酸钙类膨胀剂达不到补偿水泥石收缩，提高水泥环的密封完整性的目的。

因此，急需开发一种耐高温、补偿收缩弹韧性水泥浆，可以高温下补偿水泥石收缩，同时具有较低的弹性模量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型的耐高温补偿收缩弹韧性固井水泥浆体系。本发明通过在油井水泥浆中掺入降脆剂、高温稳定剂和耐高温膨胀剂及各种外加剂。一方面降脆剂有效地降低了水泥石的弹性模量，改善了水泥石的脆性特征；另一方面，耐高温膨胀剂补偿高温下水泥石的各种收缩。既保证了水泥石具有较低的弹性模量，较高的强度，提高水泥石受力时的变形能力，增强冲击荷载下的的韧性；又补偿了水泥石的收缩，增强界面胶结能力，从而达到满足高温油气井尤其是深层页岩气井，在分段压裂施工作业和长期生产过程中的温度压力变化引起的多次交变应力下，水泥环长效密封的目的。

在第一个方面，本发明提供了一种固井水泥浆体系，其包括如下组分：水泥、高温稳定剂、降脆剂和耐高温膨胀剂。

根据本发明的一些实施方式，所述固井水泥浆体系包括如下组分：100重量份水泥、0-50重量份高温稳定剂、2-10重量份的降脆剂和1-5重量份的耐高温膨胀剂。

根据本发明的一些实施方式，所述水泥为油井水泥，优选为满足API规范的G级油井水泥。

根据本发明的一些实施方式，所述高温稳定剂为硅粉粉末，所述硅粉粉末中二氧化硅的质量百分含量大于98％，所述硅粉粉末的粒径为30μm-200μm。

根据本发明的一些实施方式，所述高温稳定剂适用于高于110℃，低于或等于该温度可不加入。

根据本发明的一些实施方式，所述降脆剂为橡胶颗粒，优选为140-180目数的橡胶颗粒。

根据本发明的优选实施方式，将所述降脆剂经过表面磺化处理，具体方法为：将降脆剂在硫酸溶液中浸渍0.5～1小时，然后用清水将降脆剂洗净，在室温下干燥。经过表面磺化处理后的降脆剂亲水性较好，配浆容易。