[发明专利]一种抗高温弹韧性防窜水泥浆体系及其制备方法

说明书

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：油井水泥100份；硅砂30～40份；聚四氟乙烯粉末3～8份；混合纤维0.3～0.7份；纳米液硅1～3份；消泡剂0.2～1份；降失水剂4～10份；减阻剂0～3份；缓凝剂0.5～4份；水44～50份。该体系在150℃/10MPa的条件下，具有良好的弹韧性，同时能维持较高的抗压强度。该体系能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。

技术领域

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。

发明内容

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：