本發(fā)明屬于油田開采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種低溫高強(qiáng)韌性水泥漿及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

我國(guó)致密油資源豐富，在國(guó)內(nèi)某些地區(qū)，致密油資源是實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)油氣當(dāng)量5000萬噸并長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)的石油接替資源。由于致密油埋藏淺，井底溫度低，水泥水化速度慢，韌性材料的加入進(jìn)一步降低了水泥石抗壓強(qiáng)度。在低溫條件下水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢，早期強(qiáng)度低，長(zhǎng)期強(qiáng)度不高，一方面延長(zhǎng)了建井周期，增加了成本，降低了勘探開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益；另一方面在大型體積壓裂和地下巖層復(fù)雜作用力的影響下，水泥環(huán)容易出現(xiàn)微裂紋甚至破裂，導(dǎo)致油氣井層間封隔失效，從而出現(xiàn)地層流體竄流、環(huán)空帶壓等現(xiàn)象，威脅油氣井安全運(yùn)行及油井壽命。

針對(duì)以上技術(shù)問題，現(xiàn)有技術(shù)公開了多種低溫早強(qiáng)韌性水泥漿技術(shù)，如cn105567197a公開了一種低溫早強(qiáng)增韌水泥漿，該水泥漿密度1.85g/cm³-1.90g/cm³，在低溫(20℃-30℃)下5h開始形成強(qiáng)度，24h抗壓強(qiáng)度達(dá)到20mpa以上，48h抗壓強(qiáng)度達(dá)到27mpa以上，彈性模量10.57gpa，但是，該水泥漿體系并未考慮膨脹韌性材料顆粒間以及與水泥顆粒之間的緊密堆積，水泥石抗壓強(qiáng)度不高，而且未考慮水泥石的膨脹性能。cn104371678a公開了一種膨脹韌性固井水泥漿，該水泥漿穩(wěn)定性好，水泥石具有微膨脹、高強(qiáng)度、低彈性模量特征，但是，該水泥石48h抗壓強(qiáng)度32.2mpa，水泥石低溫強(qiáng)度仍有很大提高空間。

上述現(xiàn)有技術(shù)雖在低溫早強(qiáng)、韌性膨脹等方面有了很大進(jìn)步，但是在低溫(30℃-60℃)條件下，現(xiàn)有技術(shù)要實(shí)現(xiàn)水泥石早強(qiáng)、高強(qiáng)、韌性、微膨脹的綜合性能仍然欠缺，并且現(xiàn)有技術(shù)公開的水泥石抗壓強(qiáng)度普遍偏低。因此，開發(fā)一種低溫高強(qiáng)度(＞40mpa/48h)韌性微膨脹水泥漿具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有早強(qiáng)、高強(qiáng)度、低彈性模量和微膨脹特性的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿及其制備方法和應(yīng)用，能夠有效改善水泥石低溫下強(qiáng)度發(fā)展慢、強(qiáng)度不高、脆性強(qiáng)、易收縮的固有缺陷，提高水泥石早強(qiáng)、高強(qiáng)、韌性和微膨脹的綜合性能，為油氣井、煤氣井等長(zhǎng)期、安全、有效運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明提供一種低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，以重量份計(jì)，其原料組分包括：

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述水泥包括g級(jí)油井水泥。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，所述早強(qiáng)劑指能夠縮短水泥漿稠化時(shí)間，提高水泥漿早期強(qiáng)度的外加劑。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述早強(qiáng)劑可以包括氯化鈣、硫酸鈣、硫酸鋁、硫酸鈉、硅酸鈉和鋁酸鈉等中的一種或多種的組合。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述早強(qiáng)劑為氯化鈣、硫酸鈉和硅酸鈉以重量比為1:1:0.3的組合。一方面氯化鈣、硫酸鈉縮短稠化時(shí)間，提高水泥石早期強(qiáng)度，硅酸鈉縮短稠化曲線過渡時(shí)間，有利于提高固井質(zhì)量。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，所述低溫高活性材料指能夠提高水泥漿低溫強(qiáng)度，改善水泥石致密程度并提高水泥石長(zhǎng)期強(qiáng)度的油井水泥外摻料。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述低溫高活性材料可以包括礦渣粉、超細(xì)水泥、超細(xì)石英砂和偏高嶺土等中的一種或多種的組合。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述礦渣粉的粒徑不大于20μm；所述超細(xì)水泥的粒徑不大于10μm；所述超細(xì)石英砂的粒徑不大于15μm，純度不低于95％；所述偏高嶺土的粒徑不大于45μm。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述低溫高活性材料為礦渣粉和超細(xì)水泥以重量比為1:1的組合。提高水泥石低溫活性，增強(qiáng)體系穩(wěn)定性。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，所述膨脹韌性材料指既有一定的膨脹性能，又能改善水泥石韌性的一類油井水泥外摻料。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述膨脹韌性材料可以包括碳酸鈣晶須、氧化鎂晶須、水鎂石纖維和玄武巖纖維等中的一種或多種的組合。優(yōu)選的碳酸鈣晶須、氧化鎂晶須、水鎂石纖維和玄武巖纖維均為無機(jī)物，與水泥漿相容性好，水泥石綜合性能優(yōu)異，并且便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述膨脹韌性材料為氧化鎂晶須和玄武巖纖維以重量比為1:1的組合。一方面利用氧化鎂晶須在水泥石中的微膨脹性能，另一方面發(fā)揮了玄武巖纖維的增韌作用。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，所述分散劑可以是本領(lǐng)域常用的分散劑，優(yōu)選地，所述分散劑可以包括磺化丙酮甲醛縮合物(usz)等。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，所述降失水劑可以是本領(lǐng)域常用的降失水劑，優(yōu)選地，所述降失水劑包括聚乙烯醇(pva)和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)類聚合物；更加優(yōu)選地，所述聚乙烯醇(pva)的分子量為77000±2200，聚合度為1750±50；所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)類聚合物的分子量為30-50萬。本發(fā)明采用的降失水劑有液體的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)類聚合物和固體的聚乙烯醇(pva)，采用兩種不同形態(tài)的降失水劑說明本申請(qǐng)低溫高韌性水泥漿適用性廣。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所述緩凝劑包括改性淀粉和/或有機(jī)膦酸鹽，更加優(yōu)選地，所述有機(jī)膦酸鹽為羥基乙叉二膦酸。本發(fā)明采用的緩凝劑有液體的有機(jī)膦酸鹽和固體的改性淀粉，采用兩種不同形態(tài)的緩凝劑說明本申請(qǐng)低溫高韌性水泥漿適用性廣。

上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，優(yōu)選地，所消泡劑包括磷酸三丁酯。

本發(fā)明還提供上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：

稱量早強(qiáng)劑、低溫高活性材料、膨脹韌性材料、分散劑、降失水劑、緩凝劑、消泡劑和水；

將固態(tài)物料混合均勻得到干混料；將液態(tài)物料混合均勻得到濕混料；

在4000±200r/min的轉(zhuǎn)速下，于15s內(nèi)將干混料均勻攪拌加入到濕混料中，待干混料完全潤(rùn)濕后，以12000±500r/min的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌35s，得到低溫高強(qiáng)韌性水泥漿。

本發(fā)明還提供上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿在致密油水平井、煤層氣井固井中的應(yīng)用；縮短油氣井開發(fā)周期，提高固井質(zhì)量，為油氣井的長(zhǎng)期、安全、有效運(yùn)行提供技術(shù)支持。

本發(fā)明低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，摻入不同粒徑顆粒級(jí)配的低溫高活性材料，提高了體系堆積密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)了水泥石高強(qiáng)度(24h抗壓強(qiáng)度大于30mpa，48h抗壓強(qiáng)度大于40mpa，168h抗壓強(qiáng)度大于50mpa)；

本發(fā)明低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，摻入早強(qiáng)劑，加快了水泥漿在低溫條件下的水化速度，提高了水泥石早期強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)水泥石的速凝早強(qiáng)(8h抗壓強(qiáng)度大于8mpa)；

本發(fā)明低溫高強(qiáng)韌性水泥漿中，摻入與水泥漿發(fā)生體積微膨脹的膨脹韌性材料，可使水泥石的體積膨脹率大于0.03％，有效抵消了水泥水化造成的體積收縮，避免水泥漿候凝過程中環(huán)空微裂縫的產(chǎn)生。膨脹韌性材料的摻入，體系的彈性模量降低至8gpa以下，實(shí)現(xiàn)了水泥石韌性改造，從而保持水泥環(huán)在交變應(yīng)力作用的密封完整性；

本發(fā)明提供的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿具有早強(qiáng)、高強(qiáng)度、低彈性模量和微膨脹特性，能夠有效改善水泥石低溫下強(qiáng)度發(fā)展慢、強(qiáng)度不高、脆性強(qiáng)、易收縮的固有缺陷，能很好的應(yīng)用于致密油水平井、煤層氣井等固井，縮短油氣井開發(fā)周期，提高固井質(zhì)量，延長(zhǎng)油氣井使用壽命，為油氣井的長(zhǎng)期、安全、有效運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的水泥漿在35℃下進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)的稠化曲線圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2制備的水泥漿在45℃下進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)的稠化曲線圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的水泥漿在55℃下進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)的稠化曲線圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的水泥漿在35℃、20.7mpa下養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行三軸測(cè)試的曲線圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2制備的水泥漿在45℃、20.7mpa下養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行三軸測(cè)試的曲線圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例3制備的水泥漿在55℃、20.7mpa下養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行三軸測(cè)試的曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。實(shí)施例中所提供的原料組分，若無特殊說明，均為市售購買。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，以重量份計(jì)，其原料組分包括：

本實(shí)施例還提供上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：

按照上述比例稱取物料，將早強(qiáng)劑、低溫高活性材料、膨脹韌性材料、磺化丙酮甲醛縮合物、聚乙烯醇與g級(jí)油井水泥混合均勻得到干混料；

將磷酸三丁酯與清水混合均勻得到濕混料；

在4000±200r/min的轉(zhuǎn)速下，于15s內(nèi)將干混料均勻攪拌加入到濕混料中，待干混料完全潤(rùn)濕后，以12000±500r/min的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌35s，得到低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，該水泥漿密度為1.88g/cm³。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，以重量份計(jì)，其原料組分包括：

本實(shí)施例還提供上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：

按照上述比例稱取物料，將早強(qiáng)劑、低溫高活性材料、膨脹韌性材料、磺化丙酮甲醛縮合物、聚乙烯醇、改性淀粉與g級(jí)油井水泥混合均勻得到干混料；

將磷酸三丁酯與清水混合均勻得到濕混料；

在4000±200r/min的轉(zhuǎn)速下，于15s內(nèi)將干混料均勻攪拌加入到濕混料中，待干混料完全潤(rùn)濕后，以12000±500r/min的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌35s，得到低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，該水泥漿密度為1.90g/cm³。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，以重量份計(jì)，其原料組分包括：

本實(shí)施例還提供上述低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：

按照上述比例稱取物料，將早強(qiáng)劑、低溫高活性材料、膨脹韌性材料、磺化丙酮甲醛縮合物與g級(jí)油井水泥混合均勻得到干混料；

將2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、羥基乙叉二膦酸、磷酸三丁酯與清水混合均勻得到濕混料；

在4000±200r/min的轉(zhuǎn)速下，于15s內(nèi)將干混料均勻攪拌加入到濕混料中，待干混料完全潤(rùn)濕后，以12000±500r/min的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌35s，得到低溫高強(qiáng)韌性水泥漿，該水泥漿密度為1.92g/cm³。

實(shí)施例4低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的性能測(cè)試

本實(shí)施例提供了實(shí)施例1至實(shí)施例3制備的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的性能測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中，密度、流動(dòng)度、api失水量、游離液和稠化時(shí)間均按照gb/t19139-2012油井水泥試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1及圖1-3所示。

表1

由表1及圖1、圖2和圖3可知，該低溫高強(qiáng)韌性水泥漿在試驗(yàn)溫度35℃-55℃、壓力10mpa-25mpa，稠化時(shí)間在98min-173min，稠化時(shí)間可調(diào)性好，稠化曲線平穩(wěn)，過渡時(shí)間短。并且該水泥漿密度適應(yīng)范圍廣，流動(dòng)性能好，失水量低，游離液為零，能很滿足固井施工對(duì)水泥漿性能的要求，保障了固井施工安全。

實(shí)施例5低溫高強(qiáng)韌性水泥石的性能測(cè)試

本實(shí)施例提供了實(shí)施例1至實(shí)施例3制備低溫高強(qiáng)韌性水泥漿與凈漿養(yǎng)護(hù)成水泥石的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其中，抗壓強(qiáng)度測(cè)試均按照gb/t19139-2012油井水泥試驗(yàn)方法進(jìn)行；彈性模量測(cè)試先采用標(biāo)準(zhǔn)模具養(yǎng)護(hù)，然后再用三軸壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試；體積膨脹率采用cn205138938u(體積膨脹收縮率測(cè)試裝置)公開的裝置測(cè)試；測(cè)試結(jié)果如表2及圖4-6所示。

表2

由表2及圖4、圖5和圖6可知，本發(fā)明提供的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿在24h、48h、168h抗壓強(qiáng)度均顯著高于凈漿，抗壓強(qiáng)度提高幅度為12％-102％，彈性模量相比凈漿降低了16％以上，水泥石體積膨脹率相比凈漿提高了101％，有效克服了凈漿水泥石易收縮的固有缺陷，本發(fā)明的水泥石具有明顯的微膨脹效果。8h抗壓強(qiáng)度較凈漿增加幅度不大或略有降低，這是因?yàn)榈蜏馗邚?qiáng)韌性水泥漿為了滿足現(xiàn)場(chǎng)固井施工要求，加入了一定的緩凝劑，稠化時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于凈漿。綜上所述，本發(fā)明公開的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿具有早強(qiáng)、高強(qiáng)度、低彈性模量、微膨脹特性，能很好滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)水泥漿的各項(xiàng)要求。

實(shí)施例6低溫高強(qiáng)韌性水泥漿的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，本發(fā)明制備的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿已經(jīng)成功應(yīng)用于長(zhǎng)慶油田致密油水平井4口井次，如表3所示，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率80％以上，合格率100％，有效保證了固井質(zhì)量，為油氣井的長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了科技發(fā)明與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合。

表3

綜上所述，本發(fā)明提供的低溫高強(qiáng)韌性水泥漿具有早強(qiáng)、高強(qiáng)度、低彈性模量和微膨脹特性，能夠有效改善水泥石低溫下強(qiáng)度發(fā)展慢、強(qiáng)度不高、脆性強(qiáng)、易收縮的固有缺陷，能很好的應(yīng)用于致密油水平井、煤層氣井等固井，縮短油氣井開發(fā)周期，提高固井質(zhì)量，延長(zhǎng)油氣井使用壽命，為油氣井的長(zhǎng)期、安全、有效運(yùn)行提供技術(shù)支撐。