一種膨脹韌性固井水泥漿及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種膨脹韌性固井水泥漿及其制備方法。以重量份計(jì)，該水泥漿包括以下組分：100重量份水泥、6-14重量份增韌材料、3-80重量份增強(qiáng)材料、8-120重量份密度調(diào)節(jié)劑、0.5-2.5重量份懸浮穩(wěn)定劑、20-40重量份高溫穩(wěn)定劑、35-100重量份蒸餾水、0.5-2重量份分散劑、0.5-4重量份降失水劑、0.3-4重量份緩凝劑、0.1-2重量份抑泡劑、0.1-2重量份消泡劑。本發(fā)明還提供了一種上述膨脹韌性固井水泥漿的制備方法。該水泥漿沉降穩(wěn)定性好；水泥石具有微膨脹、高強(qiáng)度、低彈性模量特性，可以避免儲(chǔ)氣庫(kù)井、頁(yè)巖氣井及致密油氣水平井等后續(xù)作業(yè)中水泥環(huán)產(chǎn)生微裂紋、微環(huán)隙甚至破裂等現(xiàn)象產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)良好的層間封隔，為油氣井的長(zhǎng)期、安全、有效運(yùn)行提供技術(shù)支撐。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種膨脹韌性固井水泥漿及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供了一種膨脹韌性固井水泥漿及其制備方法，屬于油氣井固井工程領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 普通硅酸鹽水泥石是一種先天缺陷的脆性、多孔道、易收縮的材料，由于儲(chǔ)氣庫(kù)井 注采氣過(guò)程中的交變應(yīng)力和溫度變化，頁(yè)巖氣井及致密油氣水平井的大型體積壓裂等易導(dǎo) 致脆性的普通水泥石產(chǎn)生微裂紋，甚至破裂；且水泥水化收縮是硅酸鹽水泥的固有特性， 這一特性易導(dǎo)致井下的水泥環(huán)，出現(xiàn)環(huán)空微間隙；以上兩種情況都會(huì)使水泥環(huán)失去層間封 隔作用，從而出現(xiàn)地層流體竄流、環(huán)空帶壓等現(xiàn)象，因此對(duì)水泥石膨脹韌性改造是很有必要 的。
[0003] 目前，水泥石韌性改造主要是通過(guò)在水泥漿體系中摻入膠乳、廢輪胎橡膠粉、硅橡 膠粉、纖維等材料進(jìn)行韌性改造，雖然這些方法也可降低水泥石的彈性模量，但仍存在一些 缺點(diǎn)：
[0004] (1)膠乳的缺點(diǎn)是環(huán)境污染嚴(yán)重，加量大，價(jià)格貴，加入乳膠后，水泥石的彈性模量 的降低程度難以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求；
[0005] (2)廢輪胎橡膠粉、硅橡膠粉等表面親水性差的橡膠粉與水泥石基體的膠結(jié)能力 差，影響水泥石的完整性，雖然部分研究證明可進(jìn)行改性處理提高膠結(jié)強(qiáng)度，但增加了工業(yè) 化生產(chǎn)成本；
[0006] (3)纖維的缺點(diǎn)是分散性差，混拌難度大，價(jià)格貴，與水泥石基體膠結(jié)差，且單獨(dú)的 纖維水泥石的彈性模量難以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種膨脹韌性固井水泥漿。本發(fā)明 的膨脹韌性固井水泥漿沉降穩(wěn)定性好；水泥石具有微膨脹、高強(qiáng)度、低彈性模量特性，可以 滿(mǎn)足儲(chǔ)氣庫(kù)井、頁(yè)巖氣井及致密油氣水平井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。
[0008] 本發(fā)明的目的還在于提供一種上述膨脹韌性固井水泥漿的制備方法。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種膨脹韌性固井水泥漿，以重量份計(jì)，其包括以 下組分：1〇〇重量份水泥、6-14重量份增韌材料、3-80重量份增強(qiáng)材料、8-120重量份密度調(diào) 節(jié)劑、0. 5-2. 5重量份懸浮穩(wěn)定劑、20-40重量份高溫穩(wěn)定劑、35-100重量份蒸餾水、0. 5-2 重量份分散劑、〇. 5-4重量份降失水劑、0. 3-4重量份緩凝劑、0. 1-2重量份抑泡劑、0. 1-2重 量份消泡劑。
[0010] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的水泥為硅酸鹽水泥。
[0011] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的增韌材料為改性丁腈橡膠粉不 同粒徑的級(jí)配混合物；更優(yōu)選地，所述改性丁腈橡膠粉的粒徑為0. 074-0. 178毫米。
[0012] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的增強(qiáng)材料為礦渣粉、粉煤灰、超 細(xì)水泥、微硅、超細(xì)碳酸鈣、偏高嶺土中的一種或兩種以上的組合；更優(yōu)選地，上述增強(qiáng)材 料為礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、微硅、超細(xì)碳酸鈣、偏高嶺土中的任意3-4種的不同顆粒的 級(jí)配混合物，上述礦渣粉的粒徑不大于0. 045毫米，粉煤灰的粒徑不大于0. 125毫米，超細(xì) 水泥的粒徑不大于〇. 018毫米，微硅的粒徑不大于0. 003毫米，超細(xì)碳酸鈣的粒徑不大于 0. 013毫米，偏高嶺土的粒徑不大于0. 0065毫米。
[0013] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的密度調(diào)節(jié)劑為漂珠、玻璃微珠、 重晶石、精鐵礦粉中的任一種。
[0014] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的分散劑可以是本領(lǐng)域常用的分 散劑，例如醛酮縮合物或萘系分散劑。
[0015] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的降失水劑可以是本領(lǐng)域常用的 降失水劑，例如2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)類(lèi)聚合物或聚乙烯醇（PVA)，上述AMPS 類(lèi)聚合物的分子量為60-80萬(wàn)，上述PVA的分子量為73100±2150,聚合度為1700±50。
[0016] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的緩凝劑可以是本領(lǐng)域常用的緩 凝劑，例如2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)類(lèi)聚合物，上述AMPS類(lèi)聚合物的分子量為 6-10 萬(wàn)。
[0017] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的懸浮穩(wěn)定劑為膨潤(rùn)土或硅藻土。
[0018] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的高溫穩(wěn)定劑為石英砂。
[0019] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的抑泡劑可以是本領(lǐng)域常用的抑 泡劑，例如有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑。
[0020] 在上述的膨脹韌性固井水泥漿中，優(yōu)選地，采用的消泡劑為磷酸三丁酯。
[0021] 本發(fā)明還提供了上述的膨脹韌性固井水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：
[0022] a、將增韌材料、增強(qiáng)材料、密度調(diào)節(jié)劑、懸浮穩(wěn)定劑、高溫穩(wěn)定劑、降失水劑、分散 劑與水泥進(jìn)行干混，混合均勻，得到干混料；
[0023] b、再將緩凝劑、消泡劑、抑泡劑與蒸餾水進(jìn)行濕混，混合均勻，得到濕混料；
[0024] c、將干混料加入到濕混料中，攪拌均勻，得到膨脹韌性固井水泥漿。
[0025] 在本發(fā)明的膨脹韌性固井水泥漿中摻入低彈性模量的顆粒增韌材料，可降低體系 的彈性模量達(dá)50%左右，有效降低外力的傳遞系數(shù)；且增韌材料與本發(fā)明的水泥漿經(jīng)硬化 后形成的水泥石基體膠結(jié)性好，當(dāng)水泥石破裂時(shí)，可形成"纖維的拉筋"作用，使水泥石具備 低彈性模量的特性，從而實(shí)現(xiàn)水泥石的韌性改造。
[0026] 在本發(fā)明的膨脹韌性固井水泥漿中摻入遇水、堿性物質(zhì)，水泥漿外加劑發(fā)生體 積微膨脹的增韌材料，可使本發(fā)明的水泥漿經(jīng)硬化后形成的水泥石的體積膨脹率大于 0. 05 %，有效抵消水泥水化造成的體積收縮，防止井下環(huán)空微裂縫的產(chǎn)生。
[0027] 本發(fā)明的膨脹韌性固井水泥漿以緊密堆積原理為指導(dǎo)，通過(guò)不同粒徑顆粒級(jí)配提 高體系堆積密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度24h大于12MPa)，進(jìn)而可以抵御外力對(duì)本發(fā)明 的水泥漿經(jīng)硬化后形成的水泥石基體的損害。
[0028] 本發(fā)明的膨脹韌性固井水泥漿沉降穩(wěn)定性好，該水泥漿經(jīng)硬化后形成的水泥石具 有微膨脹、高強(qiáng)度、低彈性模量特性，可以避免儲(chǔ)氣庫(kù)井、頁(yè)巖氣井及致密油氣水平井等后 續(xù)作業(yè)中水泥環(huán)產(chǎn)生微裂紋、微環(huán)隙甚至破裂等現(xiàn)象產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)良好的層間封隔，為油氣井 的長(zhǎng)期、安全、有效運(yùn)行提供技術(shù)支撐，延長(zhǎng)了油氣井使用壽命。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 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(shuō)明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] 本實(shí)施例提供一種膨脹韌性固井水泥漿，以重量份計(jì)，其包括以下組分：100重量 份水泥、6重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、20重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、偏高 嶺土的級(jí)配混合物、39重量份玻璃微珠、0. 8重量份膨潤(rùn)土、95重量份蒸餾水、1重量份醛酮 縮合物分散劑、3. 2重量份PVA降失水劑、1. 2重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份有機(jī) 硅類(lèi)抑泡劑、〇. 5重量份磷酸三丁酯。
[0032] 上述膨脹韌性固井水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：
[0033] 將6重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、20重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、 偏高嶺土的級(jí)配混合物、39重量份玻璃微珠、0. 8重量份膨潤(rùn)土、3. 2重量份PVA降失水劑、 1重量份醛酮縮合物分散劑與100重量份水泥進(jìn)行干混，混合均勻，得到干混料，備用；其 中，上述改性丁腈橡膠粉的粒徑為0. 074-0. 178毫米，礦渣粉的粒徑不大于0. 045毫米，粉 煤灰的粒徑不大于〇. 125毫米，超細(xì)水泥的粒徑不大于0. 018毫米，偏高嶺土的粒徑不大于 0· 0065 暈米；
[0034] 再將1. 2重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份磷酸三丁酯消泡劑、0. 5重量份 有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑與95重量份蒸餾水進(jìn)行濕混，混合均勻，得到濕混料；
[0035] 在攪拌條件下，將干混料加入濕混料中，攪拌均勻，得到膨脹韌性固井水泥漿。
[0036] 實(shí)施例2
[0037] 本實(shí)施例提供一種膨脹韌性固井水泥漿，以重量份計(jì)，其包括以下組分：100重量 份水泥、8重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、28重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、偏高 嶺土的級(jí)配混合物、12重量份玻璃微珠、0. 5重量份膨潤(rùn)土、72重量份蒸餾水、1重量份醛酮 縮合物分散劑、3重量份PVA降失水劑、1. 5重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份有機(jī)硅 類(lèi)抑泡劑、0. 5重量份磷酸三丁酯。
[0038] 上述膨脹韌性固井水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：
[0039] 將8重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、28重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、 偏高嶺土的級(jí)配混合物、12重量份玻璃微珠、0. 5重量份膨潤(rùn)土、3重量份PVA降失水劑、1 重量份醛酮縮合物分散劑與100重量份水泥進(jìn)行干混，混合均勻，得到干混料，備用；其中， 上述改性丁腈橡膠粉的粒徑為0. 074-0. 178毫米，礦渣粉的粒徑不大于0. 045毫米，粉煤 灰的粒徑不大于0. 125毫米，超細(xì)水泥的粒徑不大于0. 018毫米，偏高嶺土的粒徑不大于 0· 0065 暈米；
[0040] 再將1. 5重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份磷酸三丁酯消泡劑、0. 5重量份 有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑與72重量份蒸餾水進(jìn)行濕混，混合均勻，得到濕混料；
[0041] 在攪拌條件下、將干混料加入濕混料中、攪拌均勻，得到膨脹韌性固井水泥漿。
[0042] 實(shí)施例3
[0043] 本實(shí)施例提供一種膨脹韌性固井水泥漿，以重量份計(jì)，其包括以下組分：100重量 份水泥、11重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、4重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、偏高 嶺土的級(jí)配混合物、35重量份石英砂、55重量份蒸餾水、1重量份醛酮縮合物分散劑、2. 5重 量份PVA降失水劑、2. 5重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑、0. 5重量 份磷酸三丁酯。
[0044] 上述膨脹韌性固井水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：
[0045] 將11重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、4重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、 偏高嶺土的級(jí)配混合物、35重量份石英砂、2. 5重量份PVA降失水劑、1重量份醛酮縮合物分 散劑與100重量份水泥進(jìn)行干混，混合均勻，得到干混料，備用；其中，上述改性丁腈橡膠粉 的粒徑為0. 074-0. 178毫米，礦渣粉的粒徑不大于0. 045毫米，粉煤灰的粒徑不大于0. 125 毫米，超細(xì)水泥的粒徑不大于〇. 018毫米，偏高嶺土的粒徑不大于0. 0065毫米；
[0046] 再將2. 5重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份磷酸三丁酯消泡劑、0. 5重量份 有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑與55重量份蒸餾水進(jìn)行濕混，混合均勻，得到濕混料；
[0047] 在攪拌條件下，將干混料加入濕混料中，攪拌均勻，得到膨脹韌性固井水泥漿。
[0048] 實(shí)施例4
[0049] 本實(shí)施例提供一種膨脹韌性固井水泥漿，以重量份計(jì)，其包括以下組分：100重量 份水泥、14重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、6重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、偏高 嶺土的級(jí)配混合物、20重量份石英砂、87重量份精鐵礦粉、0. 8重量份膨潤(rùn)土、55重量份蒸 餾水、0. 9重量份醛酮縮合物分散劑、2重量份AMPS類(lèi)聚合物降失水劑、1. 9重量份AMPS類(lèi) 聚合物緩凝劑、〇. 5重量份有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑、0. 5重量份磷酸三丁酯。
[0050] 上述膨脹韌性固井水泥漿的制備方法，其包括以下步驟：
[0051] 將14重量份改性丁腈橡膠粉的級(jí)配混合物、6重量份礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、 偏高嶺土的級(jí)配混合物、20重量份石英砂、87重量份精鐵礦粉、0. 8重量份膨潤(rùn)土、2重量份 AMPS類(lèi)聚合物降失水劑、0. 9重量份醛酮縮合物分散劑與100重量份水泥進(jìn)行干混，混合均 勻，得到干混料，備用；其中，上述改性丁腈橡膠粉的粒徑為0. 074-0. 178毫米，礦渣粉的粒 徑不大于0. 045毫米，粉煤灰的粒徑不大于0. 125毫米，超細(xì)水泥的粒徑不大于0. 018毫 米，偏高嶺土的粒徑不大于〇. 0065毫米；
[0052] 再將1. 9重量份AMPS類(lèi)聚合物緩凝劑、0. 5重量份磷酸三丁酯消泡劑、0. 5重量份 有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑與55重量份蒸餾水進(jìn)行濕混，混合均勻，得到濕混料；
[0053] 在攪拌條件下，將干混料加入濕混料中，攪拌均勻，得到膨脹韌性固井水泥漿。
[0054] 實(shí)施例5
[0055] 本實(shí)施例提供了實(shí)施例1至實(shí)施例4中的膨脹韌性固井水泥漿的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)， 其中，密度的測(cè)量、流動(dòng)度的測(cè)量、API失水的測(cè)量、游離液的測(cè)量、稠化時(shí)間的測(cè)量是按照 GB/T19139油井水泥試驗(yàn)方法進(jìn)行的。
[0056] 上述性能測(cè)試的結(jié)果如表1所示：
[0057] 表 1
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種膨脹韌性固井水泥漿，以重量份計(jì)，其包括以下組分： 100重量份水泥、6-14重量份增韌材料、3-80重量份增強(qiáng)材料、8-120重量份密度調(diào)節(jié) 劑、0. 5-2. 5重量份懸浮穩(wěn)定劑、20-40重量份高溫穩(wěn)定劑、35-100重量份蒸餾水、0. 5-2重 量份分散劑、0. 5-4重量份降失水劑、0. 3-4重量份緩凝劑、0. 1-2重量份抑泡劑、0. 1-2重量 份消泡劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述水泥為硅酸鹽水泥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述增韌材料為改性丁腈橡膠 粉不同粒徑的級(jí)配混合物；優(yōu)選地，所述改性丁腈橡膠粉的粒徑為0. 074-0. 178毫米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述增強(qiáng)材料為礦渣粉、粉煤 灰、超細(xì)水泥、微硅、超細(xì)碳酸鈣、偏高嶺土中的一種或兩種以上的組合；優(yōu)選地，所述增強(qiáng) 材料為礦渣粉、粉煤灰、超細(xì)水泥、微硅、超細(xì)碳酸鈣、偏高嶺土中的任意3-4種的不同顆粒 的級(jí)配混合物；更優(yōu)選地，所述礦渣粉的粒徑不大于0. 045毫米，所述粉煤灰的粒徑不大于 0. 125毫米，所述超細(xì)水泥的粒徑不大于0. 018毫米，所述微硅的粒徑不大于0. 003毫米，所 述超細(xì)碳酸鈣的粒徑不大于〇. 013毫米，所述偏高嶺土的粒徑不大于0. 0065毫米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述密度調(diào)節(jié)劑為漂珠、玻璃微 珠、重晶石、精鐵礦粉中的任一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述分散劑為醛酮縮合物或萘 系分散劑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述降失水劑為2-丙烯酰 胺-2-甲基丙磺酸類(lèi)聚合物或聚乙烯醇；所述緩凝劑為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸類(lèi)聚合 物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述懸浮穩(wěn)定劑為膨潤(rùn)土或硅 藻土；所述高溫穩(wěn)定劑為石英砂。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹韌性固井水泥漿，其中，所述抑泡劑為有機(jī)硅類(lèi)抑泡劑； 所述消泡劑為磷酸三丁酯。
10. 權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的膨脹韌性固井水泥漿的制備方法，其包括以下步驟： a、 將增韌材料、增強(qiáng)材料、密度調(diào)節(jié)劑、懸浮穩(wěn)定劑、高溫穩(wěn)定劑、降失水劑、分散劑與 水泥進(jìn)行干混，混合均勻，得到干混料； b、 再將緩凝劑、消泡劑、抑泡劑與蒸餾水進(jìn)行濕混，混合均勻，得到濕混料； c、 將干混料加入到濕混料中，攪拌均勻，得到膨脹韌性固井水泥漿。
【文檔編號(hào)】C09K8/467GK104371678SQ201410638311
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】靳建洲, 徐 明, 劉碩瓊, 張華 , 袁進(jìn)平, 于永金, 齊奉忠, 李勇, 劉子帥 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院