本發(fā)明涉及油氣井工程固井材料，更具體地說涉及一種萬米深井用新型耐高溫固井水泥漿體系。

背景技術：

1、深層、超深層油氣資源已成為我國油氣藏增儲上產的重要領域，在油氣井開采過程中，固井是保障井筒全生命周期安全生產和實現效益開發(fā)的關鍵工程技術，然而深井甚至于萬米超深井固井都將面臨超高溫、超高壓的工況環(huán)境，極易導致水泥漿發(fā)生異常膠凝現象、漿體懸浮穩(wěn)定性差以及水泥石強度急劇衰退等問題，進而影響固井施工安全以及井筒長效封隔質量。因此，急需解決這一系列問題才能實現對超高溫水泥漿體系工作性能穩(wěn)定控制。

2、現有技術手段主要是從抗強度衰退和外加劑合成優(yōu)化等方面來調整水泥漿工作性能。例如，申請公布日為2020年4月28日，申請公布號為cn111072350a，名稱為“一種抗高溫固井水泥漿體系”的發(fā)明專利申請公布文本，具體公開了該體系由硅酸鹽水泥：60-75%；抗強度衰退劑：15-25%；晶型穩(wěn)定劑：2-8%；高溫緩凝劑：0.5-6%；高溫降失水劑：3-8%組成。主要通過加入晶型穩(wěn)定劑，在水泥漿水化時參與水化反應，金屬離子進入水化硅酸鈣的結構中，起到阻止水化產物中雪硅鈣石轉向硬硅鈣石的轉變，使水泥石保持致密結構，從而具有良好的高溫穩(wěn)定性。

3、又如，申請公布日為2022年11月8日，申請公布號為cn115304317a，名稱為“一種抗高溫強度衰退油井水泥漿體系”的發(fā)明專利申請公布文本，具體公開了該體系由膠凝材料：47.5wt%～72.5wt%；硅砂：15wt%～25wt%；抗高溫強度衰退材料：10wt%～25wt%；高溫穩(wěn)定劑：2wt%；分散劑：0.5wt%組成。具有抗高溫強度衰退和高溫性能穩(wěn)定的優(yōu)點，能夠有效緩解水泥石在高溫條件下發(fā)生的強度衰退難題，滿足油氣井固井的要求。

4、又如，申請公布日為2018年10月26日，申請公布號為cn108706927a，名稱為“一種高溫水泥漿用懸浮穩(wěn)定劑及其制備的抗高溫水泥漿”的發(fā)明專利申請公布文本，具體公開了該懸浮穩(wěn)定劑由0.5～4份纖維類材料，1～5份表面活性劑類粉體材料，0.5～2份絮凝劑類粉體材料組成。利用懸浮穩(wěn)定劑制備的抗高溫水泥漿，初始稠度低，沉降穩(wěn)定性好。

5、再如，申請公布日為2021年12月3日，申請公布號為cn113736016a，名稱為“油井水泥用耐高溫聚合懸浮穩(wěn)定劑水泥漿及其制備方法”的發(fā)明專利申請公布文本，具體公開了該體系由硅酸鹽水泥、硅粉、降失水劑、緩凝劑sd210、消泡劑、配漿水以及耐高溫聚合物懸浮穩(wěn)定劑等組成。公開的耐高溫懸浮穩(wěn)定劑性能可耐至200℃高溫，能夠避免因高溫熱降解導致聚合物黏度的明顯下降，從而增強其高溫懸浮能力。

6、總體而言，上述技術手段中主要是針對高溫水泥漿面臨的某個具體問題來進行的優(yōu)化，鮮有從水泥漿體系的全面性能進行綜合考慮，同時也缺乏對高溫水泥漿引起異常膠凝現象的應對思路，因而難以保證水泥漿在井筒全生命周期中的性能穩(wěn)定控制。

技術實現思路

1、為了克服上述現有技術中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種萬米深井用新型耐高溫固井水泥漿體系，本發(fā)明的發(fā)明目的在于解決高溫水泥漿發(fā)生異常膠凝現象的問題，同時可以兼?zhèn)錆{體的其他性能的穩(wěn)定控制。

2、為了解決上述現有技術中存在的問題，本發(fā)明是通過下述技術方案實現的。

3、本發(fā)明提供了一種萬米深井用新型耐高溫固井水泥漿體系，該固井水泥漿體系包括按重量份計的以下組分：

4、低熱硅酸鹽水泥100份；

5、防異常膠凝材料10~20份；

6、增強抗衰退材料35~55份；

7、懸浮降濾失材料10~20份；

8、高溫降失水劑6~8份；

9、高溫緩凝劑2~5份；

10、所述低熱硅酸鹽水泥的c2s含量≥45?wt.%，比表面積控制在260～300m2/kg，7d水化熱≤250kj/kg；

11、所述防異常膠凝材料包括按重量份計的以下組分：鈉硼解石40~60份，板硼鈣石20~40份，硅硼鈉石10~20份，膽礬5~15份；所述固井水泥漿防異常膠凝材料中，其化學成分要求為：37wt.%＜b2o3≤55wt.%，11wt.%＜cao≤21wt.%，5wt.%＜sio2≤13wt.%，6wt.%＜na2o≤12wt.%，1wt.%＜so3≤6wt.%，1wt.%＜cuo≤6wt.%；所述固井水泥漿防異常膠凝材料的顆粒細度要求為dx(10)≤5μm、dx(50)≤14μm、dx(90)≤30μm。

12、進一步優(yōu)選的，所述防異常膠凝材料中鈉硼解石純度要求≥90wt.%，其化學成分要求為：na2o＞6wt.%、cao＞12wt.%、b2o3＞38wt.%。

13、進一步優(yōu)選的，所述防異常膠凝材料中板硼鈣石純度要求≥90wt.%，其化學成分要求為：cao＞18wt.%、b2o3＞33wt.%。

14、進一步優(yōu)選的，所述防異常膠凝材料中硅硼鈉石純度要求≥90wt.%，其化學成分要求為：na2o＞22wt.%、sio2＞42wt.%、b2o3＞24wt.%。

15、進一步優(yōu)選的，所述防異常膠凝材料中膽礬純度要求≥90wt.%，其化學成分要求為：cuo＞28wt.%、so3＞28wt.%。

16、更進一步優(yōu)選的，所述防異常膠凝材料經過以下步驟處理得到：

17、s1、將40~60份鈉硼解石、20~40份板硼鈣石和10~20份硅硼鈉石混拌均勻，混拌均勻后將其破碎，破碎比控制在40~70；將破碎之后的混合物料粉磨成混合細料，粉碎比控制在400~900；將粉碎之后的混合細料送至高溫煅燒爐中進行煅燒，煅燒溫度控制在800℃~1500℃；煅燒完成后的混合料快速冷卻至室溫，冷卻時間控制在10~20min；冷卻后得到a類混合料；

18、s2、將s1步驟制備出的a類混合料與5~15份膽礬混拌均勻，混拌均勻后進行粉磨，磨細之后得到b類混合料；所述b類混合料的顆粒細度要求為dx(10)≤5μm、dx(50)≤14μm、dx(90)≤30μm；

19、s3、將b類混合料進行鍍膜處理，具體為，將b類混合料加入到鍍膜溶液中混拌均勻并反應設定時間，真空干燥后得到所述防異常膠凝材料。

20、更進一步優(yōu)選的，s3步驟中所述的鍍膜溶液按質量比計，包括以下組分：

21、無水乙醇：酚醛樹脂：聚甲基丙烯酸甲酯：鄰苯二甲酸二甲酯：鄰苯二甲酸二乙酯=(55~70):(15~25):(5~10):(5~10):(5~10)。

22、更進一步優(yōu)選的，s3步驟中所述的鍍膜溶液的濃度為55wt.%～85wt.%。

23、更進一步優(yōu)選的，s3步驟中，b類混合料與鍍膜溶液的用量比為1:(5~20)。

24、更進一步優(yōu)選的，s3步驟中，反應設定時間為5~35min；真空干燥的溫度為35℃~55℃。

25、進一步優(yōu)選的，所述增強抗衰退材料為石英砂與偏高嶺土的混合體，其中以質量比計，石英砂:偏高嶺土＝(80～90):(10～20)。

26、更進一步優(yōu)選的，所述石英砂的成分中sio2≥98?wt.%，粉體細度≥325目；所述偏高嶺土的成分中al2o3≥45wt.%、sio2≥45?wt.%，粉體細度≥800目。

27、進一步優(yōu)選的，所述懸浮降濾失材料為超細碳酸鈣與白云石細粉的混合體，其中以質量比計，超細碳酸鈣:白云石細粉＝(30～70):(30～70)。

28、更進一步優(yōu)選的，所述超細碳酸鈣純度≥90wt.%，粉體細度≥800目；所述白云石細粉純度≥90wt.%，粉體細度≥1000目。

29、進一步優(yōu)選的，所述高溫降失水劑為amps陰離子型聚合物。

30、進一步優(yōu)選的，所述高溫緩凝劑為amps共聚物體系。

31、與現有技術相比，本發(fā)明所帶來的有益的技術效果表現在：

32、1、本發(fā)明采用低熱硅酸鹽水泥作為水泥基材，通過限定水泥組分中硅酸二鈣含量以及降低水泥比表面積，以此緩解高溫環(huán)境下漿體的水化速率，一定程度上能夠抑制水泥漿快速產生異常膠凝現象，有利于漿體施工性能的調節(jié)。

33、2、本發(fā)明采用的懸浮降濾失材料，一方面，利用材料的粒徑小、比表面積大、較高的表面活性等特點，減小水泥漿中固相顆粒間距，起到提黏增稠的作用；另一方面，利用顆粒級配原理，通過“架橋”、堵塞等方式改善水泥濾餅孔隙結構，形成薄而致密的濾餅以達到降低失水量的目的。

34、3、本發(fā)明采用的防異常膠凝材料，從水泥水化產物的角度出發(fā)，能夠解決不同批次下水泥礦物組分波動對水泥漿帶來的異常膠凝影響。

35、其解決原理為：不同批次的水泥，其礦物組分中的鋁酸三鈣含量不同，在水泥漿中的鋁離子含量也會不同，鋁酸三鈣水化速度很快，在水泥漿體中快速形成水化鋁酸鈣凝膠產物，從而使得水泥漿出現增稠等異常膠凝現象；此外，當水泥漿中的鋁離子濃度達到一定程度時，便會與鈣離子、聚合物外加劑中的高分子鏈三者相互結合、交聯，形成互相摻雜的交聯網狀結構，導致水泥漿發(fā)生異常膠凝現象（稠化曲線表現為“鼓包”、“包芯”現象）。本發(fā)明采用的防異常膠凝材料，通過水解反應釋放出硫酸根離子，在中高溫水熱條件下與鋁離子、鈣離子反應生成單硫型硫鋁酸鈣，一方面，降低了水泥漿中鋁離子的含量，防止鋁離子與其他離子以及聚合物外加劑中的高分子鏈形成互相摻雜的交聯網狀結構；另一方面，單硫型硫鋁酸鈣包裹在鋁酸三鈣表面防止其快速水化，進而阻止水泥漿中水化鋁酸鈣的快速形成，從而防止水泥漿出現異常膠凝現象。

36、因此，無論水泥批次以及其礦物組分如何變動，主要還是水泥組分中鋁相含量的差異，本技術手段從根源性上解決了鋁離子對水泥漿帶來的異常膠凝影響，從而使得本發(fā)明的防異常膠凝材料能夠適應不同批次的水泥。

37、4、本發(fā)明采用的防異常膠凝材料能夠針對外加劑與水泥組分發(fā)生絡合異常膠凝問題上進行有效抑制。作用原理為：聚合物類外加劑中的高分子通過爭奪水泥漿中的鈣離子，通常會出現多個聚合物分子螯合一個鈣離子的現象，從而使高分子長鏈聚合物發(fā)生橋聯結網，導致水泥漿出現異常膠凝現象。本發(fā)明采用的防異常膠凝材料，通過水解反應釋放出硼酸根離子和銅離子，一方面，銅離子會剝奪聚合物分子中螯合的鈣離子，由于銅離子相對原子質量比鈣離子大，在水泥漿中銅離子會帶著被螯合的聚合物分子往下沉，從而使多個聚合物分子進行分離；另一方面，硼酸根離子也會搶奪聚合物分子中螯合的鈣離子，優(yōu)先形成硼酸鈣，硼酸鈣迅速包裹在硅酸三鈣和硅酸二鈣的表面，阻止其發(fā)生水化反應，進而延長水泥漿稠化時間，此時被剝奪的聚合物分子在流動狀態(tài)下均勻分散在水泥漿中，以此抑制高分子長鏈聚合物發(fā)生橋聯結網，進而防止水泥漿出現異常膠凝現象。

38、5、本發(fā)明在制備防異常膠凝材料時，將b類混合料進行鍍膜處理，其目的是：b類混合料中的硫酸鹽組分在水泥漿制漿過程中會發(fā)生水解反應，釋放出的硫酸根離子與水泥漿體中的鋁離子和鈣離子反應生成鈣礬石，低溫條件下（一般在70℃以下）鈣礬石較為穩(wěn)定，鈣礬石在形成的過程中會消耗大量的水，同時針狀的鈣礬石相互穿插交錯，極易造成短時間內水泥漿迅速增稠（主要表現在固井水泥漿稠化曲線上的“鼓包”現象），嚴重影響固井施工安全。因此，采取鍍膜的方式，在b類混合料顆粒表面形成一層可塑性樹脂保護膜，低溫條件下能夠有效防止b類混合料中的硫酸鹽成分與水發(fā)生反應，降低了水泥漿體中硫酸根離子的濃度，從而阻止鈣礬石的形成，此時的b類混合料作為充填材料均勻分散在水泥漿中，隨著注漿過程中溫度的升高，樹脂保護膜開始發(fā)生分解（一般在70℃以上），b類混合料開始發(fā)生水解反應，此時雖然會增加水泥漿體中的硫酸根離子濃度，但是生成的鈣礬石在中高溫環(huán)境下極不穩(wěn)定，便會快速分解，不會造成固井水泥漿迅速增稠現象，從而保證固井施工順利進行。

39、6、本發(fā)明中制備防異常膠凝材料時所使用的鍍膜溶液，可以選用現有常用鍍膜溶液，只要可以實現在b類混合料顆粒表面形成一層可塑性樹脂保護膜，并該樹脂保護膜可以在70℃以上分解即可。作為本發(fā)明優(yōu)選的方案，本發(fā)明所使用的鍍膜溶液包括無水乙醇、酚醛樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、鄰苯二甲酸二甲酯和鄰苯二甲酸二乙酯按照設定配比復配而成的，其組成單體及配比是最佳的。

40、7、本發(fā)明對體系中每種材料的化學成分、細度以及純度進行了限定和優(yōu)選，一方面確保材料復配之后得到的固井水泥漿體系各方面性能滿足預期要求，另一方面可以提高水泥漿體系的復配成功率，發(fā)揮出每種材料的最佳性能。