本發(fā)明涉及一種水泥漿體系，尤其涉及一種彈塑性水泥漿體系。本發(fā)明還涉及所述水泥漿體系的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
射孔完井時水泥環(huán)受到較大的沖擊荷載，為了穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，各油田都相繼進(jìn)行注水、壓裂、酸化等增產(chǎn)措施，不同的作業(yè)過程必然會引起井下套管和水泥環(huán)受力狀態(tài)的改變。常規(guī)油井水泥漿體系形成的水泥石是脆性材料，形變能力較差，韌性低，容易導(dǎo)致水泥環(huán)受損，在油井后期生產(chǎn)或作業(yè)過程出現(xiàn)裂紋或者微環(huán)隙，從而使得水泥環(huán)失去密封能力，影響后期生產(chǎn)。同時后期生產(chǎn)過程中，由于井下溫度、套管內(nèi)壓力的變化，引起水泥環(huán)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，因常規(guī)水泥石的缺點易導(dǎo)致水泥環(huán)受損而產(chǎn)生裂紋及其進(jìn)一步的擴(kuò)展，造成地下油氣水層之間的竄流和套管的腐蝕破壞，嚴(yán)重時導(dǎo)致油氣井報廢。根據(jù)《固井技術(shù)規(guī)范-2009》，產(chǎn)層段水泥石24～48小時的抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于14MPa。在本領(lǐng)域，一般要求彈塑性固井水泥石的彈性模量低于8GPa，抗壓強(qiáng)度大于14MPa。因此，本領(lǐng)域急需開發(fā)一種具有較高韌性同時強(qiáng)度又不會大幅降低的新型的彈塑性固井水泥漿體系。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種新型的彈塑性固井水泥漿體系，其具有較高韌性同時強(qiáng)度又不會大幅降低，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
為了實現(xiàn)前述目的，本發(fā)明提供了一種新型的彈塑性固井水泥漿體系，其包括如下組分：100重量份的水泥、0-30重量份的高溫穩(wěn)定劑、0-200重量份的密度調(diào)節(jié)劑、4-10重量份的降濾失劑、0-2重量份的分散劑、0-1.5重量份的緩凝劑、35-110重量份的水、0.1-0.5重量份、優(yōu)選0.2重量份的消泡劑、4-10重量份的增塑劑，以及5-8重量份的納米填充材料。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述高溫穩(wěn)定劑為微硅和/或純度大于 95％的無定型二氧化硅。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述降濾失劑為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合物、酮醛縮合類和聚乙烯醇(PVA)體系中的任意一種或多種。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述分散劑為醛酮縮合物和/或萘系分散劑。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述緩凝劑為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述消泡劑為聚醚類。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，優(yōu)選所述水為自來水或含鹽量小于0.5g/L的水。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述密度調(diào)節(jié)劑為加重劑或減輕劑。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述加重劑為重晶石和/或鐵礦粉，所述加重劑的重量份數(shù)為0-200份，優(yōu)選為0-50份。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述減輕劑為粉煤灰和/或漂珠，所述減輕劑的重量份數(shù)為0-100份，優(yōu)選為0-35份。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述水泥為油井水泥，優(yōu)選為G級油井水泥；
所述納米填充材料為微硅。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述增塑劑為使用顆粒復(fù)合系統(tǒng)包裹工藝技術(shù)制備的平均粒徑在100-300nm范圍內(nèi)的納米微硅包裹140-180目數(shù)、優(yōu)選160目數(shù)的橡膠顆粒的復(fù)合顆粒。
本發(fā)明中所使用的增塑劑是利用顆粒復(fù)合系統(tǒng)(PCS)包覆工藝制得的。其制備流程如圖1所示。本發(fā)明的增塑劑的具體制備方法包括如下步驟：將橡膠顆粒與納米微硅按一定比例加入顆粒復(fù)合系統(tǒng)的混合機(jī)(1)，調(diào)整定量計量系統(tǒng)(2)的實驗工藝參數(shù)，使納米微硅能夠與橡膠顆粒在主機(jī)(3)中充分的接觸、混合，在控制系統(tǒng)(5)的控制下，最后在收集器(4)收集裝置中獲得粉體，形成一種微硅包覆橡膠顆粒的核殼結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明通過顆粒復(fù)合系統(tǒng)包裹工藝，以納米微硅包裹橡膠顆粒，制備的復(fù)合顆粒新型增塑劑，摻入到固井水泥漿中，配制成彈塑性固井水泥漿體系。一方面以剛性顆粒材料納米微硅為殼，避免水泥石強(qiáng)度大幅度降低，保證水泥石的抗壓 強(qiáng)度；另一方面以橡膠顆粒彈性材料為核可以保證水泥石具有較低的彈性模量，提高水泥石受力時的變形能力，增強(qiáng)沖擊荷載下的韌性，達(dá)到改善固井水泥石力學(xué)性能的目的。從而能夠適應(yīng)井下作業(yè)荷載以及環(huán)境變化對水泥環(huán)的影響，保持水泥環(huán)的長期密封能力。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述復(fù)合顆粒的平均粒徑在80-120μm的范圍內(nèi)，優(yōu)選為100μm。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述增塑劑的重量份數(shù)為8份。
當(dāng)加入的增塑劑的重量份數(shù)為4-10份時，對水泥石抗壓強(qiáng)度影響較小，但提高了水泥石的抗折強(qiáng)度和抗沖擊韌性，大幅度降低了水泥石的彈性模量；水泥石表現(xiàn)出了較好的變形能力和較強(qiáng)的抵抗外載荷沖擊的韌性，并且水泥石由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。?dāng)加入的增塑劑的重量份數(shù)為少于4份時，則不能明顯降低彈性模量，改善水泥石脆性；當(dāng)加入的增塑劑的重量份數(shù)為多于10份時，則抗壓強(qiáng)度大幅度降低。當(dāng)所述增塑劑的重量份數(shù)為8份時，則即可有效降低彈性模量，改善水泥石的脆性，提高抗沖擊韌性，增加其變形能力等，又不顯著降低水泥石的抗壓強(qiáng)度，整體效果最好。
除非另有說明，在本發(fā)明中的份數(shù)均為重量份數(shù)。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供上述體系在高溫高壓氣井固井中的應(yīng)用，尤其是在高產(chǎn)氣井和/或頁巖油氣井中的應(yīng)用，優(yōu)選在氣井固井的水泥環(huán)中的應(yīng)用。在本發(fā)明中，除另有說明，所述高溫是指溫度高于120℃，所述高壓是指井口壓力大于70MPa，井底壓力大于105MPa，所述高產(chǎn)是指日產(chǎn)量大于3000m3。
本發(fā)明的有益效果在于：
(1)增塑劑經(jīng)過表面處理后親水性較好，配漿容易；
(2)與各種外加劑配伍性好，固井水泥漿性能穩(wěn)定，滿足高溫固井施工要求；
(3)有效的降低了固井水泥石的脆性，提高了抗沖擊荷載韌性并保持滿足要求抗壓強(qiáng)度；
(4)相對膠乳油井水泥漿體系價格低廉，節(jié)約了成本；
(5)由本發(fā)明的水泥漿體系配制的固井水泥漿凝結(jié)硬化后，不僅提高了水泥石的抗折強(qiáng)度和抗沖擊韌性，而且降低了水泥石的彈性模量，改善了水泥石的脆性，提高其受力后的變形能力，滿足高溫高壓氣井固井需求，尤其適合于當(dāng)前高產(chǎn)氣井及頁巖油氣井中的應(yīng)用。
附圖說明
圖1.本發(fā)明的增塑劑的制備方法的流程圖。其中，1為混合機(jī)，2為定量計量系統(tǒng)，3為主機(jī)，4為收集器，5為控制系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結(jié)合非限制性的具體實施例來對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
在下列實施例中使用的水泥是嘉華G級油井水泥，購自四川嘉華水泥廠。降濾失劑型號是DZJ-Y，分散劑型號是DZS，緩凝劑是DZH-2，消泡劑是DZX-1，加重劑是赤鐵礦粉，納米硅液型號是SCLS，以上外加劑均來自德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司。高溫溫定劑是硅粉，來自鳳陽光明工業(yè)材料有限公司，水采用北京地區(qū)的自來水。
實施例1
采用油井水泥(嘉華G級)96重量份，降濾失劑(DZJ-Y)5重量份，分散劑(DZS)1重量份，緩凝劑(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡劑0.2重量份，增塑劑4重量份，納米填充材料微硅6重量份，配置出密度為1.90g/cm3固井水泥漿體系，93℃和20MPa環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48小時，測試彈性模量為6.5GPa，泊松比為0.20，抗壓強(qiáng)度為30.0MPa。與對比例1的常規(guī)水泥石相比，摻有本發(fā)明的新的增塑劑的彈塑性固井水泥石的彈性模量大幅度降低，說明韌性得到了提高，且抗壓強(qiáng)度沒有大幅降低，基本保持一致，說明保持較高的強(qiáng)度，形變能力明顯改善。
對比例1
采用油井水泥(嘉華G級)100重量份，降濾失劑(DZJ-Y)5重量份，分散劑(DZS)1重量份，緩凝劑(DZH-2)0.5重量份，水40重量份，消泡劑0.2重量份，納米填充材料微硅6重量份，配置出密度為1.90g/cm3油井水泥漿體系，93℃和20MPa環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48小時，測試彈性模量為11.5GPa，泊松比為0.19，抗壓強(qiáng)度為24.1MPa。
實施例2
采用油井水泥(嘉華G級)94重量份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30重量份，降濾失劑(DZJ-Y)5重量份，分散劑(DZS)1.2重量份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70重量份，緩凝劑(DZH-2)0.1重量份，納米液硅5重量份，水67重量份，消泡劑0.2重量份，增塑劑6重量份，配置出密度為2.25g/cm3油井水泥漿體系，130℃和20MPa環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48小時，測試彈性模量為5.4GPa，泊松比為0.20，抗壓強(qiáng)度為23.5MPa。與對比例2相比，本發(fā)明的實施例2的彈塑性固井水泥漿體系硬化后形成的水泥石力學(xué)性能明顯改善。
對比例2
采用油井水泥(嘉華G級)100重量份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30重量份，降濾失劑(DZJ-Y)5重量份，分散劑(DZS)1.2重量份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70重量份，緩凝劑(DZH-2)0.1重量份，納米液硅5重量份，水67重量份，消泡劑0.2重量份，配置出常規(guī)性能的高密度水泥漿體系，密度為2.25g/cm3，130℃和20MPa環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48小時，測試彈性模量為13.1GPa，泊松比為0.19，抗壓強(qiáng)度為27.8MPa。
實施例3
與實施例2相同，不同之處僅在于，采用10重量份增塑劑而非6重量份。測得的彈性模量為4.7GPa，泊松比為0.20，抗壓強(qiáng)度為20.1MPa。
實施例4
與實施例2相同，不同之處僅在于，采用8重量份增塑劑而非6重量份。測得的彈性模量為4.5GPa，泊松比為0.20，抗壓強(qiáng)度為24.3MPa。
從上述實施例可知，當(dāng)本發(fā)明的增塑劑為8重量份時，本發(fā)明的固井水泥漿體系的效果最好。
對比例3
與實施例2相同，不同之處僅在于，采用2重量份增塑劑而非6重量份。測得的彈性模量為10.8GPa，泊松比為0.20，抗壓強(qiáng)度為28.9MPa。
對比例4
與實施例2相同，不同之處僅在于，采用12重量份增塑劑而非6重量份。測得的彈性模量為4.6GPa，泊松比為0.20，抗壓強(qiáng)度為12.4MPa。
比較上述實施例和對比例3和4可知，當(dāng)本發(fā)明的增塑劑在本發(fā)明的4-10重量份之外時，固井水泥漿體系的效果不好。
應(yīng)當(dāng)注意的是，以上所述的實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。通過參照典型實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解為其中所用的詞語為描述性和解釋性詞匯，而不是限定性詞匯?？梢园匆?guī)定在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)對本發(fā)明作出修改，以及在不背離本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行修訂。盡管其中描述的本發(fā)明涉及特定的方法、材料和實施例，但是并不意味著本發(fā)明限于其中公開的特定例，相反，本發(fā)明可擴(kuò)展至其他所有具有相同功能的方法和應(yīng)用。