本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系及其制備方法和設(shè)計(jì)方法，屬于油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著淺層油氣資源的日益枯竭，油氣資源勘探和開(kāi)發(fā)逐漸走向深部地層，深井以及超深井?dāng)?shù)量正在逐年增長(zhǎng)。而隨著油氣井深度的增加，井底的溫度也將相應(yīng)的提高，部分油氣井的井底溫度將會(huì)超過(guò)150℃，甚至達(dá)到200℃。另外，我國(guó)也擁有豐富的稠油資源，稠油油藏的火燒油層、注蒸汽吞吐等開(kāi)發(fā)技術(shù)也會(huì)使井底產(chǎn)生150℃～350℃的高溫。井底的高溫高壓環(huán)境對(duì)固完井工程，尤其對(duì)固井水泥漿體系提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，新型高溫固井水泥漿體系的研發(fā)對(duì)于我國(guó)油氣資源的勘探與開(kāi)發(fā)具有非常重大的意義。

固井的目的是封隔地層和支撐及保護(hù)套管。油井水泥是固井作業(yè)中最為常用的材料。水泥漿凝固后所形成水泥環(huán)的完整性將直接決定固井質(zhì)量以及油氣井的使用壽命，水泥石的力學(xué)性能對(duì)水泥環(huán)完整性有至關(guān)重要的影響。在深部地層的水泥環(huán)除了受到較高的地層圍壓外，還會(huì)受到油氣生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的循環(huán)載荷，以及軸向和徑向的壓力。所以水泥石不僅要具有足夠高的抗壓強(qiáng)度，還要有較好的韌性，才能充分滿足油氣井固井以及后續(xù)油氣生產(chǎn)的要求。

目前所常用的油井水泥為一種波特蘭水泥，其主要成分為硅酸鈣和鋁酸鈣類的礦物。油井水泥在高溫條件下(溫度超過(guò)110℃)會(huì)發(fā)生強(qiáng)度下降和滲透率急劇增大的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致水泥環(huán)完整性失效，難以實(shí)現(xiàn)封隔地層和支撐套管的目的。因此，需要對(duì)常規(guī)的油井水泥漿體系進(jìn)行優(yōu)化，改善其在高溫下的力學(xué)性能。

目前防止水泥石高溫強(qiáng)度衰退的最普遍的方法為向水泥中摻加30～40％的石英砂或石英粉，通過(guò)降低油井水泥中CaO與SiO₂(C/S)的摩爾比(鈣硅比)，來(lái)改善水泥的水化產(chǎn)物并形成更加致密的結(jié)構(gòu)。雖然石英砂的加入可以有效提高水泥石在高溫下的抗壓強(qiáng)度，但也會(huì)明顯提升水泥石的彈性模量，即韌性降低。除了最常用的石英砂，也可以用其他添加劑來(lái)防止水泥石的強(qiáng)度衰退，如中國(guó)專利文件CN105331341A中所涉及的利用高嶺土改善水泥石的力學(xué)性能，通過(guò)生成在高溫下不發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化的具有鈣長(zhǎng)石結(jié)構(gòu)的水化產(chǎn)物，來(lái)防止水泥石的強(qiáng)度衰退，但是高嶺石對(duì)水泥石強(qiáng)度的提升效果遠(yuǎn)不如石英砂。目前也開(kāi)發(fā)出適用于高溫固井的新型非硅酸鹽水泥漿體系，如中國(guó)專利文件CN102994058A中所涉及的利用Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃和R₂O(Na₂O+K₂O)的組分A以及3CaO·Al₂O₃·CaSO₄、2CaO·SiO₂和6CaO·Al₂O₃·2Fe₂O₃的組分B按照重量比1:1所配制的高溫水泥體系，但是該非硅酸鹽水泥石在高溫下的抗壓強(qiáng)度仍較低。

中國(guó)專利文件CN102220114A公開(kāi)了一種可耐200℃的固井用水泥漿，該水泥漿中使用的降失水劑能夠有效降低水泥漿的失水量，緩凝劑的耐溫能力達(dá)230℃以上，并可保證水泥漿的稠化時(shí)間可調(diào)；減阻劑采用了磺化丙酮甲醛縮聚物，穩(wěn)定劑為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/丙烯酰胺/氮乙烯基吡咯烷酮共聚物，保證了水泥漿的穩(wěn)定性；熱穩(wěn)定劑為二氧化硅固體顆粒普通80目石英砂，提高水泥石的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B能力，并且二氧化硅抗高溫能力高達(dá)350℃。但是，該固井用水泥漿添加有80目石英砂，會(huì)明顯降低水泥石的韌性，且在高溫下的水泥石抗壓強(qiáng)度仍有待加強(qiáng)。

中國(guó)專利文件CN105694832A公開(kāi)了一種油田固井用耐高溫大溫差的水泥漿體，原料組分及重量含量如下，G級(jí)油井水泥：600份、HS101L降失水劑：(30～36)份、HS201L緩凝劑：(8～20)份、HS-301S分散劑：1.8份、石英砂：150份、微硅粉：30份、HS-XF1S懸浮穩(wěn)定劑：1.8份、水：(280～300)份和二(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸鈉：1份；石英砂的粒徑為80～120目，微硅粉的粒徑為300～400目且二氧化硅含量在90％以上。雖然該水泥漿在常溫井段有較高的抗壓強(qiáng)度，但是隨著溫度的升高，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度超過(guò)150℃時(shí)，該水泥漿體系仍會(huì)發(fā)生強(qiáng)度衰退現(xiàn)象。

另外，現(xiàn)有提高水泥石韌性的主要方法是向水泥漿中加入橡膠顆粒、彈性微球、纖維或乳膠。但是，橡膠顆粒和彈性微球會(huì)破壞水泥石的均一結(jié)構(gòu)，從而明顯降低水泥石的抗壓強(qiáng)度；纖維會(huì)使水泥漿的流變性變差，并破壞水泥漿在高溫下的沉降穩(wěn)定性；乳膠的制備較為復(fù)雜，與其他固井添加劑的配合也不夠理想。

因此，需要開(kāi)發(fā)出新型的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，來(lái)滿足深層油氣井和稠油熱采井固井的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系及其制備方法和設(shè)計(jì)方法，以解決目前油井水泥漿體系耐高溫性差、韌性不足的問(wèn)題。本發(fā)明的水泥漿體系具有高強(qiáng)度和高韌性的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效緩解水泥石在高溫條件下發(fā)生的強(qiáng)度衰退以及韌性不足的難題，滿足油氣井固井的要求?？蛇m用于深層油氣井和稠油熱采井固井，可提高固井質(zhì)量并延長(zhǎng)油氣井生產(chǎn)時(shí)間。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的油井水泥是油井G級(jí)水泥、油井H級(jí)水泥、油井A級(jí)水泥、油井C級(jí)水泥中的一種。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的粗石英砂和細(xì)石英砂的總加量為油井水泥質(zhì)量的35％～45％。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的納米二氧化硅是納米二氧化硅粉末、納米二氧化硅水溶膠中的一種；

優(yōu)選的，所述的納米二氧化硅的制備方法是化學(xué)氣相沉積法、液相法、離子交換法、沉淀法和溶膠凝膠法等化學(xué)制備方法中的一種，納米二氧化硅呈非晶形結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的納米二氧化硅粉末是一種白色無(wú)定型固體蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量≥90％，粉末顆粒為圓球形。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的納米二氧化硅水溶膠是一種透明至微乳白的液體，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量為25～50％，粉末顆粒為圓球形。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的納米二氧化硅的最優(yōu)加量為油井水泥質(zhì)量的6％～8％。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的降失水劑是油田固井常用的丁二烯-苯乙烯膠乳降失水劑、醋酸乙烯酯-乙烯膠乳降失水劑、丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合類降失水劑中的一種或兩種以上混合。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的分散劑是油田固井常用的磺化甲醛-丙酮縮聚物分散劑，或者聚萘磺酸鹽分散劑中的一種。

根據(jù)本發(fā)明，所述的水可以是淡水、海水和礦化度水中的一種。

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

根據(jù)本發(fā)明，上述高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的制備方法，包括步驟如下：

將油井水泥、粗石英砂、細(xì)石英砂、納米二氧化硅、降失水劑和分散劑混合均勻，然后加入水?dāng)嚢杈鶆?，即得高?qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系。

根據(jù)本發(fā)明，一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的設(shè)計(jì)方法，包括步驟如下：

(1)根據(jù)油井水泥中每種礦物的成分和含量，計(jì)算出水泥的鈣硅質(zhì)量比，根據(jù)不同溫度下所生成抗高溫的水化產(chǎn)物，以油井水泥的鈣硅質(zhì)量比為0.8～1.1為標(biāo)準(zhǔn)，確定該水泥漿體系中所需的石英砂加量；

(2)根據(jù)Hudson堆積模型，以孔隙率最小為標(biāo)準(zhǔn)，確定石英砂的粒徑；根據(jù)Andreason方程確定該水泥漿體系中石英砂所采取的不同粒徑的質(zhì)量比；

(3)為了進(jìn)一步提高水泥石的抗壓強(qiáng)度和韌性，向該水泥漿體系中加入納米二氧化硅，從而可以有效填充水泥石的微孔隙；根據(jù)水泥石中微孔隙的尺寸分布以及納米二氧化硅的比表面積，以累計(jì)孔隙體積達(dá)總孔隙體積90％時(shí)的孔隙直徑為標(biāo)準(zhǔn)，確定納米二氧化硅的粒徑。

本發(fā)明的固井水泥漿體系在高溫條件下具有超高的抗壓強(qiáng)度且不發(fā)生強(qiáng)度衰退現(xiàn)象，并且還有較低的彈性模量和良好的韌性。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)有：(1)根據(jù)油井水泥原料以及不同高溫水泥水化產(chǎn)物中的鈣硅比，計(jì)算出高溫固井水泥漿體系中石英砂的合理加量，從而有效提高水泥石的抗壓強(qiáng)度；(2)采取二元顆粒級(jí)配的石英砂組合，根據(jù)緊密堆積理論，確定每種石英砂粒徑的大小與加量，在進(jìn)一步提高水泥石抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，能夠增強(qiáng)水泥石的韌性；(3)向高溫水泥漿體系中創(chuàng)新性的引入納米二氧化硅作為微填充材料，來(lái)提升水泥石的強(qiáng)度和韌性，其特點(diǎn)有：(a)本發(fā)明所使用的是化學(xué)方法制備的非晶形納米二氧化硅，與石英砂以及其他固井添加劑可以很好的配合使用；(b)通過(guò)對(duì)納米二氧化硅粒徑的優(yōu)選，利用納米二氧化硅的高比表面積促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，并且納米二氧化硅能與石英砂起到協(xié)同作用來(lái)更有效的改善水泥水化產(chǎn)物；(c)通過(guò)對(duì)納米二氧化硅加量的優(yōu)選，使納米二氧化硅顆粒可填充于水泥水化產(chǎn)物所形成的微孔隙中，讓水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密，在進(jìn)一步提升水泥石抗壓強(qiáng)度和防止高溫強(qiáng)度衰退的同時(shí)，可以有效降低水泥石的彈性模量，提高水泥石的韌性。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明的水泥漿體系具有較高的抗壓強(qiáng)度和韌性，在150℃、30MPa條件下養(yǎng)護(hù)1～28天，抗壓強(qiáng)度>60MPa，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)不發(fā)生強(qiáng)度衰退；彈性模量<10GPa，且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)不發(fā)生明顯的變化。

2、本發(fā)明的水泥漿體系具有技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉、制備方便等特點(diǎn)，以現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)固井設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)配制。

3、本發(fā)明水泥漿體系的設(shè)計(jì)方法也可以科學(xué)的指導(dǎo)設(shè)計(jì)其他高溫水泥漿體系，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例2制得的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，在150℃、30MPa條件下養(yǎng)護(hù)1～28天的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展曲線圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制得的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，在150℃、30MPa條件下養(yǎng)護(hù)5天后，利用SEM所觀察到水泥石的微觀結(jié)構(gòu)照片。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。

實(shí)驗(yàn)方法：按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19139-2003“油井水泥試驗(yàn)方法”制備的高溫固井水泥漿，并參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6544-2003“油井水泥漿性能要求”、SY/T 6466-2000“油井水泥石抗高溫性能評(píng)價(jià)方法”測(cè)試高溫固井水泥漿體系的性能。

實(shí)施例中所用原料如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)市購(gòu)產(chǎn)品。

實(shí)施例1：以G級(jí)油井水泥為例，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的配方

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的設(shè)計(jì)方法，包括步驟如下：

(1)根據(jù)油井水泥中每種礦物的成分和含量，計(jì)算出水泥的鈣硅質(zhì)量比，根據(jù)不同溫度下所生成抗高溫的水化產(chǎn)物，以油井水泥的鈣硅質(zhì)量比為0.8～1.1為標(biāo)準(zhǔn)，確定該水泥漿體系中所需的石英砂加量；

(2)根據(jù)Hudson堆積模型，以孔隙率最小為標(biāo)準(zhǔn)，確定石英砂的粒徑；根據(jù)Andreason方程確定該水泥漿體系中石英砂所采取的不同粒徑的質(zhì)量比；

(3)為了進(jìn)一步提高水泥石的抗壓強(qiáng)度和韌性，向該水泥漿體系中加入納米二氧化硅，從而可以有效填充水泥石的微孔隙；根據(jù)水泥石中微孔隙的尺寸分布以及納米二氧化硅的比表面積，以累計(jì)孔隙體積達(dá)總孔隙體積90％時(shí)的孔隙直徑為標(biāo)準(zhǔn)，確定納米二氧化硅的粒徑。

以G級(jí)油井水泥為例，其礦物組成如表1所示：

表1一種G級(jí)油井水泥的礦物組成

通過(guò)表1油井水泥的礦物組分，計(jì)算出該水泥的鈣硅比為2.63。油井水泥在高溫下的水化產(chǎn)物以水化硅酸二鈣(C₂SH)為主，其鈣硅比大于或等于2。而加入石英砂后的油井水泥，在110～150℃時(shí)，所生成的水化產(chǎn)物以雪硅鈣石(C₅S₆H₅)為主，而在150～220℃時(shí)的水化產(chǎn)物以硬硅鈣石(C₆S₆H)為主。雪硅鈣石和硬硅鈣石都是在高溫下具有高強(qiáng)度的水化產(chǎn)物，其鈣硅比一般為0.83～1。所以為了調(diào)節(jié)油井水泥的鈣硅原子數(shù)比至1左右，可以計(jì)算出石英砂的加量應(yīng)該為油井水泥質(zhì)量的35％～45％。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了石英砂的加量為油井水泥質(zhì)量的35％～45％時(shí)，可以有效提高水泥石在高溫下的抗壓強(qiáng)度。

通過(guò)前期的實(shí)驗(yàn)，初步確定當(dāng)加入石英砂的粒徑與水泥顆粒粒徑相近時(shí)，可以有效防止水泥石的高溫強(qiáng)度衰退。為了進(jìn)一步提高該高溫水泥漿體系的強(qiáng)度，采取二元顆粒級(jí)配的石英砂，并根據(jù)緊密填充原理，確定石英砂的具體粒徑和加量。根據(jù)Hudson堆積模型，等徑二元小球所堆積形成的三角形孔隙中球的尺寸比為0.17～0.20時(shí)，其孔隙率最小。因此，首先選取與水泥顆粒大小幾乎相等的200目(粒徑約為50～90μm)石英砂作為顆粒級(jí)配的第一級(jí)，后選取1000目的石英砂(粒徑約為10～15μm)作為顆粒級(jí)配的第二級(jí)。根據(jù)Andreason方程可以確定，200目的石英砂與1000目的石英砂的加量比為1:1～1.2:1。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了200目石英砂與1000目石英砂相組合，要比單獨(dú)加入時(shí)更有效的提高水泥石的抗壓強(qiáng)度，且還能夠提高水泥石的韌性。

通過(guò)SEM和TEM等微觀實(shí)驗(yàn)，可以觀察到在加入石英砂的高溫水泥石中存在較多納米級(jí)的微孔隙，這些微孔隙會(huì)對(duì)水泥石的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度以及韌性產(chǎn)生不利影響。因此，本發(fā)明的高溫水泥漿體系還將采用納米二氧化硅作為微填充材料。為了使所加入的納米二氧化硅和其他水泥添加劑能夠有效配合，且不影響水泥礦物的正常水化反應(yīng)，本發(fā)明將使用非晶形的納米二氧化硅。之后，再根據(jù)水泥石中微孔隙的尺寸以及納米顆粒比表面積的大小，對(duì)納米二氧化硅的粒徑進(jìn)行優(yōu)選。當(dāng)納米二氧化硅在水泥漿中含量較低時(shí)，其納米顆粒會(huì)發(fā)生團(tuán)聚作用，有效的填充水泥石的微孔隙。但當(dāng)納米二氧化硅在水泥漿中含量較高時(shí)，其可以參與水泥的水化反應(yīng)，生成蜂窩狀的水化產(chǎn)物C₃S₂H₄，反而會(huì)降低水泥石的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得出納米二氧化硅的加量為固井水泥質(zhì)量的2％～10％時(shí)，能夠有效起到微填充作用，提高水泥石的抗壓強(qiáng)度和韌性。

試驗(yàn)例1：不同加量的粗石英砂對(duì)高溫水泥漿體系抗壓強(qiáng)度的影響測(cè)試

向G級(jí)油井水泥中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粒徑為50～90μm的粗石英砂，以水灰質(zhì)量比為0.38配制水泥漿，在不同的高溫環(huán)境下分別養(yǎng)護(hù)1天和5天后，測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，如表2所示。

表2不同粗石英砂加量對(duì)高溫水泥漿體系抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，向高溫水泥漿體系中加入粗石英砂能夠有效提高其抗壓強(qiáng)度。隨著石英砂加量的增加，水泥石的抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸提高。但粗石英砂的加量超過(guò)水泥質(zhì)量40％時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度發(fā)生下降。根據(jù)計(jì)算所得油井水泥原料以及高溫水化產(chǎn)物中的鈣硅比，從而確定該高溫水泥漿體系中所需石英砂的理論加量為35％～45％。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以確定粗石英砂的最優(yōu)加量為35％～45％，與理論計(jì)算值相符。

試驗(yàn)例2：不同粒徑的石英砂對(duì)高溫水泥漿體系抗壓強(qiáng)度的影響測(cè)試

向G級(jí)油井水泥中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％的不同粒徑(組合)的石英砂，以水灰質(zhì)量比為0.38配制水泥漿，在不同的高溫環(huán)境下分別養(yǎng)護(hù)5天后，測(cè)量其抗壓強(qiáng)度和彈性模量，如表3所示。

表3不同粒徑的石英砂對(duì)高溫水泥漿體系抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同粒徑的石英砂對(duì)高溫水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度有不同的影響。隨著石英砂粒徑的減小，水泥石的抗壓強(qiáng)度先會(huì)逐漸提高，但是當(dāng)粒徑小于50μm時(shí)，抗壓強(qiáng)度又會(huì)逐漸下降。所以，向高溫水泥漿體系中加入石英砂的最優(yōu)粒徑為50～90μm。而不同粒徑的石英砂對(duì)水泥石彈性模量的影響并不大。根據(jù)緊密堆積理論，優(yōu)選出二元顆粒級(jí)配的石英砂組合，即20％的50～90μm粗石英砂和20％的10～15μm細(xì)石英砂。將該石英砂組合加入到油井水泥漿體系中，不僅可以進(jìn)一步提高水泥石在高溫下的抗壓強(qiáng)度，還能夠明顯降低水泥石的彈性模量，增強(qiáng)水泥石的韌性。

試驗(yàn)例3：納米二氧化硅對(duì)高溫固井水泥漿體系抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響測(cè)試

向G級(jí)油井水泥中加入已確定好的石英砂組合，即20％的50～90μm粗石英砂和20％的10～15μm細(xì)石英砂，之后加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅，以水灰比為0.38配制水泥漿，在不同的高溫環(huán)境下分別養(yǎng)護(hù)5d后，測(cè)量其抗壓強(qiáng)度和彈性模量，如表4所示。

表4納米二氧化硅對(duì)高溫水泥漿體系抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響

根據(jù)表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，向含石英砂的高溫水泥漿體系中加入少量納米二氧化硅，不僅能夠有效提高水泥石的抗壓強(qiáng)度，還能有效降低水泥石的彈性模量，使該高溫水泥漿體系具有高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)。而當(dāng)納米二氧化硅的加量超過(guò)10％時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低，所以該高溫水泥漿體系的納米二氧化硅加量可以為2％～10％，最優(yōu)加量為6％～8％。

實(shí)施例2：高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系組成

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

油井G級(jí)水泥100份、粗石英砂20份、細(xì)石英砂15份、納米二氧化硅水溶膠6份、降失水劑5份、分散劑1份、水51.3份；

所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的納米二氧化硅水溶膠是一種透明至微乳白的液體，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量為25～50％，粉末顆粒為圓球形；

所述的降失水劑是丁二烯-苯乙烯膠乳降失水劑，所述的分散劑是磺化甲醛-丙酮縮聚物分散劑。

制備方法，包括步驟如下：

將油井G級(jí)水泥、粗石英砂、細(xì)石英砂、納米二氧化硅、降失水劑和分散劑混合均勻，然后加入水?dāng)嚢杈鶆颍吹酶邚?qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系。

本實(shí)施例得到的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，在150℃、30MPa條件下養(yǎng)護(hù)1～28天的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，該水泥漿體系具有很高的抗壓強(qiáng)度(>60MPa)，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)不發(fā)生強(qiáng)度衰退。另外，該水泥漿體系具有較低的彈性模量較低(<10MPa),且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)不發(fā)生明顯的變化。

本實(shí)施例制得的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，在150℃、30MPa條件下養(yǎng)護(hù)5天后，利用SEM所觀察到水泥石的微觀結(jié)構(gòu)照片如圖2所示。從圖2中可以看出，該水泥漿體系的水化產(chǎn)物以針狀和片狀的水化硅酸鈣為主，在高溫下能夠保持穩(wěn)定形態(tài)并互相膠結(jié)形成空間結(jié)構(gòu)。另外，水泥石中微空隙的尺寸大約為20～50nm，而加入的納米二氧化硅顆?？梢杂行У奶畛溆谒a(chǎn)物的微孔隙中，使所形成的水泥石具有更加致密的整體結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例3：

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

油井G級(jí)水泥100份、粗石英砂20份、細(xì)石英砂20份、納米二氧化硅水溶膠8份、降失水劑8份、分散劑2份、水65份；

所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的納米二氧化硅水溶膠是一種透明至微乳白的液體，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量為25～50％，粉末顆粒為圓球形；

所述的降失水劑是醋酸乙烯酯-乙烯膠乳降失水劑，所述的分散劑是聚萘磺酸鹽分散劑。

制備方法同實(shí)施例2。

實(shí)施例4：

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

油井H級(jí)水泥100份、粗石英砂25份、細(xì)石英砂20份、化學(xué)氣相沉積法納米二氧化硅粉末7份、降失水劑6份、分散劑1.5份、水70份；

所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的納米二氧化硅粉末是一種白色無(wú)定型固體蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量≥90％，粉末顆粒為圓球形；

所述的降失水劑是丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物降失水劑，所述的分散劑是聚萘磺酸鹽分散劑。

制備方法同實(shí)施例2。

實(shí)施例5：

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

油井A級(jí)水泥100份、粗石英砂20份、細(xì)石英砂18份、納米二氧化硅水溶膠2份、降失水劑3.2份、分散劑0.8份、水50份；

所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的納米二氧化硅水溶膠是一種透明至微乳白的液體，密度介于1.10～1.40g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量為25～50％，粉末顆粒為圓球形；

所述的降失水劑是醋酸乙烯酯-乙烯膠乳降失水劑，所述的分散劑是聚萘磺酸鹽分散劑。

制備方法同實(shí)施例2。

實(shí)施例6：

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

油井C級(jí)水泥100份、粗石英砂20份、細(xì)石英砂20份、化學(xué)氣相沉積法納米二氧化硅粉末4份、降失水劑4份、分散劑1.2份、水60份；

所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的納米二氧化硅粉末是一種白色無(wú)定型固體蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量≥90％，粉末顆粒為圓球形；

所述的降失水劑是丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物降失水劑，所述的分散劑是聚萘磺酸鹽分散劑。

制備方法同實(shí)施例2。

實(shí)施例7：

一種高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系，包括如下質(zhì)量份的組分組成：

油井C級(jí)水泥100份、粗石英砂20份、細(xì)石英砂20份、化學(xué)氣相沉積法納米二氧化硅粉末7份、降失水劑5份、分散劑1份、水52份；

所述的粗石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.30～2.65g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于50～90μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的細(xì)石英砂是一種白色無(wú)定形固體粉末，密度介于2.40～2.85g/cm³，顆粒呈圓球形，粒徑介于10～15μm，二氧化硅質(zhì)量含量≥95％；

所述的納米二氧化硅粉末是一種白色無(wú)定型固體蓬松粉末，密度介于0.60～1.50g/cm³，粒徑介于12～30nm，二氧化硅質(zhì)量含量≥90％，粉末顆粒為圓球形；

所述的降失水劑是丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物降失水劑，所述的分散劑是聚萘磺酸鹽分散劑。

制備方法同實(shí)施例2。

對(duì)比例1

本對(duì)比例為普通G級(jí)油井水泥原漿，水灰質(zhì)量比為0.44。

對(duì)比例2

本對(duì)比例為加石英砂的常規(guī)高溫固井水泥漿體系，水泥為普通G級(jí)油井水泥，水灰質(zhì)量比0.38；石英砂加量為水泥質(zhì)量的35％，平均粒徑為50μm。

試驗(yàn)例4：高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系漿體性能測(cè)試

以實(shí)施例2高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系為測(cè)試對(duì)象，先將配漿的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系固相干灰組份和液相組份各自稱量好并混勻，測(cè)試該水泥漿體系的密度、API失水量、初始稠度、稠化時(shí)間和流變參數(shù)，以及在不同高溫條件下養(yǎng)護(hù)5d后抗壓強(qiáng)度和彈性模量，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的漿體性能

根據(jù)表5的測(cè)試結(jié)果可知，本發(fā)明的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系具有良好的流變性能、較低的失水量以及合適的初始稠度和稠化時(shí)間，其綜合性能完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)固井施工的有關(guān)要求，為深層油氣井以及稠油熱采井的成功固井提供技術(shù)保障。

試驗(yàn)例5：高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試

以實(shí)施例2的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系為測(cè)試對(duì)象，在不同高溫條件下養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間后，測(cè)試水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

根據(jù)表6的測(cè)試結(jié)果可知，本發(fā)明所涉及的高強(qiáng)度高韌性耐高溫固井水泥漿體系具有高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)，可以解決目前油井水泥耐高溫性差、韌性不足的問(wèn)題，適用于深層油氣井和稠油熱采井固井。

試驗(yàn)例6：不同水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的性能對(duì)比

以對(duì)比例1、對(duì)比例2和實(shí)施例2的固井水泥漿體系為測(cè)試對(duì)象，在不同高溫條件下養(yǎng)護(hù)5天后，測(cè)試水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7對(duì)比不同水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

根據(jù)表7的測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)比例1的油井水泥原漿隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，抗壓強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯的下降，無(wú)法起到隔離地層和支撐套管的要求。對(duì)比例2的固井水泥漿體系相比于對(duì)比例1油井水泥原漿，在高溫養(yǎng)護(hù)條件下具有更高的抗壓強(qiáng)度，但同時(shí)也有更高的彈性模量，該水泥石的脆性會(huì)對(duì)水泥環(huán)的完整性產(chǎn)生不利影響。本發(fā)明實(shí)施例2的高溫固井水泥漿體系，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算石英砂加量、顆粒級(jí)配石英砂尺寸以及采用納米二氧化硅填充微孔隙，使水泥石在高溫養(yǎng)護(hù)條件下不僅具有更高的抗壓強(qiáng)度，且彈性模量也較常規(guī)高溫水泥漿體系有明顯的降低，即水泥石的韌性得到提高。

以上結(jié)果表明本發(fā)明所涉及的高溫固井水泥漿體系可以有效解決目前油井水泥漿體系高溫強(qiáng)度衰退、韌性不足的問(wèn)題，能夠明顯提高深層油氣井以及稠油熱采井的固井質(zhì)量。

當(dāng)然，以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式而已，應(yīng)當(dāng)指出本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾均屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。