一种耐高温韧性油井水泥外掺料及其制备方法

一种耐高温韧性油井水泥外掺料及其制备方法

摘要：本发明公开了一种耐高温韧性油井水泥外掺料及其制备方法，涉及油气田开发固井材料技术领域。本发明的耐高温韧性油井水泥外掺料按重量百分比计由以下原料组成：高温强度稳定材料60%～70%；高温强度增强材料20%；高温增韧材料10%～20%；所述高温强度增强材料为氮化硅和有机硅树脂微粉按照1:1或1.5:1的比例混合而成的混合物；所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂。本发明的抗高温韧性油井水泥外掺料，具有抗高温强度衰退及增韧的特点，且外掺料本身绿色环保，成本低。

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210065151.X

专利申请（专利权）人：嘉华特种水泥股份有限公司
权利人地址：四川省乐山市市中区九峰路马鞍山2号

专利发明（设计）人：赵峰,曾雪玲,赵建胜,古安林,龙丹

主权利要求:一种耐高温韧性油井水泥外掺料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及油气田开发固井材料技术领域，更具体地说涉及一种耐高温韧性油井水泥外掺料及其制备方法。
背景技术
[0002] 针对日益严峻的能源紧缺问题，寻找资源量大、再生性强且清洁的新能源具有重要的战略意义。在地热资源中，其热储层具有“储量大、分布广、稳定性好以及利用率高”等特点，同时热储层也是一种环保洁净的绿色能源。在热储层的开采过程中，高温环境下水泥基固井材料的性能是确保固井质量的关键，对热储层的开采起到决定性作用。针对常规水泥基固井材料在热储层开采固井过程中流动性控制、高温下的强度衰减、脆性破坏等关键技术问题，对热储层开采水泥基固井材料体系进行系统性的研究具有重要的工程意义与科学价值。
[0003] 公开日为2018年4月13日，公开号为CN107902933A，名称为“一种油井水泥抗高温衰退外掺料及其制备方法”的发明专利申请，该发明专利申请解决水泥浆体系不适用于超高温与超大温差同时存在的地热井固井的问题。该发明专利申请公开的抗高温衰退外掺料包括40%～60%光伏硅；15%～30%气相二氧化硅；15%～30%重烧氧化镁；1%～2%矿物纤维。该发明专利申请能有效保证在200℃以上的抗压强度，达到降低抗压强度的衰退的效果。
[0004] 公开日为2019年4月26日，公开号为CN109679600A，名称为“纳米材料混合改性超高温高性能固井水泥浆体系及其制备方法”的发明专利申请，该发明专利申请公开的固井水泥浆体系中各组分及重量比如下：油井水泥100份，粗硅砂15～25份，细硅砂15～20份，纳米二氧化硅1～10份，纳米碳酸钙1～10份，消泡剂0.2～1份，降失水剂4～10份，减阻剂0～3份，缓凝剂0.5～4份，水30～100份。该发明水泥浆体系在超高温的条件下水泥石具有优良的抗压强度和韧性，且随养护时间的延长抗压强度和弹性模量不发生明显的变化。
[0005] 公开日为2021年3月30日，公开号为CN112574730A，名称为“一种油井水泥强度衰退抑制剂”的发明专利申请，该发明专利申请公开的强度衰退抑制剂包括如下组分：组分(1)，二氧化硅，30‑60份；组分(2)，三氧化二铝，40‑70份。该发明的油井水泥强度衰退抑制剂可以改变水泥水化产物，提高水泥石的密实性，降低水泥石的孔隙度和渗透率，从而可以有效抑制超深井高温复杂条件下油井水泥强度的衰退，适用温度范围广，且不会对水泥浆性能产生不利影响。
[0006] 上述现有技术，均针对高温环境下，水泥抗压强度衰退的问题进行了研究，关于水泥在超高温环境下的韧性研究较少，但韧性是水泥石超高温环境下一个重要的指标。因此，研发出一种适用于超高温环境下既能保证水泥强度不衰退，又能保证其韧性的材料尤为重要。
发明内容
[0007] 为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了耐高温韧性油井水泥外掺料及其制备方法本发明的发明目的在于提供一种适用于超高温环境下，既能保证水泥强度不衰退，又能保证其韧性的材料。本发明的油井水泥外掺料其组分按重量百分比计，包括60%～70%高温强度温度材料，20%高温强度增强材料；10%～20%高温增韧材料。本发明的耐高温韧性油井水泥外掺料具有抗高温强度衰退及增韧的特点。
[0008] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。
[0009] 本发明第一方面提供了一种耐高温韧性油井水泥外掺料，按重量百分比计由以下原料组成：
[0010] 高温强度稳定材料60%～70%；
[0011] 高温强度增强材料20%；
[0012] 高温增韧材料10%～20%；
[0013] 所述高温强度增强材料为氮化硅和有机硅树脂微粉混合而成的混合物；所述高温增韧材料为聚醚醚酮树脂。
[0014] 进一步的，所述高温强度增强材料为氮化硅和有机硅树脂微粉按照1:1的比例混合而成的混合物。
[0015] 进一步的，所述高温强度增强材料为氮化硅和有机硅树脂微粉按照1.5:1的比例混合而成的混合物。
[0016] 更进一步的，所述高温强度稳定材料为废弃耐火砖粉，所述废弃耐火砖粉中SiO2的含量≥95%，粉体细度≥800目。
[0017] 所述有机硅树脂微粉为白色粉末，有效物质含量＞99%，粉体细度≥800目。
[0018] 本发明第二方面提供了一种耐高温韧性油井水泥外掺料的制备方法，该制备方法具体为：将高温强度稳定材料、高温强度增强材料和高温增韧材料按上述比例混合后得到所述耐高温韧性油井水泥外掺料。
[0019] 与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
[0020] 1、本发明的耐高温韧性油井水泥外掺料，具有抗高温强度衰退及增韧的特点，且外掺料本身绿色环保，成本低。
[0021] 2、本发明中高温增强材料抗腐蚀能力强，抗高温能力强，可以抵抗热冲击，提高高温强度，预防高温环境下，水泥石强度衰退。有机硅树脂粒径小，分子主链结构是‑O‑Si‑O‑，硅氧键很稳定，不容易断开，在水泥内部能够起到充填作用，降低孔隙数量及大小，从而使水泥石表现出耐高温，强度不衰退性能。
[0022] 3、在水泥浆反应过程中，高温增韧微粒与水泥浆颗粒之间，相互穿插，彼此聚集，提高基体内部各水化产物之间胶结强度。由于高温增韧微粒所具有的结构具有较强的柔性作用，使得应力相对分散，降低了水泥石的脆性，也在一定程度上提高了水泥石的弹韧性。
[0023] 4、本发明选用废弃耐火砖粉作为高温强度稳定材料，能够有效起到固废再利用，且废弃耐火砖主要成分为二氧化硅，满足高温固井材料的性能需求。
[0024] 5、本发明申请的耐高温韧性油井水泥外掺料，利用废弃耐火砖二氧化硅含量高，比表面积大，表面活性高等特点保证了水泥浆体系的钙硅比及高温强度。高温增强材料为有机基团与无机结构的相互配合，增强了材料的机械性能及柔性。高温韧性材料是一种主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，由于其特殊的结构不仅可以提高材料的柔性，而且还能在一定程度上增强材料的机械强度。依据协同增效的作用原理，有机材料与无机材料的相互配合，按照一定的比例混合而成的耐高温韧性外掺料具有绿色环保，耐高温，机械强度高，柔性好，成本低的特点。
具体实施方式
[0025] 下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 以下实施例均按照GB/T19139标准制备水泥浆，其中G级油井水泥由嘉华特种水泥股份有限公司提供，高温缓凝剂和高温降失水剂为四川旭冉鸿宸新材料有限公司提供，高温缓凝剂为AMPS类聚合物；高温降失水剂2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸类聚合物。高温稳定剂为黏土类矿物。且以下实施例使用的G级油井水泥、高温缓凝剂、高温降失水剂、抗高温强度韧性油井水泥外掺料和高温稳定剂的比例均相同。
[0027] 实施例1
[0028] 作为本发明一较佳实施例，本实施例采用的耐高温韧性油井水泥外掺料具体组成如下表所示：
[0029]
[0030] 所述高温强度温度材料为废气耐火砖粉，所述废气耐火砖粉中SiO2的含量≥95%，粉体细度≥800目；所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉按照质量比3:2进行混合的混合物；所述高温增韧材料聚醚醚酮树脂。上述外掺料按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得固井水泥浆体系。
[0031] 实施例2
[0032] 作为本实施例又一较佳实施例，本实施例采用的耐高温韧性油井水泥外掺料具体组成如下表所示：
[0033]
[0034] 所述高温强度温度材料为废气耐火砖粉，所述废气耐火砖粉中SiO2的含量≥95%，粉体细度≥800目；所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉按照质量比3:2进行混合的混合物；所述高温增韧材料聚醚醚酮树脂。上述外掺料按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得固井水泥浆体系。
[0035] 实施例3
[0036] 作为本发明又一较佳实施例，本实施例采用的耐高温退韧性油井水泥外掺料具体组成如下表所示：
[0037]
[0038] 所述高温强度温度材料为废气耐火砖粉，所述废气耐火砖粉中SiO2的含量≥95%，粉体细度≥800目；所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉按照质量比3:2进行混合的混合物；所述高温增韧材料聚醚醚酮树脂。上述外掺料按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得固井水泥浆体系。
[0039] 实施例4
[0040] 作为本发明又一较佳实施例，本实施例采用的耐高温韧性油井水泥外掺料具体组成如下表所示：
[0041]
[0042] 所述高温强度温度材料为废气耐火砖粉，所述废气耐火砖粉中SiO2的含量≥95%，粉体细度≥800目；所述高温强度增强材料为氮化硅微粉和有机硅树脂微粉按照质量比1:1进行混合的混合物；所述高温增韧材料聚醚醚酮树脂。上述外掺料按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得固井水泥浆体系。
[0043] 实施例5
[0044] 作为本发明又一较佳实施例，本实施例是对实施例1‑4中得到的水泥浆工程性能进行测试。按照下述配方进行210℃实验：G级油井水泥（以G级油井水泥100%计）+45%耐高温韧性油井水泥外掺料+2%高温稳定剂+1.5%高温缓凝剂+6%高温降失水剂。实验结果如下表所示：
[0045]
[0046] 根据上表中的实验数据，可以得出实施例1‑4配置的浆体各项高温工程性能良好，满足施工要求。本发明中抗高温强度韧性油井水泥外掺料与高温缓凝剂、降失水剂等具有良好的配伍性，安全可泵时间可控，有利于提高高温固井作业施工安全。
[0047] 实施例6
[0048] 作为本发明又一较佳实施例，将上述实施例1‑4以及采用800目石英砂替代本申请外掺料而得到的水泥浆样品，倒入铜模成型后放入高温养护釜中养护，养护温度为260℃，养护周期为2d、7d、28d。采用NYSQ‑2017压力试验机进行抗压强度的测试，检测结果见下表。按照下述配方进行试验：G级油井水泥（以G级油井水泥100%计）+45%耐高温韧性油井水泥外掺料+2%高温稳定剂+1.5%高温缓凝剂+6%高温降失水剂；G级油井水泥（以G级油井水泥100%计）+45%800目石英砂+2%高温稳定剂+1.5%高温缓凝剂+6%高温降失水剂。

[0049]
[0050] 由上表中的数据可知，实施例1‑4养护一定的龄期后，抗压强度并未出现衰退的现象，而加入800目石英砂的试样出现强度严重的衰退。本发明中的技术方案所提供的水泥浆体系，内部结构密实度高，抗温材料性能好，因此抗高温性能更好。
[0051] 实施例7
[0052] 作为本发明又一较佳实施例，将上述实施例1‑4以及加入800目石英砂而得到的水泥浆样品，倒入铜模成型后放入高温养护釜中养护，养护温度为260℃，养护周期为2d、7d、28d。对养护成型后的水泥石进行取芯，之后进行三轴力学性能测试。水泥石力学测试标准依据GB/T50266‑2013《工程岩体试验方法标准》，实验所用设备RTR‑1000型三轴岩石力学测试，检测结果如下表所示：

[0053]
[0054] 通过上述案例可知，采用本发明中的技术方案，加入特定的高温强度稳定剂、高温强度增强剂及高温韧性材料后，有效改善了固井水泥的韧性及高温强度稳定性，得到的水泥浆固化后的产物同时具有优良的抗高温性能及韧性，能够满足高温固井工程的水泥浆的性能要求。
[0055] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

专利地区：四川

专利申请日期：2022-01-20

专利公开日期：2023-01-20

专利公告号：CN114409302B