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CN117304893A - 一种抗超高温固井用水泥浆体系及其制备方法与应用 - Google Patents

一种抗超高温固井用水泥浆体系及其制备方法与应用 Download PDF

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CN117304893A
CN117304893A CN202210710106.5A CN202210710106A CN117304893A CN 117304893 A CN117304893 A CN 117304893A CN 202210710106 A CN202210710106 A CN 202210710106A CN 117304893 A CN117304893 A CN 117304893A
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CN
China
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ultra
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CN202210710106.5A
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靳建洲
陈力力
郭玉超
张华�
刘付臣
马勇
汪瑶
张晓兵
张佳滢
刘子帅
张海志
徐璞
郑友志
于永金
曲从锋
齐奉忠
李勇
徐�明
王贵富
刘硕琼
张弛
吕斌
周崇峰
丁志伟
张顺平
蒋记伟
韩琴
冯宇思
周琛洋
孙一流
燕松兵
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Beijing Huamei Shiji International Technology Co ltd
China National Petroleum Corp
CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
Original Assignee
Beijing Huamei Shiji International Technology Co ltd
China National Petroleum Corp
CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系及其制备方法与应用。该水泥浆体系包括水泥、超高温强度稳定剂、超高温增强材料、密度调节剂、超高温悬浮稳定剂、分散剂、降失水剂、缓凝剂、消泡剂和水，其中该超高温悬浮稳定剂的成分组成为1‑3重量份的醚类淀粉、1‑3重量份的硅铝酸盐和1‑2重量份的聚醇类高聚物。该水泥浆体系的制备方法为：将各原料分别干混和湿混均匀后，将干混料与湿混料混合均匀，得到该水泥浆体系。本发明还提供了该水泥浆体系在高温超高温深井超深井中固井的应用。本发明提供的抗超高温固井用水泥浆体系的抗温能力强、适用范围广，沉降稳定性优异，能够防止水泥石高温强度衰退，保证固井密封效果，提升固井质量。

Description

一种抗超高温固井用水泥浆体系及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种抗超高温固井用水泥浆体系及其制备方法与应用，属于石油开采领域中的钻井技术领域。
背景技术
近年来随着油气藏勘探开发的深入，深井超深井的井深越来越深，深井的高温高压会引起水泥浆稠化时间突变、水泥浆沉降稳定性变差、水泥浆失水量过大、水泥石强度衰退等系列问题。因此，需要研发新的抗高温水泥浆体系以提高水泥浆体系的抗高温能力及浆体稳定性，并降低其温敏性，以确保高温深井固井施工安全、提升固井质量。
针对上述问题，研究机构进行了相关研发。CN111807748A公开了一种高密度水泥浆用高温稳定剂及其制备方法，该高温稳定剂由76-84重量份的膨润土、10-14重量份的改性定优胶、6-10重量份的交联共聚物组成。但该稳定剂仅适用于高密度体系，且上下密度差超过0.03g/cm3。
CN107162512A公开了一种超深井用抗高温水泥浆体系，包括以下重量份的组分：100份水泥、6-18份高温降失水剂、25-40份硅砂、6-15份高温缓凝剂、3-5份高温稳定剂以及0.4-2份分散剂。该水泥浆体系通过研发抗高温降失水剂和缓凝剂，改善了水泥浆的失水性能，保障了200℃条件下水泥浆的稠化时间可调，但并未解决高温条件下水泥浆沉降稳定性变差、水泥石强度衰退等问题。
目前，现有的悬浮稳定剂，可以保证200℃以下水泥浆的沉降稳定性，但仍存在一些问题：(1)常温增稠效果明显，易影响水泥浆下灰时间，且水泥浆稠化初始稠度普遍偏高，增加现场施工作业难度；(2)高温条件下造成水泥浆发生“包芯”现象，导致水泥浆悬浮稳定性降低；(3)悬浮剂中的抗高温增稠高分子聚合物粉体材料，目前主要依靠进口，价格居高不下，致使水泥浆悬浮稳定剂的市场价格偏高；(4)温度超过200℃时，水泥浆体系的沉降稳定性未能较好解决，水泥浆体系的上下密度差超过0.03g/cm3。
目前，对超高温条件下水泥浆失稳机理研究较少，主要通过工程手段提高水泥浆体系的稳定性能以满足应用要求，如降低液固比、掺入超细活性材料、紧密堆积等，但220℃的条件下固井水泥浆体系沉降失稳问题仍未得到有效解决。
目前，在抗高温衰退领域使用的是铝酸盐、磷酸盐水泥，或在G级水泥中加入超细硅材料，高温下强度衰退现象减弱，但没有在根本上解决水泥石强度衰退的问题。
因此，基于上述现状，研发出一种抗超高温固井用水泥浆体系，以提高其沉降稳定性，且能防止水泥石强度衰退，使其适用于深井超深井抗200℃甚至220℃以上超高温作业，成为了本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种抗超高温固井用水泥浆体系及其制备方法与应用。本发明提供的抗超高温固井用水泥浆体系的抗温能力强、适用范围广，并且沉降稳定性优异，同时能够防止水泥石高温强度衰退，能够保证高温超高温条件下固井密封效果，提升固井质量。
为达到上述目的，本发明首先提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：水泥100份，超高温强度稳定剂15-50份，超高温增强材料15-50份，密度调节剂0-140份，超高温悬浮稳定剂1-6份，分散剂0-2份，降失水剂2-9份，缓凝剂0.1-9份，消泡剂0.1-0.5份以及水40-120份；其中，以重量份计，所述超高温悬浮稳定剂的成分组成包括：1-3份的醚类淀粉、1-3份的硅铝酸盐以及1-2份的聚醇类高分子聚合物。
根据本发明的具体实施方式，优选地，以重量份计，所述抗超高温固井用水泥浆体系的原料组成包括：水泥100份，超高温强度稳定剂20-50份，超高温增强材料15-30份，密度调节剂0-140份，超高温悬浮稳定剂3-6份，分散剂0.5-2份，降失水剂2-7份，缓凝剂1-6份，消泡剂0.1-0.5份以及水40-120份。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述醚类淀粉包括羧甲基淀粉、羧乙基淀粉、羧丙基淀粉、羧己基淀粉、磺乙基淀粉以及磺基-2-羟丙基淀粉等中的一种或几种的组合。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述硅铝酸盐为纳米级硅铝酸盐，其粒径范围为直径1～100nm，长度0.5～30μm。更优选地，所述纳米级硅铝酸盐包括纳米级正长石、纳米级沸石、纳米级钙长石以及纳米级埃洛石等中的一种或几种的组合。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述聚醇类高分子聚合物包括聚乙烯醇、聚乙二醇以及聚氧化乙烯等中的一种或几种的组合。其中，聚乙二醇的分子量为200～20000，聚氧化乙烯的分子量为2万以上。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述超高温悬浮稳定剂是通过以下步骤制备得到的：以重量份计，将1-3份的所述醚类淀粉、1-3份的所述硅铝酸盐以及1-2份的所述聚醇类高分子聚合物混合均匀，得到所述的超高温悬浮稳定剂。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述超高温增强材料包括埃洛石、莫来石以及磷酸三钙等中的一种或几种的组合。更优选地，所述超高温增强材料包括质量比为(1-2)：(1-2)：(1-2)的埃洛石、莫来石以及磷酸三钙的混合物。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述超高温强度稳定剂包括石英砂等。更优选地，所述超高温强度稳定剂包括：高纯度100-1500目的酸洗石英砂和/或高纯度100-1500目的石英砂；尤为优选地，所述超高温强度稳定剂包括：高纯度600目的酸洗石英砂和/或高纯度1500目的石英砂。其中，高纯度酸洗石英砂和高纯度石英砂的纯度均为97％以上。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述密度调节剂包括精铁矿粉和/或玻璃微珠等。更优选地，所述精铁矿粉的密度为5.05-7.20g/cm3，所述玻璃微珠的密度为0.44-0.65g/cm3(尤为优选为0.6g/cm3)。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述分散剂包括醛酮缩聚物类分散剂和/或聚苯乙烯磺酸盐类分散剂等。其中，醛酮缩聚物类分散剂和聚苯乙烯磺酸盐类分散剂均可以为本领域常规使用的水泥浆体系的分散剂。例如，醛酮缩聚物类分散剂可以包括分散剂DRS-1S、分散剂SAF、分散剂SXY、分散剂USZ以及分散剂SDJZ-1等中的一种或几种的组合。聚苯乙烯磺酸盐类分散剂可以包括聚苯乙烯磺酸钠等。更优选地，所述分散剂为分散剂DRS-1S。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述降失水剂包括丙烯酰胺聚合物类降失水剂等。所述降失水剂可以为本领域常规使用的水泥浆体系的降失水剂。更优选地，所述降失水剂包括降失水剂DRF-2L、降失水剂PC-G83L、降失水剂PC-G80L以及降失水剂LX-1等中的一种或几种的组合。更优选地，所述降失水剂为降失水剂DRF-2L。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述缓凝剂包括丙烯酰胺聚合物类缓凝剂和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物类缓凝剂等。所述缓凝剂可以为本领域常规使用的水泥浆体系的缓凝剂。更优选地，所述缓凝剂包括缓凝剂DRH-2L、缓凝剂JXH-2L以及缓凝剂HX-36L等中的一种或几种的组合。更优选地，所述缓凝剂为缓凝剂DRH-2L。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述消泡剂包括有机酯类、聚氧丙烯甘油醚以及聚二甲基硅氧烷等中的一种或几种的组合；更优选地，所述有机酯类包括磷酸三丁酯。所述消泡剂可以为本领域常规使用的水泥浆体系的消泡剂。尤为优选地，所述消泡剂为有机酯类消泡剂DRX-1L。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系中，优选地，所述水泥包括G级油井水泥。例如：嘉华G级、华油G级、胜维G级以及萌成G级等中的一种或几种的组合。
根据本发明的具体实施方式，优选地，所述抗超高温固井用水泥浆体系的密度为1.35-2.35g/cm3，适用温度范围为30℃-240℃，在所述适用温度范围的上下密度差不高于0.03g/cm3。更优选地，所述抗超高温固井用水泥浆体系的适用温度范围为200℃-240℃，且在所述适用温度范围(即，200℃-240℃条件下)，其上下密度差不高于0.03g/cm3。尤为优选地，所述抗超高温固井用水泥浆体系的适用温度范围为220℃-240℃，且在所述适用温度范围(即，220℃-240℃条件下)，其上下密度差不高于0.03g/cm3。
本发明的抗超高温固井用水泥浆体系所采用的超高温悬浮稳定剂为重量比为(1-3)：(1-3)：(1-2)的醚类淀粉、硅铝酸盐以及聚醇类高分子聚合物的组合物。该超高温悬浮稳定剂以上述特定比例的醚类淀粉、硅铝酸盐、聚醇类高聚物复配而成，通过聚醇类高分子聚合物中的耐温抗盐基团的引入，以及无机矿物材料(即硅铝酸盐)和有机小分子增粘物质(即醚类淀粉)的引入，利用三者特定比例的复配产生协同作用，达到了在水泥浆体系中抗超高温悬浮稳定效果优异的效果，使水泥浆体系在240℃高温条件下也能保持优异的沉降稳定性。
本发明的水泥浆体系中还含有超高温增强材料、超高温强度稳定剂等其他组分，这些组分与本发明的超高温悬浮稳定剂协同作用，使本发明的水泥浆体系的适用温度范围为30℃-240℃，高温下水泥浆体系的沉降稳定性优异，使水泥浆体系的密度为1.35-2.35g/cm3，在适用温度范围作业时的上下密度差不高于0.03g/cm3，尤其是在220℃-240℃作业时的上下密度差不高于0.03g/cm3，且密度可调，稠化曲线正常，满足不同工况下对水泥浆体系密度的需求；同时能有效防止水泥石高温强度衰退，水泥石抗压强度大35MPa；能够保证高温超高温深井超深井条件下固井密封效果，提升固井质量。
另一方面，本发明还提供了一种上述的抗超高温固井用水泥浆体系的制备方法，其包括以下步骤：(1)以重量份计，将100份水泥、15-50份(优选为20-50份)超高温强度稳定剂、15-50份(优选为15-30份)超高温增强材料、0-140份密度调节剂、1-6份(优选为3-6份)超高温悬浮稳定剂、0-2份(优选为0.5-2份)分散剂混合均匀，得到一干混料；(2)以重量份计，将2-9份(优选为2-7份)降失水剂、0.1-9份(优选为1-6份)缓凝剂、0.1-0.5份消泡剂以及40-120份水混合均匀，得到一湿混料；(3)在搅拌条件下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，再继续搅拌一段时间后，得到所述的抗超高温固井用水泥浆体系。
在上述制备方法中，优选地，在步骤(3)中，在4000±200r/min的转速下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，再在12000±500r/min的转速下，继续搅拌35-50s，得到所述的抗超高温固井用水泥浆体系。
此外，本发明还提供了一种上述的抗超高温固井用水泥浆体系在高温和/或超高温、深井和/或超深井和/或特超深井中固井的应用。
在上述抗超高温固井用水泥浆体系在高温和/或超高温、深井和/或超深井中固井的应用中，优选地，所述高温和/或超高温的温度为200℃-240℃，更优选为220℃-240℃，所述深井的深度为4500-6000m，超深井的深度为6000-9000m，特超深的深度为9000m以上。
综上所述，本发明提供的抗超高温固井用水泥浆体系的抗温能力强，适用范围广，适用温度范围为30℃-240℃，并且沉降稳定性优异。该水泥浆体系的密度为1.35-2.35g/cm3，在适用温度范围作业时(尤其是在220℃-240℃温度范围作业时)的上下密度差不高于0.03g/cm3，密度可调，能够满足不同工况下对水泥浆体系密度的需求。并且该水泥浆体系在适用温度范围内稠化时间可调，稠化初始稠度低，下灰时间短(50s以内)，且其流变性能优异，触变小，避免了稠化曲线“鼓包”、“起台阶”等问题，稠化曲线正常。同时，本发明的水泥浆体系能够防止水泥石高温强度衰退，水泥石28天抗压强度大于35MPa。因此，本发明的抗超高温固井用水泥浆体系能够保证高温超高温、深井超深井特超深井条件下固井密封效果，提升固井质量。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》开展实验，对以下实施例和对比例制备的水泥浆体系的稠化性能、流动度、API失水量、自由水含量、沉降稳定性以及抗压强度进行评价。主要实验仪器包括：30-60型瓦棱搅拌器、8240型高温高压稠化仪，CHANDLER公司产品；HH-420型恒温数显水箱，常州市亿能实验仪器厂。
以下实验过程中使用的油井水泥为高抗硫酸盐型(HSR)G级油井水泥，嘉华特种水泥股份有限公司生产。实验用水为蒸馏水。水泥浆体系配方中的生物聚合物类悬浮稳定剂DRK-3S、磺化醛酮缩聚物类分散剂DRS-1S、丙烯酰胺聚合物类缓凝剂DRH-2L、丙烯酰胺聚合物类降失水剂DRF-2L及有机酯类消泡剂DRX-1L，均为中石油集团工程技术研究院有限公司生产的产品。
实施例1
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，3份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，4份降失水剂DRF-2L，3份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系是按照以下方法制备得到的：(1)按照上述比例，将G级油井水泥、超高温强度稳定剂、超高温增强材料、超高温悬浮稳定剂、分散剂混合均匀，得到一干混料；(2)按照上述比例，将降失水剂、缓凝剂、消泡剂以及水混合均匀，得到一湿混料；(3)在4000±200r/min的转速下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，待干混料完全加入到湿混料中之后，盖上搅拌杯杯盖，将搅拌器转速调整至12000±500r/min，继续搅拌35s，得到所述的抗超高温固井用水泥浆体系。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表1。
实施例2
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，30份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，35份密度调节剂(其为空心玻璃微珠，密度0.60g/cm3)，4.5份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1份分散剂DRS-1S，6份降失水剂DRF-2L，4份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及115份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系是按照以下方法制备得到的：(1)按照上述比例，将G级油井水泥、超高温强度稳定剂、超高温增强材料、密度调节剂、超高温悬浮稳定剂、分散剂混合均匀，得到一干混料；(2)按照上述比例，将降失水剂、缓凝剂、消泡剂以及水混合均匀，得到一湿混料；(3)在4000±200r/min的转速下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，待干混料完全加入到湿混料中之后，盖上搅拌杯杯盖，将搅拌器转速调整至12000±500r/min，继续搅拌35s，得到所述的抗超高温固井用水泥浆体系。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的密度为1.35g/cm3，其各项实验结果见表1。
实施例3
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，3.2份降失水剂DRF-2L，3.2份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的制备方法与实施例1相同。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表1。
实施例4
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，140份密度调节剂(其为铁矿粉，密度7.20g/cm3)，5.5份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.5份分散剂DRS-1S，4.5份降失水剂DRF-2L，3.5份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及96份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的制备方法与实施例2相同。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的密度为2.35g/cm3，其各项实验结果见表1。
实施例5
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4.5份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，5.5份降失水剂DRF-2L，5份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的制备方法与实施例1相同。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表1。
实施例6
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆组合物，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：1：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，3.2份降失水剂DRF-2L，3.2份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆组合物的制备方法与实施例1相同。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆组合物的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表2。
实施例7
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆组合物，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为2：2：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，3.2份降失水剂DRF-2L，3.2份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆组合物的制备方法与实施例1相同。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆组合物的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表2。
实施例8
本实施例提供了一种抗超高温固井用水泥浆组合物，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚氧化乙烯的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，3.2份降失水剂DRF-2L，3.2份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆组合物的制备方法与实施例1相同。
本实施例的抗超高温固井用水泥浆组合物的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表2。
对比例1
本对比例提供了一种水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，2.5份生物聚合物类悬浮稳定剂DRK-3S，1.2份分散剂DRS-1S，4份降失水剂DRF-2L，3份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及51份水。
本对比例的水泥浆体系是按照以下方法制备得到的：(1)按照上述比例，将G级油井水泥、超高温强度稳定剂、悬浮稳定剂、分散剂混合均匀，得到一干混料；(2)按照上述比例，将降失水剂、缓凝剂、消泡剂以及水混合均匀，得到一湿混料；(3)在4000±200r/min的转速下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，待干混料完全加入到湿混料中之后，盖上搅拌杯杯盖，将搅拌器转速调整至12000±500r/min，继续搅拌35s，得到所述的水泥浆体系。
本对比例的水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表3。
对比例2
本对比例提供了一种水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，3份生物聚合物类悬浮稳定剂DRK-3S，1.2份分散剂DRS-1S，4.5份降失水剂DRF-2L，4份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及51份水。
本对比例的水泥浆体系的制备方法与对比例1相同。
本对比例的水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表3。
对比例3
本对比例提供了一种水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，3.5份生物聚合物类悬浮稳定剂DRK-3S，1.2份分散剂DRS-1S，5.5份降失水剂DRF-2L，5份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及51份水。
本对比例的水泥浆体系的制备方法与对比例1相同。
本对比例的水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表3。
对比例4
本对比例提供了一种水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4份高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、硫酸铝和聚乙二醇的混合物)，1.2份分散剂DRS-1S，5.5份降失水剂DRF-2L，5.5份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本对比例的水泥浆体系的制备方法与对比例1相同。
本对比例的水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表3。
对比例5
本对比例提供了一种水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份超高温增强材料(其为质量比为1：1：1的埃洛石、莫来石和磷酸三钙的混合物)，4.5份高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2的羧甲基淀粉钠和纳米级埃洛石粉的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，5.5份降失水剂DRF-2L，5份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本对比例的水泥浆体系的制备方法与对比例1相同。
本对比例的水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表3。
对比例6
本对比例提供了一种水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：100份嘉华G级油井水泥，50份超高温强度稳定剂(其为600目纯度97％以上的酸洗石英砂)，20份高温增强材料(其为300目偏高岭土)，4.5份超高温悬浮稳定剂(其为质量比为1：2：1的羧甲基淀粉钠、纳米级埃洛石粉和聚乙二醇的混合物，其中，纳米级埃洛石粉的尺寸为直径30～100nm，长度0.5～1μm)，1.2份分散剂DRS-1S，5.5份降失水剂DRF-2L，5份缓凝剂DRH-2L，0.2份消泡剂DRX-1L以及58份水。
本对比例的水泥浆体系的制备方法与对比例1相同。
本对比例的水泥浆体系的密度为1.90g/cm3，其各项实验结果见表3。
表1
表2
表3
由表1和表2数据可以看出，本发明的抗超高温固井用水泥浆体系的密度可调，全部实施例的抗超高温固井用水泥浆体系流动度均大于22cm，API失水量均小于50mL，自由水含量为0，满足固井施工的要求。稠化性能测试表明，本发明全部实施例的抗超高温固井用水泥浆体系的稠化时间可调，且稠化曲线正常，无“鼓包”等异常现象。水泥石抗压强度测试表明，本发明全部实施例的抗超高温固井用水泥浆体系养护成的水泥石，常规密度体系和高密度体系的7d(7天)抗压强度均大于40MPa，低密度体系的7d抗压强度大于35MPa。
实施例1与对比例1的水泥浆体系的区别主要在于：实施例1将对比例1中的2.5份悬浮稳定剂换成3份超高温悬浮稳定剂，且加入了20份超高温增强材料。由表1和表3的数据对比可以看出，在相同实验条件下，对比例1的水泥浆体系的流动度为21cm，实施例1的水泥浆体系流动度的为24cm，说明本发明的超高温悬浮稳定剂提高了水泥浆体系的流动性。对比例1的水泥浆体系养护成的水泥石的7d抗压强度为35MPa，实施例1的水泥浆体系养护成的水泥石的7d抗压强度为42.5MPa，水泥石的7d抗压强度提高了21.4％，说明本发明的超高温增强材料有效提高了高温下水泥石的力学性能。
实施例3与对比例2的水泥浆体系的区别主要在于：实施例3将对比例2中的3份悬浮稳定剂换成4份超高温悬浮稳定剂，且加入了20份超高温增强材料。相同实验条件下，对比例2的水泥浆体系的稠化曲线“鼓包”，上下密度差为0.34g/cm3，自由水含量为0.01％；实施例3的水泥浆体系的稠化曲线正常，上下密度差为0.02g/cm3，自由水含量为0。本发明的超高温悬浮稳定剂有效解决了稠化曲线异常、水泥浆包芯、沉降的问题，提升了水泥浆的稳定性。对比例2的水泥浆体系养护成的水泥石的7d抗压强度为30MPa，实施例3的水泥浆体系养护成的水泥石的7d抗压强度为40.8MPa，水泥石的7d抗压强度提高了36％，说明本发明的超高温增强材料有效提高了超高温下水泥石的力学性能。
实施例2、实施例3、实施例4分别为密度1.35g/cm3、1.90g/cm3、2.35g/cm3的水泥浆体系。实施例2的水泥石7d抗压强度为36.4MPa，水泥浆上下密度差为0.02g/cm3，API失水量为46ml。实施例3的水泥石7d抗压强度为40.8MPa，上下密度差为0.02g/cm3，API失水量为37ml。实施例4的水泥石7d抗压强度为43.6MPa，上下密度差为0.03g/cm3，API失水量为42ml。相同实验条件下，较对比例2的水泥石的抗压强度有效提升，上下密度差均小于等于0.03g/cm3，密度可调，其他各项性能满足超高温固井施工性能。
实施例5与对比例3的水泥浆体系的区别主要在于：实施例5将对比例3中的3.5份悬浮稳定剂换成4.5份超高温悬浮稳定剂，且加入了20份超高温增强材料。相同实验条件下，对比例3的水泥浆体系的稠化曲线“起台阶”，水泥浆体系流动度为20cm，上下密度差为0.40g/cm3，自由水含量为0.02％；实施例5的水泥浆体系的稠化曲线正常，水泥浆体系流动度为23cm，上下密度差为0.03g/cm3，自由水含量为0；说明本发明的超高温悬浮稳定剂有效解决了240℃高温下水泥浆体系流动度、稳定性差的问题。
实施例5与对比例4、对比例5的水泥浆体系的区别主要在于：实施例5调整了对比例4、5中的高温悬浮稳定剂具体配方。相同实验条件下，对比例4的水泥浆体系的上下密度差为0.19g/cm3，自由水含量为0.01％；对比例5的水泥浆体系的上下密度差为0.17g/cm3，自由水含量为0.01％；实施例5的水泥浆体系的上下密度差为0.03g/cm3，自由水含量为0；说明只有采用本发明提供的超高温悬浮稳定剂的具体组成才能够有效解决240℃高温下水泥浆体系稳定性差的问题。实施例5与对比例6的水泥浆体系的区别主要在于：实施例5将对比例6中的高温增强材料偏高岭土，替换为超高温增强材料。相同实验条件下，对比例6的水泥浆体系增稠严重，稠化时间缩短明显。这主要是由于偏高岭土虽然有高温防衰退作用，但是其与体系配伍性差。而本发明的超高温增强材料与体系配伍性好，有效提高了高温下水泥石的力学性能。
因此，本发明提供的抗超高温固井用水泥浆体系的抗温能力强，适用范围广，适用温度范围为30℃-240℃，并且沉降稳定性优异。该水泥浆体系的密度为1.35-2.35g/cm3，在适用温度范围作业时的上下密度差不高于0.03g/cm3，尤其是在220℃-240℃条件下的上下密度差不高于0.03g/cm3，密度可调，能够满足不同工况下对水泥浆体系密度的需求。并且本发明的水泥浆体系在高温下流变性能优异，触变小，适用温度范围内稠化时间可调，稠化初始稠度低，下灰时间短(50s以内)，避免了稠化曲线“鼓包”、“起台阶”等问题，稠化曲线正常，解决了220℃-240℃条件下水泥浆体系稳定性差、强度衰退的问题，而且稠化时间与温度、密度等线性关系较好。同时，本发明的水泥浆体系能够防止水泥石高温强度衰退，水泥石28天抗压强度大于35MPa。本发明的抗超高温固井用水泥浆体系能够保障高温超高温深井超深井特超深井固井施工安全，保证固井密封效果，提升固井质量。

Claims (15)

1.一种抗超高温固井用水泥浆体系，以重量份计，其原料组成包括：水泥100份，超高温强度稳定剂15-50份，超高温增强材料15-50份，密度调节剂0-140份，超高温悬浮稳定剂1-6份，分散剂0-2份，降失水剂2-9份，缓凝剂0.1-9份，消泡剂0.1-0.5份以及水40-120份；
其中，以重量份计，所述超高温悬浮稳定剂的成分组成包括：1-3份的醚类淀粉、1-3份的硅铝酸盐以及1-2份的聚醇类高分子聚合物。
2.根据权利要求1所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述醚类淀粉包括羧甲基淀粉、羧乙基淀粉、羧丙基淀粉、羧己基淀粉、磺乙基淀粉以及磺基-2-羟丙基淀粉中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述硅铝酸盐为纳米级硅铝酸盐。
4.根据权利要求3所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述纳米级硅铝酸盐包括纳米级正长石、纳米级沸石、纳米级钙长石以及纳米级埃洛石中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述聚醇类高分子聚合物包括聚乙烯醇、聚乙二醇以及聚氧化乙烯中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述超高温增强材料包括埃洛石、莫来石以及磷酸三钙中的一种或几种的组合；优选地，所述超高温增强材料包括质量比为(1-2)：(1-2)：(1-2)的埃洛石、莫来石以及磷酸三钙的混合物。
7.根据权利要求1所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述超高温强度稳定剂包括石英砂；
所述密度调节剂包括精铁矿粉和/或玻璃微珠；
所述分散剂包括醛酮缩聚物类分散剂和/或聚苯乙烯磺酸盐类分散剂；
所述降失水剂包括丙烯酰胺聚合物类降失水剂；
所述缓凝剂包括丙烯酰胺聚合物类缓凝剂和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物类缓凝剂；
所述消泡剂包括有机酯类、聚氧丙烯甘油醚以及聚二甲基硅氧烷中的一种或几种的组合；优选地，所述有机酯类包括磷酸三丁酯。
8.根据权利要求7所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述超高温强度稳定剂包括：高纯度100-1500目的酸洗石英砂和/或高纯度100-1500目的石英砂；
所述精铁矿粉的密度为5.05-7.20g/cm3，所述玻璃微珠的密度为0.44-0.65g/cm3。
9.根据权利要求1所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其中，所述水泥包括G级油井水泥。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其密度为1.35-2.35g/cm3，适用温度为30℃-240℃，在所述适用温度范围的上下密度差不高于0.03g/cm3。
11.根据权利要求10所述的抗超高温固井用水泥浆体系，其适用温度为200℃-240℃，优选地，其适用温度为220℃-240℃，在所述适用温度范围的上下密度差不高于0.03g/cm3。
12.一种权利要求1-11中任一项所述的抗超高温固井用水泥浆体系的制备方法，其包括以下步骤：(1)以重量份计，将100份水泥、15-50份超高温强度稳定剂、15-50份超高温增强材料、0-140份密度调节剂、1-6份超高温悬浮稳定剂、0-2份分散剂混合均匀，得到一干混料；(2)以重量份计，将2-9份降失水剂、0.1-9份缓凝剂、0.1-0.5份消泡剂以及40-120份水混合均匀，得到一湿混料；(3)在搅拌条件下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，再继续搅拌一段时间后，得到所述的抗超高温固井用水泥浆体系。
13.根据权利要求12所述的抗超高温固井用水泥浆体系的制备方法，其中，在步骤(3)中，在4000±200r/min的转速下，将步骤(1)得到的干混料均匀加入到步骤(2)得到的湿混料中，再在12000±500r/min的转速下，继续搅拌35-50s，得到所述的抗超高温固井用水泥浆体系。
14.一种权利要求1-11中任一项所述的抗超高温固井用水泥浆体系在高温和/或超高温、深井和/或超深井和/或特超深井中固井的应用。
15.根据权利要求14所述的抗超高温固井用水泥浆体系在高温和/或超高温、深井和/或超深井和/或特超深井中固井的应用，其中，所述高温和/或超高温的温度为200℃-240℃，优选为220℃-240℃；所述深井的深度为4500-6000m，超深井的深度为6000-9000m，特超深的深度为9000m以上。
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