一种复合超高温水泥石力学改性材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发领域一种复合超高温水泥石力学改性材料及其制备方法，用于提高240℃以上超高温固井水泥石的力学性能。

背景技术

随着我国经济和社会快速发展，对油气资源需求量持续增长，为保障国家能源安全，降低油气对外依存度，必须加大勘探开发力度。深层超深层油气潜力巨大，是重要的接替资源。塔里木、准噶尔、四川、柴达木等盆地相继探明8000m以上深油气藏，随着油气勘探开发的深入，深井超深井数量逐渐增多，井筒温度越来越高，井底温度可达240℃以上，超高温固井水泥浆技术对保障深层超深层油气勘探开发具有重要意义。

针对油井水泥在110℃以上温度条件强度衰退问题，国内外主要采用水泥石中加入石英砂提高水泥石的硅钙比，从而抑制水泥石高温强度衰退，研究表明加砂水泥石在110～200℃下可长期保持较好的抗高温性。但是200℃以上，超高温条件加砂水泥石强度依然会衰退。同时，水泥石脆性大，在超高温作用下容易破碎，韧性有待提高。

例如发明专利“一种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”(CN 109679600 A)采用粗细硅砂搭配，结合纳米二氧化硅和纳米碳酸钙，可以改善高温水泥石力学性能，5天强度可达60MPa，弹性模量为8.5左右，在240℃以上高温下会发生长期强度衰退(28天以上)。发明专利“一种防止高温强度衰退的油井水泥浆体系及其制备方法”(CN 110484223 A)采用强度增强剂为石墨烯乳液，悬浮稳定剂为微米级定型二氧化硅和8-12％黄原胶，水泥浆180℃条件下施工性能良好，强度为35MPa，14天内不衰退，但该方法所用材料成本较高，且不适用于200℃以上超高温条件下固井施工。发明专利“一种用于超高温深井的固井水泥及其制备方法和应用”(CN 110563428 A)采用第一抗强度衰退剂硅粉，第二抗强度衰退剂为三氧化二铝、氢氧化铝、氧化锌、氢氧化锌和氯化锶中的一种或多种，200℃～240℃水泥石强度30MPa不衰退，同样该方法超高温强度不够高，且未进行韧性改造。

以上现有技术虽在高温水泥的力学改性等方面取得了一定的效果，但是在强度衰退、超高温水泥石增韧方面仍存在问题，不能满足超高温超深井复杂地层的固井作业。因此，开发一种复合超高温水泥石力学改性材料，对提升超高温油气井固井质量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合超高温水泥石力学改性材料，能够保证超高温条件下水泥石强度不衰退，并具有较好的韧性，可有效提高240℃以上的超高温固井水泥石的力学性能，具有广阔的市场应用前景。

本发明的另一目的还在于提供上述复合超高温水泥石力学改性材料的制备方法，该方法原理可靠，操作简便，能够有效提高高温深井、非常规油气井固井质量和固井密封完整性，满足深井、超深井等复杂井固井对水泥环强度、韧性等力学性能的更高要求。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种复合超高温水泥石力学改性材料，由以下各组分按照重量份组成：

第一高温强度防衰退材料 65-75份，

第二高温强度防衰退材料 20-30份，

超高温增韧材料 5份。

所述第一高温强度防衰退材料为酸洗石英砂，粒度400目以上。

所述第二高温强度防衰退材料为硅灰石、蓝晶石、焦宝石、铝矾石中的两种复配混合物，细度在100-400目之间。

所述超高温增韧材料为埃洛石纳米管。

所述复合超高温水泥石力学改性材料的制备方法，由第一高温强度防衰退材料、第二高温强度防衰退材料、超高温增韧材料按指定重量份充分混合搅拌得到。

本发明通过对复合超高温水泥石力学改性材料的粒度进行合理设计，将其掺入水泥浆后，水泥浆体系中第一高温强度防衰退材料、第二高温强度防衰退材料、超高温增韧材料和油井水泥颗粒之间互相填充，实现紧密堆积状态，有效提高了超高温水泥石的力学性能。

在超高温条件下，该水泥浆硬化成水泥石后，水泥石长期强度大于50MPa，杨氏模量小于8GPa，韧性好，解决了超高温条件下水泥石脆性大、长期强度衰退的问题。

将该复合超高温水泥石力学改性材料掺入水泥浆后，结合稳定剂、降失水剂、缓凝剂等外加剂，水泥浆体系稳定性好，失水性能符合标准，流变性好、稠化时间、密度均可调，固井施工性能满足油气井固井需求。

与现有技术相比较，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明采用酸处理过的精制石英砂，相比普通石英砂，纯度更高，提高超高温水泥石强度效果更好；

(2)本发明采用硅灰石、蓝晶石、焦宝石、铝矾石中的两种复配混合物作为抗高温强度衰退材料，参与高温水化，有利于生成水钙铝榴石、钙铝黄长石等高温稳定晶相，有效保证超高温条件下水泥石长期强度稳定；

(3)本发明采用埃洛石纳米管作为超高温增韧材料，其两端为纳米尺寸，纳米管表面含有SiO

综上所述，本发明合成原料成本低，能够显著提高240℃以上固井水泥石的力学性能，施工性既能满足油气井固井需求，也能满足深井、超深井等复杂井固井对水泥环强度、韧性等力学性能的更高要求。

具体实施方式

下面根据实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

实施例1

称取第一高温强度防衰退材料(600目酸性石英砂)70份、第二高温强度防衰退材料(100目硅灰石和焦宝石以1:1的质量比复配)25份、超高温增韧材料(埃洛石纳米管)5份，将三者充分混合，得到一种复合超高温水泥石力学改性材料。

实施例2

称取第一高温强度防衰退材料(800目酸性石英砂)70份、第二高温强度防衰退材料(100目硅灰石和200目铝矾石以1:1的质量比复配)25份、超高温增韧材料(埃洛石纳米管)5份，将三者充分混合，得到一种复合超高温水泥石力学改性材料。

实施例3

称取第一高温强度防衰退材料(600目酸性石英砂)75份、第二高温强度防衰退材料(200目蓝晶石和200目铝矾石以1:1的质量比复配)20份、超高温增韧材料(埃洛石纳米管)5份，将三者充分混合，得到一种复合超高温水泥石力学改性材料。

对采用实施例和普通石英砂对240℃超高温水泥石力学性能影响效果进行对比，在240℃*20MPa条件下养护2天、7天、28天、60天后，测定硬化水泥石的抗压强度和杨氏模量，结果见表1。

表1采用实施例和石英砂分别配制的240℃超高温水泥石的力学性能

配方：G级水泥+50％高温水泥石力学改性材料+高温分散剂1％+高温稳定剂3％+2％降失水剂+1.2％高温缓凝剂+0.1％消泡剂+55％水。

对采用实施例和普通石英砂对260℃超高温水泥石力学性能影响效果进行对比，在260℃*20MPa条件下养护2天、7天、28天、60天后，测定硬化水泥石的抗压强度和杨氏模量，结果见表2。

表2采用实施例和石英砂分别配制的260℃超高温水泥石的力学性能

配方：G级水泥+50％高温水泥石力学改性材料+高温分散剂1％+高温稳定剂3％+2％降失水剂+1.2％高温缓凝剂+0.1％消泡剂+55％水。

根据以上结果可知，采用普通石英砂作为高温水泥石力学改性材料时，超高温条件下水泥石长期强度衰退近一半，采用本发明所述复合超高温水泥石力学改性材料，水泥石强度随着龄期强度一直增长，28天水泥石强度接近50MPa，28天水泥石强度超过50MPa，且水泥石杨氏模量小于8GPa，具有较好的韧性。

对采用实施例配制的循环温度210℃和220℃条件下水泥浆施工性能进行测试，测试结果见表3。

表3采用实施例配制的超高温水泥浆的施工性能

配方：G级水泥+50％高温水泥石力学改性材料+高温分散剂1％+高温稳定剂3％+2％降失水剂+1.2％高温缓凝剂+0.1％消泡剂+55％水。

实验结果表明，采用实施例配制的超高温水泥浆体系综合性能良好，满足超高温深井固井施工要求。