本發(fā)明涉及一種材料，尤其涉及一種油井領(lǐng)域的材料。本發(fā)明還涉及所述材料的制備方法以及由該材料制備的水泥漿。

背景技術(shù)：

水泥環(huán)是保證井筒內(nèi)環(huán)空密封的關(guān)鍵因素。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)生裂紋及其進一步的擴展，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。在本領(lǐng)域中，水泥石的韌性的提高、水泥石的脆性的降低通常以彈性模量的降低表征；而水泥石強度以抗壓強度表征。

因此，本領(lǐng)域急需開發(fā)一種新型的油井水泥石降脆增韌材料，既能提高水泥石的韌性，降低水泥石的脆性，同時又不會大幅降低的水泥石的強度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型的油井水泥石降脆增韌材料，其既能提高水泥石的韌性，降低水泥石的脆性，同時又不會大幅降低的水泥石的強度，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)明提供了一種油井水泥石降脆增韌材料，其特征在于，所述材料是以600-1000目數(shù)的粉煤灰球形顆粒作為核、以粒徑在0.8-1.2μm的范圍內(nèi)的高分子聚合物作為表面包覆的彈性體的殼的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒，并且所述核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒的殼厚度為1.5-3μm。

本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，將上述降脆增韌顆粒材料加入到油井水泥漿體系中時，具有本發(fā)明的所述核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒的殼厚度的本發(fā)明的復(fù)合顆粒能均勻分布并填充于水泥顆粒間；水泥漿凝固硬化后，降脆增韌顆粒材料填充于水泥石中的骨架顆粒之間。當(dāng)水泥石受荷載作用時，水泥石體系中的骨架結(jié)構(gòu)，在水泥石破碎前是沖擊力的傳遞介質(zhì)，由于骨架結(jié)構(gòu)之間填充了降脆增韌顆粒，所以骨架結(jié)構(gòu)將沖擊力傳遞到降脆增韌體顆粒之上，繼而彈性顆粒吸收部分的能量產(chǎn)生一定的緩沖作用，從而提高水泥石的變形能力和抗沖擊韌性，破壞時由普通油井水泥石的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。因此，降脆增韌顆粒填充水泥水化所形成的骨架的間隙，通過顆粒“止裂增韌”作用約束微裂縫的產(chǎn)生和擴展，同時形成吸收應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)形變中心，從而降低油井水泥石的脆性和提高抗沖擊韌性。因此摻有本發(fā)明的降脆增韌材料的水泥漿體系形成的固井水泥環(huán)具有較好的形變能力和抗沖擊韌性，可減小井下作業(yè)及環(huán)境條件作用對水泥環(huán)的損傷。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述材料以800目數(shù)的粉煤灰球形顆粒作為核。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述材料以粒徑為1μm的高分子聚合物作為表面包覆的彈性體的殼。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒的殼厚度為2μm。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述粉煤灰球形顆粒選自于燃煤電廠從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的粉煤灰顆粒。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述高分子聚合物選自聚合物微粒分散于水中形成的膠體乳液的形式。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述材料是通過噴霧干燥技術(shù)制得的。

本發(fā)明的又一個目的在于，提供一種油井水泥漿，其特征在于，包含上述的油井水泥石降脆增韌材料。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，“包含上述的油井水泥石降脆增韌材料”可以理解為“摻有上述的油井水泥石降脆增韌材料”。

包含本發(fā)明的降脆增韌材料的本發(fā)明的油井水泥漿與油井水泥及外加劑有較好的相容性。

水泥漿的穩(wěn)定性可以以析水量和上下密度差表征。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，在40-140℃，60MPa條件下，所述水泥漿的密度為1.65-2.25g/cm³， 水泥漿的流動度大于18cm，析水量小于0.5％、上下密度差小于0.02g/cm³。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，在養(yǎng)護24-96小時、優(yōu)選48小時后，所述水泥漿中的水泥石的彈性模量在6-9GPa的范圍內(nèi)，水泥石抗壓強度大于14MPa。

本發(fā)明的另一個目的在于，提供上述材料的制備方法，包括如下步驟：

以600-1000目數(shù)、優(yōu)選800目數(shù)的粉煤灰球形顆粒為核，以粒徑在0.8-1.2μm的范圍內(nèi)、優(yōu)選為1μm的高分子聚合物為表面包覆的彈性體為殼，通過噴霧干燥技術(shù)，在剛性固體顆粒粉煤灰表面包覆乳膠等高分子聚合物，制備得到核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒，所述復(fù)合顆粒的殼厚度優(yōu)選為1.5-3.0μm、更優(yōu)選為2μm。

本發(fā)明的上述材料的制備方法帶來了如下有益效果：

(1)與緩凝劑配伍性好，摻入后不影響緩凝劑的作用和水泥的稠化時間；

(2)與降失水劑配伍性好，摻入后不增加水泥漿的失水量；

(3)摻入后，油井水泥漿性能穩(wěn)定，析水量及穩(wěn)定性滿足施工要求。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明的降脆增韌材料經(jīng)過表面處理后親水性較好，配漿容易；

(2)本發(fā)明的降脆增韌材料與各種外加劑配伍性好，油井水泥漿性能穩(wěn)定，滿足高溫固井施工要求；

(3)當(dāng)油井水泥漿中加入適量的本發(fā)明的降脆增韌材料時，對硬化后的油井水泥石抗壓強度影響較小，但提高了水泥石抗折強度，降低了水泥石的彈性模量；本發(fā)明的降脆增韌材料有效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)明的耐高溫固井水泥漿降脆增韌材料配制的固井水泥漿凝結(jié)硬化后形成的水泥石，不僅提高了抗折強度和抗沖擊韌性，而且降低了彈性模量，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)明的油井水泥石降脆增韌材料的原材料的掃描電子顯微鏡圖。其中，粒徑大小不等約為10μm的球形顆粒為粉煤灰，即為核殼結(jié)構(gòu)的“核”原材料， 粒徑約為1μm的球形顆粒為高分子聚合物，為核殼結(jié)構(gòu)的“殼”材料。

圖2.本發(fā)明的油井水泥石降脆增韌材料的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒掃描電子顯微鏡圖。其中，粉煤灰核表面包裹有小顆粒的高分子聚合物。

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)明進行進一步的說明。

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

以800目數(shù)的粉煤灰球形顆粒為“核”，以粒徑為1μm的高分子聚合物為表面包覆的彈性體為“殼”，通過噴霧干燥技術(shù)，在剛性固體顆粒粉煤灰表面包覆乳膠等高分子聚合物，制備的殼厚度為2μm的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒。

分別對本發(fā)明的油井水泥石降脆增韌材料的原材料和制成的本發(fā)明的油井水泥石降脆增韌材料的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒進行掃描電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡圖分別見圖1和圖2。

對比例1

采用油井水泥(嘉華G級)100份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，水41份，消泡劑0.2份，配置出密度為1.90g/cm³油井水泥漿體系，80℃和20MPa環(huán)境下養(yǎng)護48小時，測試彈性模量為11.5GPa，泊松比為0.19，抗壓強度為36.5MPa，抗拉強度為2.9MPa。

實施例2

采用油井水泥(嘉華G級)92份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，水41份，消泡劑0.2份，上述實施例1制備的降脆增韌材料8份，配置出密度為1.90g/cm³油井水泥漿體系，80℃和20MPa環(huán)境下養(yǎng) 護48小時，測試彈性模量為7.2GPa，泊松比為0.19，抗壓強度為47.3MPa，抗拉強度為5.1MPa。

比較對比例1與實施例2可知，與常規(guī)水泥石相比，摻入降脆增韌材料后，油井水泥石的彈性模量大幅度降低，抗拉強度增加，且保持較高的抗壓強度，形變能力明顯改善。

對比例2

采用油井水泥(嘉華G級)100份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1.2份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，納米液硅5份，水67份，消泡劑0.2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48小時，測試彈性模量為12.6GPa，泊松比為0.19，抗壓強度為26.3MPa，抗拉強度為

2.2MPa。

實施例3

采用油井水泥(嘉華G級)90份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1.2份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，納米液硅5份，水67份，消泡劑0.2份，上述實施例1制備的降脆增韌材料10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48小時，測試彈性模量為6.8GPa,泊松比為0.20，抗壓強度為32.0MPa，抗拉強度為3.1MPa。

比較對比例2和實施例3可知，添加本發(fā)明的降脆增韌材料后水泥石力學(xué)性能明顯改善。

實施例4

采用油井水泥(嘉華G級)90份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1.2份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，納米液硅5份，水67份，消泡劑0.2份，以600目數(shù)的粉煤灰球形顆粒作為核、以粒徑為0.8μm的高分子聚合物作為表面包覆的彈性體的殼的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒，復(fù)合顆粒的殼厚度為1.5μm制備的降脆增韌材料10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48小時，測試彈性模量為7.3GPa,泊松比為0.20，抗壓強度為30.0MPa，抗拉強度為2.9MPa。降脆增韌效果較好。

實施例5

采用油井水泥(嘉華G級)90份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1.2份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，納米液硅5份，水67份，消泡劑0.2份，以1000目數(shù)的粉煤灰球形顆粒作為核、以粒徑為1.2μm的高分子聚合物作為表面包覆的彈性體的殼的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒，復(fù)合顆粒的殼厚度為3μm制備的降脆增韌材料10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48小時，測試彈性模量為7.2GPa,泊松比為0.20，抗壓強度為33.0MPa，抗拉強度為3.2MPa。降脆增韌效果較好。

對比例3

采用油井水泥(嘉華G級)90份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1.2份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，納米液硅5份，水67份，消泡劑0.2份，以400目數(shù)的粉煤灰球形顆粒作為核、以粒徑為0.6μm的高分子聚合物作為表面包覆的彈性體的殼的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒，復(fù)合顆粒的殼厚度為1.2μm制備的降脆增韌材料10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48小時，測試彈性模量為9.3GPa,泊松比為0.20，抗壓強度為38.0MPa，抗拉強度為3.6MPa。降脆增韌效果較差。

對比例4

采用油井水泥(嘉華G級)90份，高溫穩(wěn)定劑(80目硅粉)30份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1.2份，加重劑(赤鐵礦粉，250目)70份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，納米液硅5份，水67份，消泡劑0.2份，以1200目數(shù)的粉煤灰球形顆粒作為核、以粒徑為1.4μm的高分子聚合物作為表面包覆的彈性體的殼的核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒，復(fù)合顆粒的殼厚度為4μm制備的降脆增韌材料10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48小時，測試彈性模量為6.2GPa,泊松比為0.20，抗壓強度為24.0MPa，抗拉強度為2.9MPa。有一定的降脆增韌效果，但對強度影響較大。

對比例5

采用油井水泥(嘉華G級)100份，降濾失劑(DZJ-Y)5份，分散劑(DZS)1份，緩凝劑(DZH-2)0.1份，水41份，消泡劑0.2份，橡膠顆粒降脆增韌材料8份，測試彈性模量為7.9GPa，泊松比為0.19，抗壓強度為26.3MPa，抗拉強度為2.6MPa。摻入橡膠顆粒，雖然降低了彈性模量，有一定的降脆增韌效果，但是顯著降低了水泥石的抗壓強度和抗拉強度。

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)明可擴展至其他所有具有相同功能的方法和應(yīng)用。