[发明专利]用于水泥浆的分散液、水泥浆及其制备方法

说明书

本发明公开了一种抑制油井水泥环固化收缩的分散液、抑制固化收缩的水泥浆及其制备方法。本发明的多级粒径纳米颗粒分散液粘度小于0.15Pa·s，稳定期可达1年以上。本发明的抑制固化收缩的水泥浆，稠化可调性好，水泥浆易配制，水泥浆固化后的收缩率可以降低80％以上，渗透率降低85％以上，可以有效解决油井水泥环的界面密封失效问题。

技术领域

本发明涉及石油固井领域，特别涉及一种用于水泥浆的分散液、水泥浆及其制备方法。

背景技术

油井水泥环固化后，水化反应仍会在很长一段时期内持续发生，导致油井水泥环体积收缩。主要的固化收缩机理为：①水化反应产物体积减小；②水化反应会消耗凝胶孔内的水分，在毛细管压力作用下产生孔收缩。0.44水灰比配制的油井水泥浆固化体积收缩率一般在2-3％。这种体积收缩现象将使水泥与地层之间、套管与地层之间的两个界面上出现1微米的间隙，这种收缩直接影响着水泥环对地层的封隔能力。

CN104818007A(专利申请号CN201510112506.6，专利名称油井水泥气体膨胀剂)介绍了一种固井用气体膨胀剂，偶氮化合物作为气源，通过添加助气剂使其在一定温度的碱性条件下反应放出氮气而产生膨胀效果。CN104099071A(专利申请号CN201310114265.X，专利名称一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法)介绍了一种固井膨胀水泥浆，其膨胀剂剂为矾石类、氧化镁类、氧化钙类、氧化铁类和铝粉类中的一种或几种复合。CN105601141A(专利申请号CN201510985523.0，专利名称一种油井水泥用膨胀剂及其制备方法)介绍了一种固井用高温水泥浆膨胀剂，膨胀剂的主要组分为钙镁类矿物复配。

以上这些方法提供的膨胀剂或者膨胀水泥浆仅能对水泥浆的水化体积收缩进行补偿，并没有一种有效的抑制收缩方法。同时，发气膨胀剂、钙矾石类膨胀剂不能用到高温深井中，钙镁类的晶格膨胀剂会在水泥环界面处产生聚集和定向排列，破坏界面胶结物。

常规的解决方法是水泥中添加膨胀剂。凝固后能够适度膨胀的水泥体系，可作为一种补偿微环隙的方法，膨胀剂在水泥浆整个候凝段和凝固后都能保持一定程度的膨胀。目前较常用的油井水泥膨胀剂都存在一定的局限性：①钙矾石类膨胀剂。水泥反应生成钙铝矾晶体，但在温度超过75℃时，钙铝矾晶体是不稳定的，并转为更致密的硫代铝酸钙水化物和石膏，起不到膨胀作用；②发气膨胀剂。这类膨胀剂只能在浅井中应用，在深井中，地层温度越高，生成气体的速度越快，同时，地层压力将超过气泡的膨胀压力，限制了该类膨胀剂的应用。③晶格膨胀剂(氧化钙和氧化镁)。这类膨胀剂应用最为广泛。研究表明(步玉环，柳华杰，宋文宇.晶格膨胀剂对水泥—套管界面胶结性能的影响实验[J].石油学报，2011,32(6):1067-1071)，晶格膨胀剂的加入虽然可以弥补水泥石体积的收缩但是并不能有效改善胶结质量，晶体在水泥环界面处存在聚集和定向排列现象，破坏水泥环界面胶结结构。同时，这些晶格膨胀剂尺度较大，水化反应与水泥水化的反应不一致，会破坏水泥石的内部微观结构，导致其强度降低。

发明内容

目前，油气井固井行业使用几类膨胀剂对水泥浆的水化体积收缩进行补偿，并没有一种有效的抑制收缩方法。

为此，本发明第一方面提供了一种用于水泥浆的分散液，其中，包括多级粒径纳米颗粒。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述多级粒径纳米颗粒的粒径分布在10nm至200nm的范围内，平均粒径在40nm至80nm的范围内。

在本发明的一些实施方式中，优选地，以重量计，所述多级粒径颗粒占所述分散液的10-80％。

在本发明的一些实施方式中，进一步优选地，以重量计，所述多级粒径颗粒占所述分散液的30-70％。

在本发明的一些实施方式中，所述多级粒径纳米颗粒为球形颗粒；