CN101134892A - 深水固井水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型的深水固井水泥浆体系，体系各组份以及重量比例为：水泥100份、中空微珠0～100份、降失水剂1.5～3.0份、分散剂0.3～1.0份、早强剂2.0～4.5份、缓凝剂0.1～1.2份和水60～120份。其中水泥为硅酸盐－硫铝酸盐复合水泥体系，降失水剂为羟乙基纤维素或者羧甲基羟乙基纤维素中的一种，分散剂为磺化甲醛－丙酮缩聚物或者氨基酸磺化甲醛－丙酮缩聚物中的一种，早强剂为无机盐类，缓凝剂为低分子有机酸类物质。本发明的深水固井水泥浆体系具有优异的低温早强和“直角稠化”性能，可望有效解决深水固井所面临的低温、浅层水－气窜流等主要问题，具有非常广阔的应用前景。

Description

深水固井水泥浆体系
技术领域
本发明涉及一种深水固井水泥浆体系，特别适合于深水条件下的低温、浅层水-气窜流固井作业。
背景技术
深水是指水深在500～1500m海域。在最近几十年中，世界范围内发现的大油田的总数量呈下降趋势，但深水大油田的发现率却迅速增加，1990～1999十年间的58个重大油气发现中，约1/3是在深水海域。最近几年中，深水油气发现占全球油气发现总量的40％，特别在2002～2003年更是上升至65％，目前在6个大陆架的18个盆地的深水海域中共探明储量约92亿m3油当量，估计还有约136亿m3未探明储量。这些资源大多是在1995年以后发现的，现已经开发和正在开发的深水油气资源仅占25％左右，深水油气资源已成为未来全球石油战略接替的重点之一。我国南海海域及南沙群岛附近海域蕴藏着丰富的深水油气资源，向深水石油进军已成为我国未来海洋油气勘探开发的战略目标。中国石油已经把南海深水油田的开发列入“十一五”发展规划，“十一五”期间将实施深水探井作业7口，计划探明油气当量2亿吨。
深水固井技术研究是深水石油安全、高效和经济开采的重要保障。深水固井(特别是表层段)与常规固井相比，常面临着低温、浅层水-气流动等新问题。深水固井是一个崭新的、困难多、风险大的领域，已成为当今油气井工程领域研究的热点、难点。
世界主要深水海域(如墨西哥湾、巴西、印度尼西亚和西非)的海水温度变化都呈现为逆温梯度，并且不随水深线性变化。具体表现为，在水深500m范围内温度急剧下降、在水深500～1000m范围内温度下降缓慢、在水深1000m以下温度基本不变并接近于泥线温度。一般地，深水海底温度约在4℃左右。如此低的温度必将严重影响水泥强度发展。同样，低温也会严重影响水泥浆胶凝强度发展，使水泥浆长期处于胶凝失重状态，发生窜流的风险大。另一方面，海水的逆温梯度以及海水与隔水管之间的对流热交换，使注水泥作业循环温度呈逐渐下降规律，通常循环温度在10℃左右。该循环温度处于水泥浆稠化时间对温度非常敏感范围(5～15℃)，使稠化时间不易调节，难于获得较好的稠化曲线。
浅层水-气流动最早出现并被认识是在1985年，认为是深水固井中最具挑战性的因素。引起浅层水-气流动的主要原因是海底所存在的异常高压层、浅层气或气体水合物分解所致。浅层水-气流动将对固井产生以下不利影响：[1]泥浆顶替效率低。钻井作业时，浅层水-气流动常导致井眼被过度冲刷，井径不规则。井径不规则以及深水表层段大环空间隙、窄密度“窗口”等因素使泥饼清除困难，固井易呈“三明治”结构，严重影响固井界面胶结质量。[2]存在窜流风险。在固井候凝过程中，随着水泥浆静液柱压力不断下降，井筒内压力平衡被打破，浅层水-气会窜入水泥浆内部发生窜流现象。[3]浅层水-气流动和低温、低密度联合作用，使固井窜流风险更高。水/气窜都不是新问题，在防窜机理和方法已取得很大进展，目前固井工作者认为水泥浆胶凝强度从48Pa～240Pa这段“过渡时间”是发生窜流的危险期。深水固井所面临的低温、低密度，无疑会延长胶凝强度从48Pa～240Pa“过渡时间”，再考虑到地层潜在的高压流体层、浅层气和气体水合物，则极易发生窜流现象。
目前，国内还没有深水固井水泥浆方面的报道。国外在这方面研究较多，并且形成了多种深水固井水泥浆体系，主要有高铝水泥浆体系(如US Patent6,244,343)、G级水泥+超细水泥的紧密堆积水泥浆体系(如US Patent 6,874,578)和A或H级水泥+促凝剂的水泥浆体系(如US Patent 6,478,868)。高铝水泥虽然低温下强度发展较快，但却存在后期强度衰退的小足之处；超细水泥+G级水泥或A、H级水泥+促凝剂体系在低温、低密度条件下很难获得好的防窜能力和早期强度。为此，很有必要开发具有优异低温早强性能、防窜能力强的深水固井水泥浆体系。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型深水固井水泥浆体系，该水泥浆体系具有优异的低温早强和“直角稠化”性能，可望有效解决深水固井所面临的低温、浅层水-气窜流等主要问题。
本发明所述的深水固井水泥浆体系，其各组份以及重量比例如下：
水泥        100份
中空微珠    0～100份
降失水剂    1.5～3.0份
分散剂      0.3～1.0份
早强剂      2.0～4.5份
缓凝剂      0.1～1.2份
水          60～120份
本发明所述的深水固井水泥浆所用的水泥为硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥体系，其矿物组份和质量百分组成为：硅酸三钙23～45％、硫铝酸钙12～25％、硅酸二钙15～23％、石膏3～10％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素。
本发明所述的深水固井水泥浆所用的降失水剂可以是羟乙基纤维素或者羧甲基羟乙基纤维素中的一种，粘度(2％水溶液，25℃)为7000～12000mPa.s。
本发明所述的深水固井水泥浆所用的分散剂可以是磺化甲醛-丙酮缩聚物或者氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物中的一种，相对分子质量为8000～60000。
本发明所述的深水固井水泥浆所用的早强剂可以是CaCl2、CaO、KCl、NaNO3、NaAlO2、Na2SO4或者KAl(SO4)2中的一种或者几种。
本发明所述的深水固井水泥浆所用的缓凝剂可以是酒石酸、柠檬酸、硼酸或者硼酸钠中的一种或者几种。
本发明所述的深水固井水泥浆具有以下四个方面的优点：(1)低温下凝结时间较短并且水泥石具有优异的早期抗压强度，能有效减少固井候凝时间(WOC)，缩短建井周期；(2)水泥浆密度和稠化时间可调、流动性好、失水量较小，能完全满足现场注水泥施工要求；(3)水泥浆具有优异的“直角稠化”性能，对防止深水固井的浅层水-气窜流问题十分有效；(4)该水泥浆体系各组分来源较广，具有成本较低的优势，应用前景广阔。
本发明提供了一种技术可靠、现场施工方便、成本低，能满足低温、浅层水-气窜流条件下深水固井的水泥浆体系，填补了国内深水固井水泥浆的空白。
具体实施方式
实验方法：
按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，并测定水泥浆性能和水泥石抗压强度。
对比例1
胜潍G级水泥100份，水44份。实验结果见表1.
实施例1
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙42.27％、硫铝酸钙15.10％、硅酸二钙19.04％、石膏6.20％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，中空微珠60份，羟乙基纤维素降失水剂2.2份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.5份，缓凝剂0.5份，水90份。实验结果见表1。
实施例2
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙32.10％、硫铝酸钙20.73％、硅酸二钙21.38％、石膏8.05％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，中空微珠60份，羟乙基纤维素降失水剂2.2份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.5份，缓凝剂0.5份，水90份。实验结果见表1。
实施例3
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙42.27％、硫铝酸钙15.10％、硅酸二钙19.04％、石膏6.20％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，中空微珠40份，羧甲基羟乙基纤维素降失水剂2.0份，氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.3份，缓凝剂0.5份，水80份。实验结果见表1。
实施例4
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙42.27％、硫铝酸钙15.10％、硅酸二钙19.04％、石膏6.20％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，中空微珠30份，羟乙基纤维素降失水剂2.0份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.5份，早强剂3.2份，缓凝剂0.5份，水73份。实验结果见表1。
实施例5
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙32.10％、硫铝酸钙20.73％、硅酸二钙21.38％、石膏8.05％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，中空微珠10份，羟乙基纤维素降失水剂2.0份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.5份，早强剂3.0份，缓凝剂0.6份，水61.6份。实验结果见表1。
实施例6
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙42.27％、硫铝酸钙15.10％、硅酸二钙19.04％、石膏6.20％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，羧甲基羟乙基纤维素降失水剂1.8份，氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.5份，早强剂2.8份，缓凝剂0.6份，水44份。实验结果见表1。
表1
    性能测试     实施例     对比例
    1     2     3     4     5     6     1
    密度(g/cm3)     1.30     1.30     1.35     1.45     1.56     1.86     1.92
    析水率     0     0     0     0     0     0     1.7
    流动度(cm)     25     24.5     24     25     25     23     19
    API失水量(mL/30min)     61     57     48     42
    15℃稠化时间(min)     435     382     394     350     306     217
    30～100Bc(min)     34     25     29     24     23     18
    4℃抗压强度(MPa)     12h     2.50     2.72     2.86     3.52     5.64     9.24
    24h     6.68     7.08     7.12     8.48     10.84     14.88     0.64
    48h     8.22     9.17     9.04     10.90     12.15     4.44
    10℃抗压强度(MPa)     12h     3.75     4.18     4.61     7.36     8.79     10.59
    24h     7.01     7.64     7.88     10.08     12.45     15.61     1.84
    48h     9.04     9.90     10.30     11.39     14.00     17.90     9.24
    20℃抗压强度(MPa)     12h     5.88     6.77     7.06     9.60     11.65     14.73     1.32
    24h     7.60     8.50     8.62     10.56     13.34     17.20     7.48
    48h     10.62     10.89     12.60     15.81     15.52

Claims (6)

1.一种适用于深水固井的水泥浆体系，其特征在于各组份以及重量比例如下：
水泥        100份
中空微珠    0～100份
降失水剂    1.5～3.0份
分散剂      0.3～1.0份
早强剂      2.0～4.5份
缓凝剂      0.1～1.2份
水          60～120份
2.根据权利要求1所述的深水固井水泥浆体系，其特征在于所用的水泥为硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥体系，其矿物组份和质量百分组成为：硅酸三钙23～45％、硫铝酸钙12～25％、硅酸二钙15～23％、石膏3～10％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素。
3.根据权利要求1所述的深水固井水泥浆体系，其特征在于所用的降失水剂可以是羟乙基纤维素或者羧甲基羟乙基纤维素中的一种，粘度(2％水溶液，25℃)为7000～12000mPa.s。
4.根据权利要求1所述的深水固井水泥浆体系，其特征在于所用的分散剂可以是磺化甲醛-丙酮缩聚物或者氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物中的一种，相对分子质量为8000～60000。
5.根据权利要求1所述的深水固井水泥浆体系，其特征在于所用的早强剂可以是CaCl2、CaO、KCl、NaNO3、NaAlO2、Na2SO4或者KAl(SO4)2中的一种或者几种。
6.根据权利要求1所述的深水固井水泥浆体系，其特征在于所用的缓凝剂可以是酒石酸、柠檬酸、硼酸或者硼酸钠中的一种或者几种。
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