CN101475347A - 非漂珠低密度水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非漂珠低密度水泥浆。主要解决了水泥浆在高压条件下不能保持其设计密度的问题。其特征在于：其组分及配比按重量份如下：水泥100份、水116－321份、粉煤灰52－136份、硅灰14－38份、超细水泥14－38份、早强剂6－11份，所述的硅灰(SiO2含量＞90％)颗粒粒径大于0μm小于0.5μm，硅灰、粉煤灰颗粒密度为2.0g/cm3，超细水泥粒径大于0μm小于2μm。该低密度水泥浆通过优选外掺料及应用颗粒级配原理，形成一套密度在1.40－1.55g/cm3范围内的不可压缩低密度水泥浆体系，水泥浆流动性、沉降稳定性好，水泥石强度大于15MPa，在150℃强度不衰退，满足油田勘探开发的技术需求。

Description

非漂珠低密度水泥浆
技术领域：
本发明涉及油田钻井固井领域中所用的一种水泥，特别是一种非漂珠低密度水泥浆。
背景技术：
油田钻井固井领域中，油气层分布广，长封井越来越多。长封固井主要使用的一种方法是采用低密度水泥浆固井，目前，漂珠低密度水泥浆在油田应用相对广泛，但由于漂珠的存在，使水泥浆在高压条件下不能保持其设计密度，随着压力上升水泥浆密度升高，水泥浆流动性也大幅度变差，对油田深井长封的固井施工带来不安全因素；且由于漂珠是发电厂的工业副产品，随着对环保要求力度的增大，最终将停止对漂珠这种副产品的生产。尽管目前国外已经有相关技术能够生产高性能的人造空心玻璃漂珠，但由于其价格昂贵，导致固井成本大幅度提高。
实用新型内容：
本发明在于克服背景技术中存在的水泥浆在高压条件下不能保持其设计密度的问题，而提供一种非漂珠低密度水泥浆，该非漂珠低密度水泥浆的密度在1.40—1.55g/cm3范围内具有不可压缩性，而且价格低廉，固井成本低，从而满足油田勘探开发的技术需求。
本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：该非漂珠低密度水泥浆，其组分及配比按重量份如下：水泥100份、水116-321份、粉煤灰52—136份、硅灰14—38份、超细水泥14—38份、早强剂6—11份，所述的硅灰(SiO2含量>90％)颗粒粒径大于0μm小于0.5μm，硅灰、粉煤灰颗粒密度为2.0g/cm3，超细水泥粒径大于0μm小于2μm。
本发明与上述背景技术相比较可具有如下有益效果：该非漂珠低密度水泥浆应用2.0g/cm3密度的粉煤灰，水化能力强，可降低体系中水的加量，水泥浆稳定性好，获得1.40g/cm3低密度的水泥浆，优选超细水泥由于其物理化学性能如成分和粒径(大于0μm小于2μm)等的作用，使水泥石(水泥浆凝固后为水泥石)早期强度高，颗粒粒径大于0μm小于0.5μm、密度为2.0g/cm3的硅灰能填充孔隙、增加体系悬浮稳定性及水泥石抗高温性能；同时通过优选外掺料及颗粒的合理级配，形成一套密度在1.40—1.55g/cm3范围内的不可压缩非漂珠低密度水泥浆体系。水泥浆流动性大于22cm，沉降稳定性好(室内检测水泥石上下密度差小于0.02g/cm3)，水泥石强度大于15MPa，在150℃强度不衰退，所优选的配套水泥浆外加剂可循环温度达120℃条件下应用，适合油田4000m深井的长封固井要求。地面混配试验表明，该技术能够满足现场施工的技术要求，从而满足油田对低密度水泥浆技术需求，粉煤灰同漂珠相比价格低廉，故固井成本低。
附图说明：
附图1是本发明的水泥石沉降稳定性示意图。
具体实施方式：
下面将结合实施例对本发明作进一步说明：
该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水116-321份、粉煤灰52—136份、硅灰14—38份、超细水泥1438份、早强剂6—11份，所述的硅灰(SiO2含量>90％)颗粒粒径大于0μm小于0.5μm，硅灰、粉煤灰颗粒密度为2.0g/cm3，超细水泥粒径大于0μm小于2μm。
非漂珠低密度水泥浆混配过程：将外掺料粉煤灰、硅灰、超细水泥、早强剂与水泥按要求比例混合后，与适量水混拌均匀，即可制得本发明非漂珠低密度水泥浆。其中粉煤灰主要起到减轻及悬浮的作用，并且具有一定的水化胶凝强度；硅灰所起的作用是填充孔隙、增加体系悬浮稳定性及水泥石抗高温性能；超细水泥所起的作用是提高水泥石强度，优选超细水泥由于其自身的物理化学性能如成分和粒径(粒径大于0μm小于2μm)等尤其是化学成分的作用，使水泥石早期强度高，且粒径越小，其强度会略高，早强剂使水泥石早期强度高。
在低密度水泥研究过程中，密度越低，其外掺料的加量配比越为严格。当低密度水泥浆密度为1.40g/cm3时，其组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰121—136份、硅灰33—38份、超细水泥33—38份、早强剂9—11份。
通过下述实施例测量水泥浆密度为1.40g/cm3时各组分不同配比时80℃下水泥石强度值：
实施例1：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰121份、硅灰36份、超细水泥36份、早强剂10份，按上述比例将外掺料粉煤灰、硅灰、超细水泥、早强剂与水泥按要求比例混合后，与适量水混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为15.4MPa。
实施例2：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰136份、硅灰36份、超细水泥36份、早强剂10份，如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为15.8MPa。
实施例3：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰129份、硅灰33份、超细水泥36份、早强剂10份，如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为15.2MPa。
实施例4：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰129份、硅灰38份、超细水泥33份、早强剂10份，如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为16.3MPa。
实施例5：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰129份、硅灰36份、超细水泥36份、早强剂9份，如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为15.8MPa。
实施例6：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰129份、硅灰36份、超细水泥36份、早强剂10份，如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为17.2MPa。
实施例7：该非漂珠低密度水泥浆组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰129份、硅灰36份、超细水泥36份、早强剂11份，如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为17.2MPa。
上述实施例1-7均达到强度标准的要求。在加量可波动范围内，水泥石强度均大于15MPa，而实施例6及实施例7中水泥石强度均达到17.2MPa，在其它条件相同的情况下，实施例6中早强剂用量少于实施例7，因而实施例6的配方为最优加量，由此可知水泥浆密度为1.40g/cm3时最优配方为：基浆(水泥100份、水321份)+粉煤灰129％+硅灰36％+超细水泥36％+早强剂10％(百分数为占基浆中水泥重量的百分比)，最优配方中三种主要外掺料粉煤灰、硅灰、超细水泥份数比为129：36：36即3.6：1：1，外掺料FCG(F、C、G分别表示粉煤灰、超细水泥、硅灰的加入量)总和占水泥重量约为200％，早强剂占水泥及FCG总量的3.3％。
因上述实施例1-7为水泥浆密度为1.40g/cm3时各组分不同配比时80℃下水泥石强度值都达到了强度标准的要求，因此，高于1.40g/cm3密度的各配方的水泥浆就更能满足强度标准的要求。因此在FCG外掺料之间的比例不调整情况下，仍能保证1.45g/cm3、1.50g/cm3、1.55g/cm3密度水泥浆的基本性能。考虑到现场施工的便利，最终确定FCG中不同外掺料比值为3.6：1：1，而FCG占水泥的加量随着水泥浆密度的增高而降低，早强剂占水泥及FCG总量的3.3％，按此比例制成1.45g/cm3—1.55g/cm3密度范围内非漂珠低密度水泥浆，其具体实施例为：
实施例8：该非漂珠低密度水泥浆其水泥浆密度为1.45g/cm3、FCG加量％为115％时各组分及配比按重量份如下：水泥100份、水198份、粉煤灰74份、硅灰20.5份、超细水泥20.5份、早强剂7.1份；如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为18.9MPa。
实施例9：该非漂珠低密度水泥浆其水泥浆密度为1.50g/cm3、FCG加量％为100％时各组分及配比按重量份如下：水泥100份、水157份、粉煤灰64份、硅灰18份、超细水泥18份、早强剂6.6份；如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为20.5MPa。
实施例10：该非漂珠低密度水泥浆其水泥浆密度为1.55g/cm3、FCG加量％为80％时各组分及配比按重量份如下：水泥100份、水116份、粉煤灰52份、硅灰14份、超细水泥14份、早强剂6份。如实施例1方法混拌均匀，制得的水泥浆测得80℃强度为21.6MPa。
上述实施例1-10混配制成1.40g/cm3—1.55g/cm3密度范围内非漂珠低密度水泥浆应检测达到的各项指标为：
1)水泥石强度大于14MPa；
2)水泥浆流动度大于22cm；
3)稠化时间随温度可调(120℃以下)，满足施工要求；
4)水泥石沉降稳定性小于0.02g/cm3；
5)水泥浆滤失量小于100mL。
检测各项指标进行性能实验时，检测标准为GB10238-2005和API标准。
检测仪器分别为密度计，压力机，稠化仪，失水仪等。
水泥浆密度分别为1.40、1.45、1.50、1.55g/cm3时三种外掺料加入总量占水泥重量的不同百分比(即表1中FCG加量％)时测得该水泥浆体系在不同循环温度下的各项性能室内试验数据见下表1：
表1  在不同循环温度下的水泥浆各项性能实验
Figure A200910071314D00071
注：1)水泥为大连G级水泥；
2)抗压强度实验条件为48h×20.7MPa。
测得不同温度、不同养护龄期水泥石强度实验数据如下表2：
表2  不同温度、不同养护龄期水泥石强度实验
Figure A200910071314D00072
注：1)水泥为大连G级水泥；
2)抗压强度实验养护压力为20.7MPa。
泥石上下密度差小于0.02g/cm3，沉降稳定性好，符合水泥浆检测指标。
由上述图及表1、表2可知，该非漂珠低密度水泥浆密度可达到1.40g/cm3-1.55g/cm3，水泥浆流动性大于22cm，沉降稳定性好(室内检测水泥石上下密度差小于0.02g/cm3)，水泥石强度大于15MPa，在150℃下强度不衰退，所优选的配套水泥浆外加剂可循环温度达120℃条件下应用，稠化时间可调，水泥浆滤失量小于50mL。实验所用的早强剂为市售(天津油孚生产的早强剂)，水泥为大连G级水泥。
本体系所优选的硅灰、粉煤灰颗粒密度为2.0g/cm3，在低温条件下，便能够较大程度地发生水化反应，且反应产物具有一定的胶结能力，即其水化能力较强，具有一定的粘性吸附能力，因此，能够配制出1.40g/cm3的水泥浆，且水泥石强度达到15MPa以上，80℃条件下水泥石强度最高达到17.2MPa；并通过优选超细水泥的性能及颗粒粒径，从而使水泥浆性能优良，水泥石强度高，且水泥浆稳定性好。该体系由于富含SiO2，水泥石抗温性能够达到150℃，并由于体系中的外掺料水化活性高，颗粒级配合理，从而水泥石早期强度高，且低温下能够具有较高的水泥石强度。
该水泥浆体系通过优选外掺料及颗粒的合理级配，形成一套密度在1.40—1.55g/cm3范围内的不可压缩非漂珠低密度水泥浆体系，水泥浆流动性好，适合油田4000m深井的长封固井要求。通过地面混配试验表明，该项技术能够满足现场施工的工程技术要求，从而满足油田对低密度水泥浆技术需求；同时，配方中不采用漂珠，从而降低了固井成本，因此是油田钻井固井领域中值得推广的技术。

Claims (3)

1、一种非漂珠低密度水泥浆，其特征在于：其组分及配比按重量份如下：水泥100份、水116-321份、粉煤灰52—136份、硅灰14—38份、超细水泥14—38份、早强剂6—11份，所述的硅灰(SiO2含量>90％)颗粒粒径大于0μm小于0.5μm，硅灰、粉煤灰颗粒密度为2.0g/cm3，超细水泥粒径大于0μm小于2μm。
2、根据权利要求1所述的非漂珠低密度水泥浆，其特征在于：其组分及配比按重量份如下：水泥100份、水321份、粉煤灰121—136份、硅灰33—38份、超细水泥33—38份、早强剂9—11份。
3、根据权利要求1或2所述的非漂珠低密度水泥浆，其特征在于：所述的水泥为G级水泥。
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