CN101805596B

CN101805596B - 非漂珠低密度油井水泥

Info

Publication number: CN101805596B
Application number: CN 201010135449
Authority: CN
Inventors: 张伟杰; 李玉双; 杨子文; 隋金柱
Original assignee: HARBIN TAIHANG XINGLONG CEMENT CO Ltd; HARBIN JINJIAN WEIYE TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: Harbin Taihang Xinglong Cement Co., Ltd.
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: CN101805596A

Abstract

非漂珠低密度油井水泥，它涉及一种低密度油井水泥。本发明解决了现有非漂珠粉煤灰低密度水泥早期强度低、浆体流动性不好、稳定性差及使用寿命短的问题。本发明非漂珠低密度油井水泥比由油井水泥、粉煤灰、磺化醛酮缩合物分散剂、纳米硅灰石和早强剂组成，纳米硅灰石中SiO₂的质量含量≥96％。本发明所述水泥的稳定性好、致密性好、早期强度高、使用寿命长、流变性好，而且其稠化时间可控，满足了低压力地层油田固井对水泥性能的要求。

Description

非漂珠低密度油井水泥

技术领域

本发明涉及一种低密度油井水泥。

背景技术

随着油气田开发难度的逐渐加大，固井作业中遭遇的特殊井、疑难井越来越多，如低压易漏井、长封固段井等固井质量的提高，都是目前急待解决的问题。开发一种兼有多种特性的低密度水泥来满足这样的复杂井固井要求是非常必要的。

目前，针对低压易漏地层的固井，最常用的是漂珠低密度水泥浆体系，其优点是具有较低的密度和较高的抗压强度，但漂珠为空心玻璃体，在一定的压力下，水将通过漂珠上的细孔进入空心球内，这使得融有多种化学外加剂的液体进入漂珠内，易使浆体密度升高，压漏地层，失去原有的效果，严重的使固井失败。采用非漂珠粉煤灰低密度水泥保持设计密度，但目前国内粉煤灰低密度水泥早期强度较低、浆体流动性不好、稳定性差、使用寿命短，无法满足低压力地层油田固井对水泥性能的要求。

发明内容

本发明的目的为了解决现有非漂珠粉煤灰低密度水泥早期强度低、浆体流动性不好、稳定性差及使用寿命短的问题。

本发明的非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、12～20份纳米硅灰石、120～180份粉煤灰，3～6份早强剂和4～8份水泥分散剂，其中纳米硅灰石中SiO₂的质量含量≥96％。

本发明所述水泥的稳定性好、致密性好、早期强度高、使用寿命长、流变性好，而且其稠化时间可控，满足了低压力地层油田固井对水泥性能的要求。

本发明使用纳米硅灰石作为填料，纳米二氧化硅粒径是水泥颗粒平均直径的百分之一，在混入水后，纳米二氧化硅颗粒活性大，能吸附水分子，与水分子之间形成氢键，使微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，水泥浆形成稳定的悬浮体系，提高了水泥浆体的稳定性；形成水泥石后，由于不同粒径的颗粒合理级配，纳米二氧化硅颗粒能填充水泥石结构内部的毛细孔通道和微裂缝，弥补水泥石结构发育缺陷，使水泥石更加致密，降低水泥石的渗透率；另一方面，纳米二氧化硅与水泥水化过程中产生的Ca(OH)₂反应生成纳米尺寸的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，也填充到水化产物的空隙里，极大地提高了水泥密实性，提高了水泥石的抗浸蚀能力，相应提高了低密度水泥的防腐性能，从而提高油气井固井质量和使用寿命。

本发明的早强剂可激活粉煤灰的活性，提高低密度水泥的早期强度。

本发明使用水泥分散剂可降低水泥浆体系中的水泥颗粒表面的电荷层，释放出自由水，增强低密度水泥浆体的流动性。

本发明的配方比例提高低密度水泥的综合性能；提高混配性，实现水泥的均质性，发挥水泥最佳性能。

研制的低密度水泥通过加入早强剂及纳米材料(60～90nm)，主要利用外掺料本身密度较低的特性和部分减轻材料具有活化作用、胶凝作用，来实现水泥浆体系的低密度。并通过优化材料间配比，实现最佳颗粒级配及填充效果，其形成的水泥石具有相对较高的抗压强度和较低的渗透率，较好的沉降稳定性。另外该体系中主要外参料粉煤灰还具有耐腐蚀性和防气窜能力，并且有比其他低密度体系更为低廉的成本，是一种理想的能满足复杂井固井要求的低密度水泥。本发明所述的水泥配浆时，水用量占干灰总重的60％，所得水泥浆密度为1.60±0.02g/cm³；该低密度水泥浆利用紧密堆积理论、颗粒级配原理，利用低密度水泥浆外掺料的物理化学作用，提高了低密度水泥浆的沉降稳定性和水泥石的抗压强度，具有浆体密度低及渗透率低的特点。同时，由于粉煤灰为工业废品，因此这种非漂珠低密度水泥具有良好的社会效益和广阔的应用前景。本发明所述的非漂珠低密度水泥能适应油田钻井完井过程中长封、易漏等多种复杂井而开发的一类特殊油井水泥；其主要应用于：1)易漏失地层和低压力梯度地层固井，防止水泥浆漏失和污染储层，保护油气层；2)封固气井或地层中含有严重腐蚀性水或气的油井；3)超深井固井，即使采用分级注水泥技术，也希望尽可能的降低水泥浆柱的静压力，以便在较低的泵压下获得较好的固井质量；4)欠平衡钻井配套固井，其实质是要解决欠平衡钻井后的近平衡固井问题。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、12～20份纳米硅灰石、120～180份粉煤灰，3～6份早强剂和4～8份水泥分散剂，其中纳米硅灰石中SiO₂的质量含量≥96％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、14～18份纳米硅灰石、140～160份粉煤灰，4～5份早强剂和5～7份水泥分散剂。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式所述水泥制备方法是：将各组分按上述配比混合即可。本实施方式所述的水泥配浆时，水用量占干灰总重的60％，所得水泥浆密度为1.60±0.02g/cm³

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、16份纳米硅灰石、150份粉煤灰，4.5份早强剂和6份水泥分散剂。其它与具体方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的油井水泥按重量分数比由100份水泥生料、3～5份石膏和1～3份铜尾矿制成；油井水泥的制备方法是按下述不步骤进行的：一、按重量分数比称取100份水泥生料、3～5份石膏和1～3份铜尾矿后混合得到混合料；二、将步骤一的混合料放入水泥熟料粉碎机内粉碎30min～40min；三、将粉碎后的混合料在1250～1450℃条件下煅烧40min～50min，然后冷却至室温；四、将经步骤三处理后的混合料研磨40min～60min；即得到油井水泥。其它与具体实施方式一至三之一相同。

本实施方式煅烧过程中，加热升温至100～150℃温度，主要是排除水泥生料中全部水分，这一过程称为干燥过程。生料干燥后，继续被加热，温度上升较快，当温度升到500℃时，粘土中的主要组成矿物高岭土发生脱水分解反应，其反应式为Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O→Al₂O₃·2SiO₂+2H₂O，当温度升高到1250℃～1450℃时，即达到其最低共熔温度后，开始出现以氧化铝、氧化铁和氧化钙为主体的液相，液相的组分中还有氧化镁和碱等。在高温液相的作用下，水泥熟料逐渐烧结，物料逐渐由疏松状转变为色泽灰黑、结构致密的熟料，并伴随着体积收缩。同时，硅酸二钙和游离氧化钙都逐步溶解于液相，钙离子扩散与硅酸根离子、硅酸二钙反应，即硅酸二钙吸收氧化钙而形成硅酸盐水泥的主要矿物硅酸三钙随着温度升高和时间的延长，液相量增加，液相粘度减少，氧化钙、硅酸二钙不断溶解和扩散，硅酸三钙不断形成，并使小晶体逐渐发育长大并发育良好，最终形成几十微米大小的发育良好的阿利特晶体、完成熟料的烧结过程。本实施方式所述的油井水泥是一种不平衡的多组份固溶体系统，由许多不同的矿物和中间体组成，主要由硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)、铝酸三钙(C₃A)及铁铝酸四钙(C₄AF)等四种固溶体组成，各单矿物组份在油井水泥水化过程中水化速度各不相同，对油井水泥强度的发展起着不同的作用。低密度油井水泥早期强度不高是限制低密度油井水泥现场应用的关键制约因素，分析认为：在常规低密度油井水泥中，对早期强度有贡献的矿物C₃S、C₃A组份含量相对减少，其不利于早期强度的提高。因此，在原材料的选择上，着重调整了生产配方，选用硅、铝含量偏高的矿物，适当增加利于强度发挥的矿物C₃S、C₃A组份含量，从水泥基材组份上进行调整，有针对性地选用生产水泥矿物原材料，以期从水泥水化基本特性着手来提高低密度油井水泥的早期强度。通过试验及数据分析，较原常规生产的G级油井水泥C₃S组份含量提高了5～10％，C₃A组份含量提高了2～5％，水泥强度有较大幅度提高。

水灰比是降低油井水泥密度的常规方法，但对于常规油井水泥浆体系，一味的提高水灰比将导致水泥浆体系不稳定，抗压强度低，自由液大，综合性能无法满足现场固井施工；当提高油井水泥比表面积后，可在一定程度上适当提高水灰比，改善水泥浆性能，在保证综合性能前提下水泥浆密度在一定程度上有所降低。

本实施方式方法使油井水泥的比表面积较常规生产G级油井水泥提高了近100cm²/g，水泥水化速度越快，其稠化时间将缩短，有利于早期强度的发展，使水泥强度进一步达到提高，具有较优的物理性能。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的水泥分散剂为醛酮类减阻剂。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的醛酮类减阻剂为水泥减阻剂SXY、减阻剂SAF、油井水泥减阻剂USZ或JZ-1油井水泥减阻剂。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的早强剂是硫酸钠、石灰石和明钒石的混合物，其中硫酸钠与石灰石的质量比为1∶1～1.2，硫酸钠与明钒石质量比为1∶1～2。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的纳米硅灰石的平均粒径为60～90nm。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的纳米硅灰石的平均粒径为80nm。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述纳米硅灰石中SiO₂的质量含量为98％～99％。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式中非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、15份纳米硅灰石、160份粉煤灰，4份早强剂和5份油井水泥减阻剂USZ，其中纳米硅灰石中SiO₂的质量含量98％，纳米硅灰石的平均粒径为80nm，油井水泥按重量分数比由100份水泥生料、4份石膏和2份铜尾矿制成，油井水泥的制备方法按具体实施方式四的进行，早强剂是硫酸钠、石灰石和明钒石的混合物，其中硫酸钠与石灰石的质量比为1∶1，硫酸钠与明钒石质量比为1∶2。

采用下述试验验证本发明的优点

(1)渗透率实验

渗透率实验是利用双缸养护釜60℃×20.7MPa条件下，将不同配方水泥浆倒入渗透率试件模中养护48小时制成试件，并在恒温箱里进行烘干至其重量基本恒定后，用水泥石渗透率仪测定每块试验样的渗透率。该实验是比较了G级水泥原浆、密度为1.60g/cm³批混低密度水泥、G级原浆+漂珠40％三个配方的渗透率试验，试验数据见表1。

从表1实验数据可见，由于颗粒的合理级配和优化，使水泥石更加致密。表1说明非漂珠低密度的水泥石渗透率也是最优的。批混低密度水泥其渗透率与G级原浆相比分别差近一个数量级，批混低密度水泥不但提高了水泥浆的沉降稳定性和水泥石抗压强度，同时降低了水泥石的渗透率，提高了水泥石的耐腐蚀性，降低了地层流体对套管的腐蚀程度。

表1：不同水泥浆渗透率实验数据表

注：渗透率是根据达西定律进行计算：

其中：Q_测------一定压差下的气体流量，ml/min；

P₀------大气压，kPa；

L-------试块长度，cm；

A-------试块截面积，cm²；

μ-------气体粘度，mPa·s；

P₁-------试块截面进口压力，kPa；

K-------渗透率，×10^-3μm²。

(2)水泥浆体系沉降稳定性

水泥浆体系的沉降稳定性主要是指浆体状态稳定性和凝结后形成水泥石的稳定性。低密度水泥浆由于加入了大量轻质材料，其体系存在不稳定趋势。本项目在评价批混低密度水泥浆稳定性能时使用了类似游离液的测量方法。将制备好的水泥浆倒入500ml量筒中，在室温下静置2h后，自上而下测定水泥浆的密度。试验数据见表2。

表2：水泥浆沉降稳定性实验数据表

类别	稳定时间，h	密度值，g/c m³	密度差，g/cm³
				本实施方式非漂珠低密度油井水泥净浆	2	1.590，1.595，1.610，1.610	0.02
普通微珠低密度水泥浆	2	1.500，1.520，1.570，1.580	0.08

从表中试验数据分析，批混低密度水泥净浆在稳定性上比普通微珠低密度水泥浆要好，可满足油田固井封固质量的要求。

(3)抗压强度实验

普通低密度水泥的使用，控制的主要性能指标是混配质量和低密度水泥石抗压强度，非漂珠低密度水泥也同样要满足混配质量和抗压强度要求。为此，进行了不同温度下批混低密度水泥净浆的室内常规性能评价试验，包括抗压强度、密度、流动度。试验数据见表3。

表3：批混低密度水泥净浆常规性能数据表

注：配浆水固比为0.60，强度养护条件为常压养护48h

从表3实验数据可见，本实施方式的非漂珠低密度油井水泥原浆具有良好的流动性，可满足现场施工要求。与普通低密度水泥一样，温度的变化对低密度水泥石抗压强度影响较大，温度较低影响低密度水泥浆体系的凝结，最终影响水泥石的抗压强度。

本实施方式的非漂珠低密度油井水泥在大庆油田古69-1井油层固井进行了应用，现场施工数据显示，密度均匀，平均达到1.60g/cm³，流动性良好，测井结果表明固井质量优质，水泥返高达到预定位置，达到了防漏固井的目的。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：

非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、12份纳米硅灰石、180份粉煤灰，3份早强剂和8份油井水泥减阻剂USZ。其它与具体实施方式十一相同。

本实施方式的非漂珠低密度油井水泥在油层固井进行了应用，现场施工数据显示，密度均匀，平均达到1.61g/cm³，流动性良好，测井结果表明固井质量优质，水泥返高达到预定位置，达到了防漏固井的目的。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、20份纳米硅灰石、120份粉煤灰，6份早强剂和4份油井水泥减阻剂USZ。其它与具体实施方式十一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：纳米硅灰石中SiO₂的质量含量为96％。其它与具体实施方式十一相同。

本实施方式的非漂珠低密度油井水泥在油层固井进行了应用，现场施工数据显示，密度均匀，平均达到1.59g/cm³，流动性良好，测井结果表明固井质量优质，水泥返高达到预定位置，达到了防漏固井的目的。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：早强剂是硫酸钠、石灰石和明钒石的混合物，其中硫酸钠与石灰石的质量比为1∶1.2，硫酸钠与明钒石质量比为1∶1。其它与具体实施方式十一相同。

本实施方式的非漂珠低密度油井水泥在油层固井进行了应用，现场施工数据显示，密度均匀，平均达到1.58g/cm³，流动性良好，测井结果表明固井质量优质，水泥返高达到预定位置，达到了防漏固井的目的。

本实施方式的非漂珠低密度油井水泥在油层固井进行了应用，现场施工数据显示，密度均匀，平均达到1.62g/cm³，流动性良好，测井结果表明固井质量优质，水泥返高达到预定位置，达到了防漏固井的目的。

Claims

1.非漂珠低密度油井水泥，其特征在于非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、12～20份纳米硅灰石、120～180份粉煤灰，3～6份早强剂和4～8份水泥分散剂；

其中油井水泥按重量份数比由100份水泥生料、3～5份石膏和1～3份铜尾矿制成；油井水泥的制备方法是按下述步骤进行的：一、按重量份数比称取100份水泥生料、3～5份石膏和1～3份铜尾矿后混合得到混合料；二、将步骤一的混合料放入水泥熟料粉碎机内粉碎30min～40min；三、将粉碎后的混合料在1250～1450℃条件下煅烧40min～50min，然后冷却至室温；四、将经步骤三处理后的混合料研磨40min～60min；即得到油井水泥；

其中早强剂是硫酸钠、石灰石和明钒石的混合物，其中硫酸钠与石灰石的质量比为1∶1～1.2，硫酸钠与明钒石质量比为1∶1～2；

其中水泥分散剂为醛酮类减阻剂，其中醛酮类减阻剂为水泥减阻剂SXY、减阻剂SAF、油井水泥减阻剂USZ或JZ-1油井水泥减阻剂；

其中纳米硅灰石中SiO₂的质量含量≥96％，纳米硅灰石的平均粒径为60～90nm。

2.根据权利要求1所述的非漂珠低密度油井水泥，其特征在于非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、14～18份纳米硅灰石、140～160份粉煤灰，4～5份早强剂和5～7份水泥分散剂。

3.根据权利要求1所述的非漂珠低密度油井水泥，其特征在于非漂珠低密度油井水泥按重量份数比由100份油井水泥、16份纳米硅灰石、150份粉煤灰，4.5份早强剂和6份水泥分散剂。

4.根据权利要求1所述的非漂珠低密度油井水泥，其特征在于所述的纳米硅灰石的平均粒径为80nm。

5.根据权利要求1所述的非漂珠低密度油井水泥，其特征在于所述纳米硅灰石中SiO₂的质量含量为98％～99％。