CN102086110A

CN102086110A - 采用lt-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方

Info

Publication number: CN102086110A
Application number: CN2009102166212A
Authority: CN
Inventors: 黄友华
Original assignee: WUHOU DISTRICT DIANFENG ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY R&D CENTER
Current assignee: WUHOU DISTRICT DIANFENG ELECTROMECHANICAL TECHNOLOGY R&D CENTER
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-08

Abstract

本发明涉及一种采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，包括以下组分：G级水泥和微细水泥的配比为7∶4～4∶4，水固比为4.5～6.0，其中还包含45％～60％的漂珠或7％～20％的玻璃微珠，15％的微硅，2％～3％的分散剂，2.5％的早强激活剂，1.2％的降失水剂，1％的纤维以及0.15％～0.5％的缓凝剂。采用该配方配置出来的水泥浆流动度较大，稠度较小，流变性更好，更有利于注水泥的施工过程中水泥浆的泵注。

Description

采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方

技术领域

本发明涉及早强低密度水泥浆体系，具体是指一种采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方。

背景技术

目前，解决低压易漏失层和长封固段层等复杂井固井问题的方法主要采用低密度水泥浆体系。但是，对于低密度水泥浆体系而言，随着大量减轻材料的加入，在水泥浆密度降低的同时，水泥浆流变性和稳定性变差，API失水量也变得难以控制，尤其是在较低温度条件下，水泥浆具有较长稠化时间的同时水泥石早期抗压强度大幅降低，有时甚至难以满足封固地层的要求，且水泥浆的密度降得越低，上述矛盾就越突出，最终导致水泥综合性能不良，不能满足低压易漏失层和长封固段层的固井作业的要求。但是，如果不解决这个矛盾，将严重制约低密度水泥浆固井技术的发展和推广应用。因此，寻求低温度、低密度、高早期抗压强度、长稠化时间等性能之间的平衡对目前低密度水泥体系的发展具有重要意义，同时，也具有较高的技术难度。

早强低密度水泥浆体系在国外兴起于20世纪80年代中期，如漂珠低密度水泥浆体系、粉煤灰及泡沫水泥浆体系等在国外推广使用。而在我国，此领域起步较晚，直到20世纪80年代末期才有了此方面的报道和相应的文献。随着我国钻井勘探开发技术的发展，有关早强低密度水泥浆体系的研究和文献也越来越多。

目前，低密度水泥浆的设计途径有加大水固比、加入减轻材料两种主要措施，但要保持水泥浆体系的相对稳定性和均匀性，多数采用加入减轻材料的方法。应用于早强低密度水泥浆体系的减轻材料有漂珠、微硅、玻璃微珠、矿渣、粉煤灰、膨润土、膨胀珍珠岩等材料。现在，早强低密度水泥浆体系主要有漂珠体系、微硅体系、泡沫体系、矿渣体系、粉煤灰体系、膨润土体系以及几种体系的复合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，采用其配置出来的水泥浆流动度较大，稠度较小，流变性更好，更有利于注水泥的施工过程中水泥浆的泵注。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，包括以下组分：G级水泥和微细水泥的配比为7∶3～4∶6，水固比为0.45～0.6，其中还包含45％～60％的漂珠或7％～20％的玻璃微珠，15％的微硅，2％～3％的分散剂，2.5％的早强激活剂，1％～1.4％的降失水剂，1％的纤维以及0.15％～0.5％的缓凝剂。

为了达到更好的效果，所述的降失水剂的用量为1.2％；所述的G级水泥和微细水泥的配比为6∶4；所述的水固比为0.56～0.58；所述分散剂的用量为2％～2.75％。

综上，本发明的有益效果是：采用LT-2作为降失水剂配制的水泥浆稠度较低，对滤饼冲刷及环空顶替较好，泵压损失小，施工安全，从而抑制气窜，水侵等不利状况，同时，LT-2作为降失水剂配制的水泥浆的增压稠化曲线更加明显，更有利于注水泥。

附图说明

图1为固相密度与水泥浆密度的关系。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

(1)G级水泥和微细水泥配比的确定

首先，本文拟采用同一个配方，不同的G级水泥和微细水泥配比，通过对水泥的各项性能进行分析对比，最终确定其配比情况，实验数据见表1。

表1不同G级水泥和微细水泥配比对水泥性能的影响

通过上表中的数据可知，随着微细水泥比例的增加，水泥的流变性变差，流动度降低，稠度上升，强度增加，在配比大于等于1时，其变化比较缓和，在配比小于1时，即微细水泥占有大部分的时候，其流动度大幅降低，稠度剧烈上升，基本丧失流动性，以至于在施工过程中不能被泵送，产生这一现象的主要原因是由于微细水泥具有较大的比表面积，需要大量的水对其表面进行润湿，使得体系中的自由水含量降低，导致水泥浆流变性变差。但是微细水泥由于其颗粒直径很小，能进入微小的孔隙，加入适当的微细水泥能够提高水泥石的密实度，进而提高水泥石的抗压强度，微细水泥还能加快水化反应速度，从而进一步增加水泥石的早期抗压强度。

终上所述，G级水泥和微细水泥配比必须要在保证水泥浆体系具有较好流变性的前提下提高微细水泥的含量。由于低密度水泥浆中还要加入大量的减轻材料，水泥浆中的固相含量将增大，为了保证早强低密度水泥浆具有较好的流变性，故本文初步选择的G级水泥和微细水泥配比为1∶1和6∶4，在以后的实验过程中，可以根据水泥浆的各项性能对其进行调整，最终得到最适合于早强低密度水泥浆体系的G级水泥和微细水泥配比。

(2)早强低密度水泥浆水固比的确定

水固比是指水泥浆中水对固体材料的质量比，它对水泥浆和水泥石的性能都有较大的影响。首先，它直接影响水泥浆的密度，水固比越大，水泥浆的密度越小。在注水泥中大部分水泥浆都含有某些外加刘，有些外加剂是起促凝作用的，有些外加剂是起缓凝作用的。因此，水固比的变化对水泥浆稠化时间的影响要视外加剂的混配方式而定。在一般情况下，如果早强激活剂，缓凝剂与水泥干混后，再配制水泥浆，随着水固比的增大，水泥浆的稠化时间也随之增长，反之稠化时间减少。但是，如果早强激活剂，缓凝剂配成水溶液后，再配制水泥浆，水固比变化对水泥浆稠化时间的影响就比较复杂。对促凝水泥浆来说，水固比增大，单位体积内的水泥量减少，从而延长了水泥浆的稠化时间，早强激活剂的量增大，水泥浆稠化时间的变化存在三种可能性：变化很小、变短或变长；对缓凝水泥浆来说，水固比增大，单位体积内的水泥量减少，缓凝剂的量增大，水泥浆稠化时间总是延长。水泥浆的游离液、塑性粘度和动切力随水固比的增加而不断减小。当水固比超过某一数值时，水泥石的强度急剧下降。简言之，水泥浆的密度取决于用水量，水泥浆的用水量越多，其配制的水泥浆的密度就越低，硬化后水泥石的性能就越差。用较多用水量配制的水泥浆密度越低，其抗压强度也越低，当低于3.5MPa时，就不能满足支撑套管，进行继续钻进作业的要求；随着水泥浆密度降低，其粘度下降，有利于在较低的泵压下进行注替作业，当粘度降低至越小时，水泥浆的悬浮稳定性就会受到影响，从而导致水泥石性能下降。

从上面分析可知，在实际注水泥过程中，如果水泥浆因渗漏失水而导致密度上升，因而其密度或水固比偏离原设计值，将对水泥浆和水泥石的性能产生较大的变化。这不仅影响固井质量，还可能造成压漏地层、憋泵，甚至出现注水泥作业失败等工程事故。所以，如今大部分都采用了混凝土技术，优化颗粒级配，从而提高早强低密度水泥浆性能。

表2由固相密度与含水量计算的水泥浆密度

由表2可以看出，根据最优含水率进行高密度水泥浆的设计时，要设计出水泥浆密度较高，就必须要求混合外掺料的固相密度高。

针对早强低密度水泥浆体系早期抗压强度较低的缺点，本实验必须在水泥浆配方中加入一定量的微硅，从而提高其早期抗压强度，通过计算可知，该系列的固相密度一般在1.3g/cm³左右。

固相密度与水泥浆密度的关系如图1所示。从图1中可以看出，配制相同密度的水泥浆时，如果固相密度较低，则其对应的含水量就会越低。从表2可知，用漂珠，微硅以及水泥混合后的固相密度在1.3g/cm³左右，根据图1可以看出，要配制密度在1.20g/cm³左右的水泥浆，其最优含水量应该在0.38左右，相应的水固比应该为0.50左右。

综上可知，本实验的水固比按照理论计算结果为0.50左右，在实际的实验过程中，初步选定水固比为0.50，在以后的实验过程中，可以根据水泥浆的各项性能对其水固比进行调整，最终得到最适合于早强低密度水泥浆体系的水固比。

增压稠化过程中，在100min的时候，两个配方的水泥浆稠度均上升，且上升幅度较大，之后稳定约40min左右，最后产生直角稠化。产生这一现象的原因可能由于水泥浆本身稠度较大，在一定的压力积累作用下，水泥浆中的部分自由水渗入到比较容易产生裂缝的漂珠中，导致水泥浆中的自由水更少，水泥浆更稠，最终导致稠化产生台阶性的变化。

因此，进一步提高水泥浆的水固比值，水固比提高到0.56～0.60使其稠度进一步降低，从而消除在增压稠化过程中出现稠度上升产生台阶的可能，同时意味着牺牲水泥石的部分强度。

(3)水泥浆配方的确定

为了解决由于地层较为复杂，在固井施工过程中，需要较长的时间进行水泥浆泵注工作这一具体问题，将配方的稠化时间进行了一定的调节，主要通过增加缓凝剂SN-2的加量来达到延长稠化时间的目的，即：SN-2具有的磷酸盐基团吸附在水泥颗粒表面阻止了水泥水化，同时由于其具有多个羟基活性基团，具有极强烈的缓凝作用，加量很少，对水泥无副作用。与此同时，水泥的抗压强度也相应的受到缓凝剂影响，为了保证水泥石的抗压强度达到设计要求，对配方中的外加剂和材料也进行了适当调节，改用促凝效果更强的CK2-2为早强激活剂，该早强激活剂中含有的离子能促进钙矾石的形成而且直到石膏被消耗完为止，微针状结晶钙矾石的生长将加快水泥凝结，同时，还可使C-S-H凝胶转化为絮状松散结构，明显的提高水化速率，进一步增加水泥石的早期抗压强度。适当的增加玻璃微珠和微硅的含量也可以提高水泥石的早期抗压强度，由于玻璃微珠和微硅的粒径均较小，比表面积较大，加入水泥浆中使得水泥浆稠度上升，流变性变差，故还需要适当的增加分散剂SXY-2的加量，同时，提高G级水泥和微细水泥配比到6∶4也可改善水泥浆的稠度和流变性，从而保证了最终得到的水泥浆配方其各项性能均能达到设计要求，主要是早期抗压强度。

通过以上两个表中的数据可知，表中得出的水泥浆配方与表4中的水泥浆配方相比较，其水固比基本相同，为0.56～0.58，但是通过最终G级水泥和微细水泥配比为6∶4的确定，以及外加剂加量的变化，使得水泥各项性能均达到设计要求，特别是解决了水泥浆在具有较长稠化时间的同时其水泥石也具有较高的早期抗压强度这一难点。

表3LT-2为降失水剂的早强低密度水泥浆体系配方

表4不同配方对应的水泥性能

(4)模拟环空水泥返到地层表面

由于早强低密度水泥浆体系的早期抗压强度相对正常密度水泥浆的早期抗压强度形成较慢，为了保证环空中的水泥浆在返到地层表面后能在一定时间内形成较好的抗压强度，从而能够支撑套管重量所形成的轴向载荷，本文对此种情况进行了模拟，具体方法如下：将水泥浆在室温条件下配制好后，放到一定温度下(50℃，70℃，90℃)的常压稠化仪中预制两到三个小时，模拟水泥浆由地面泵到井底再返到地层表面的情况，然后装模，放入30℃的水浴锅中养护，模拟地层表面部分的水泥在室温下的抗压强度形成情况，分别测其一天和三天的强度。表4即为不同密度的水泥浆模拟环空水泥返到地层表面的情况一天和三天的强度。

通过上表中的数据可知，不同密度的水泥浆在模拟环空水泥返到地层表面的情况中，各个水泥石抗压强度均较好，一天后的抗压强度大于5.0MPa，完全能够支撑套管重量所形成的轴向载荷，三天后抗压强度大于10.0MPa，达到设计要求。

表4模拟环空水泥返到地层表面的水泥石抗压强度

注：养护温度30℃、常压

如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims

1.采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，包括以下组分：G级水泥和微细水泥的配比为7∶3～4∶6，水固比为0.45～0.6，其中还包含45％～60％的漂珠或7％～20％的玻璃微珠，15％的微硅，2％～3％的分散剂，2.5％的早强激活剂，1％～1.4％的降失水剂，1％的纤维以及0.15％～0.5％的缓凝剂。

2.根据权利要求1所述的采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，所述的降失水剂的用量为1.2％。

3.根据权利要求1所述的采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，所述的G级水泥和微细水泥的配比为6∶4。

4.根据权利要求1所述的采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，所述的水固比为0.56～0.58。

5.根据权利要求1所述的采用LT-2降失水剂的早强低密度水泥浆配方，其特征在于，所述分散剂的用量为2％～2.75％。