CN102329601B - 深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系 - Google Patents

深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系 Download PDF

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Abstract

本发明涉及深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系，由以下各组分按重量份配比组成：水泥100份，密度调节剂20～100份，缓凝剂0.3～0.6份，降失水剂0.1～5份，早强剂0.1～3份，分散剂0～0.6份，热量调节剂5～30份，水60～120份；100重量份水泥中含有下列成分的重量份：CaO 20～70份，Al2O3 20～60份，SiO2 5～20份，P2O5 10～35份，Fe2O30.5～5份，MgO 1～4份。该水泥浆体系具有优异的低温早强、耐腐蚀和稠化时间可调、“直角稠化”性能，有望解决深水固井所面临的低温、水泥石腐蚀、浅层水一气窜流等主要问题。本发明技术可靠、现场施工方便、成本低，特别适合于深水条件下的低温、腐蚀、浅层水一气窜流固井作业。

Description

深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系
技术领域
本发明涉及一种深水固井用低温早强水泥浆体系，特别适合于深水条件下的低温、腐蚀、浅层水-气窜流固井作业。
背景技术
深水的定义是随钻井技术发展而变化的，10年前指水深超过300m海域，目前指水深超过500m海域，水深超过1500m称为超深水。2005全球深水油气产量虽然仅占全球油气发现总量的40％，特别在2002～2003年更是上升至65％。到目前为止，已在深水海域探明石油储量90.573×108m3，估计还有(135.065～158.9)×108m3的未探明储量，许多石油公司都竞相涉足深水海域的开发。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，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。因此，对深水固井技术的研究成为深水油气资源高效、经济、安全开采的前提条件和重要保障。
然而，深水固井常面临许多问题，经过近30年发展，虽然在深水固井水泥体系、水泥外加剂、防窜理论与技术、注水泥技术和固井设备等方面都取得了较大的进步，但仍有许多问题亟待解决。
首先，深水固井(特别是表层段)与常规固井相比，面临低温问题，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。
其次，深水条件延长了水泥浆，特别是低密度水泥浆的过渡时间。由于潜在的松软地层、异常高压砂层的存在，就给气窜、水窜造成了很大的机会。
再者，地层孔隙压力和破裂压力之间“窗口”狭窄，地层易压漏。从海底到泥线以下610m的地层从地质年代来讲通常相对较新，地层胶结性较差。这些地层大部分是大陆架的侵蚀物，因此地层易压裂，在固井时必须使用低密度水泥浆。
此外，高昂的深水钻井装置租赁费用等也是深水固井面临的问题。总的来说，在进行深水固井时需要考虑候凝时间(WOC)、低温水-气窜、水泥浆密度低以及井眼环空间隙大、井眼不规则、顶替效率差等因素的影响。
以往海洋低温固井多采用的是泡沫低密度固井，但施工工艺复杂，变化因素多，固井风险大。目前，国内对深水固井的研究尚处于起步阶段，国外与深水井配套的固井技术和材料也在发展完善之中。因此，新型深水固井用低温早强水泥的研制开发将有助于解决深水条件下的低温、腐蚀、浅层水-气窜流固井作业的一系列问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系，该水泥浆体系具有优异的低温早强、耐腐蚀和稠化时间可调、“直角稠化”性能，有望解决深水固井所面临的低温、水泥石腐蚀、浅层水-气窜流等主要问题。
深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系，由以下各组分按重量份配比组成：
水泥        100份，
密度调节剂  20～100份，
缓凝剂      0.3～0.6份，
降失水剂    0.1～5份，
早强剂      0.1～3份，
分散剂      0～0.6份，
热量调节剂  5～30份，
水          60～120份。
所述水泥100重量份中含有下列化学成分的重量份：
CaO    20～70份，
Al2O3  20～60份，
SiO2   5～20份，
P2O5   10～35份，
Fe2O3  0.5～5份，
MgO    1～4份。
水泥制备过程：选用优质石灰石、粘土、磷灰石、铝矾土按照上述化学组成配料并细磨，在1250℃-1400℃煅烧，将经过煅烧的熟料细磨即得该水泥。
所述密度调节剂为铁矿粉或漂珠。
所述缓凝剂为木质素磺酸钠、硼酸、硼砂(四硼酸钠)、氧化锌、葡萄糖酸钠、氯化钠其中一种或两种以上的混合物。
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、磺化聚苯乙烯、磺化聚甲基苯乙烯、聚乙烯醇其中一种或两种以上的混合物。
所述早强剂为三乙醇胺、无水硫酸钠、亚硝酸钠、硝酸钠、氯化钾、氯化钙其中一种或两种以上的混合物。
所述分散剂为磺化烷基萘甲基树脂。
所述热量调节剂为II级粉煤灰或s95级矿渣。
以上物质均为市售。
该深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体的制备方法如下：
称取100重量份水泥，20～100重量份密度调节剂，5～30重量份热量调节剂，0.3～0.6重量份缓凝剂，0.1～3重量份早强剂，0～0.6重量份分散剂干混为干粉，量取60～120重量份水，称取0.1～5重量份降失水剂溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得本发明深水固井用低温早强水泥浆体系。
由于深水固井主要面临低温、潜在的浅层水窜和气窜、地层孔隙压力和破裂压力之间“窗口”狭窄，地层易压漏和水泥浆温度演变等问题，因此对深水固井用水泥浆的基本性能要求是：(1)水泥浆密度低；(2)低温下较短的过渡时间和优良的抗压强度；(3)低失水和较好的水泥浆完整性；(4)水泥浆与套管和地层的密封和胶结等长期性能好；(5)具有良好的耐腐蚀性能。本发明所述的深水固井用低温早强水泥浆体系具有以下五个方面的优点：
(1)通过在水泥制备过程中增加磷灰石和铝矾土的措施，使得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)水泥浆水化产物中没有Ca(OH)2，使得水泥石在海水和其他酸性腐蚀介质中具有良好的耐腐蚀性能；
(5)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，是一种性能良好的深水固井用低温早强水泥浆体系。
附图说明
图1是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例1的稠化曲线
图2是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例2的稠化曲线
图3是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例3的稠化曲线
图4是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例4的稠化曲线
图5是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例5的稠化曲线
图6是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例6的稠化曲线
图7是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例7的稠化曲线
图8是深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆实施例8的稠化曲线
具体实施方式
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。
一、深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆的制备
实施例1
称取100重量份水泥(见表1)、25重量份漂珠、5重量份II级粉煤灰，2重量份无水硫酸钠、0.1重量份三乙醇胺、0.5重量份硼砂干混为干粉，量取100重量份水，称取0.5重量份磺化聚苯乙烯溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆即配成。
实施例2
称取100重量份水泥(见表1)、30重量份漂珠、15重量份II级粉煤灰、0.3重量份木质素磺酸钠、1.5重量份氯化钙、0.1重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取100重量份水，称取3重量份聚乙烯醇溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆即配成。
实施例3
称取100重量份水泥(见表1)、100重量份漂珠、20重量份II级粉煤灰、0.3重量份氧化锌、2重量份氯化钾、1重量份氯化钙、0.2重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取95重量份水，称取3重量份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆即配成。
实施例4
称取100重量份水泥(见表1)、25重量份铁矿粉、25重量份II级粉煤灰、0.6重量份葡萄糖酸钠、2重量份无水硫酸钠、1重量份氯化钙、0.3重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取60重量份水，称取5重量份磺化聚苯乙烯溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆即配成。
实施例5
称取100重量份水泥(见表1)、30重量份铁矿粉、10重量份s95级矿渣、0.5重量份硼酸、2重量份亚硝酸钠、0.6重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取90重量份水，称取0.1重量份磺化聚苯乙烯、2重量份磺化聚甲基苯乙烯溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强水泥浆即配成。
实施例6
称取100重量份水泥(见表1)、35重量份铁矿粉、15重量份s95级矿渣、3重量份硝酸钠、0.5重量份氯化钠、0.4重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取80重量份水，称取3重量份聚乙烯醇溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强水泥浆即配成。
实施例7
称取100重量份水泥(见表1)、45重量份铁矿粉、25重量份s95级矿渣、1重量份无水硫酸钠、1重量份氯化钙、0.5重量份硼砂、0.4重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取100重量份水，称取3重量份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强水泥浆即配成。
实施例8
称取100重量份水泥(见表1)、55重量份铁矿粉、30重量份s95级矿渣、1重量份亚硝酸钠、0.5重量份三乙醇胺、0.3重量份木质素磺酸钠、0.5重量份磺化烷基萘甲基树脂干混为干粉，量取120重量份水，称取3重量份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于水中。然后，将水溶液放在混合容器中，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取混合的干粉，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，深水固井用低温早强水泥浆即配成。
表1深水固井用低温早强水泥浆所用水泥化学组分重量百分比
Figure BDA0000103106600000061
二、深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆的性能测试
表2是实施例1-8的基本性能测试结果，从结果中可看出该深水固井用低温早强水泥浆性能稳定，低温下早期强度发展较快，符合深水固井工程要求。
表2深水固井用低温早强水泥浆体系性能参数
Figure BDA0000103106600000071
图1-8是实施例1-8的稠化曲线图，从图中可以看出，深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆的稠化曲线在低温下为“直角型”，稠化时间可调，有利于深水固井的防窜能力提高以及符合不同工况下的施工。

Claims (1)

1.深水固井用低温早强耐腐蚀水泥浆体系，由以下各组分按重量份配比组成：
Figure FDA00001878219600011
所述100重量份水泥中含有下列化学成分的重量份：
Figure FDA00001878219600012
所述密度调节剂为铁矿粉或漂珠；所述缓凝剂为木质素磺酸钠、硼酸、硼砂、氧化锌、葡萄糖酸钠、氯化钠其中一种或两种以上的混合物；所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、磺化聚苯乙烯、磺化聚甲基苯乙烯、聚乙烯醇其中一种或两种以上的混合物；所述早强剂为三乙醇胺、无水硫酸钠、亚硝酸钠、硝酸钠、氯化钾、氯化钙其中一种或两种以上的混合物；所述分散剂为磺化烷基萘甲基树脂；所述热量调节剂为Ⅱ级粉煤灰或s95级矿渣。
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