CN102796500A - 一种固井用低水化热早强水泥 - Google Patents

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席方柱
吕光明
高永会
谭文礼
熊钰丹
王翀
孙富全
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Abstract

本发明涉及一种固井用低水热早强水泥，其在石油钻井工程中用于永冻层或深水含水合物地层，其组分及质量百分比为：低温早强水泥30％～70％、火山灰质材料20％～50％、微细球形颗粒10％～40％，该水泥的水化热仅为常规水泥的1/2，并且低温强度发展快，可配制低水化热水泥浆，具有较好的效果和广泛的应用。

Description

一种固井用低水化热早强水泥
技术领域
本发明涉及石油钻井工程材料的技术领域，尤其涉及用于配制永冻层或深水含水合物地层的一种固井用低水化热早强水泥。
背景技术
随着石油资源的勘探开发的不断拓展，目前勘探区域已经向深海及寒冷地区发展。深水油气资源勘探开发不可避免地会遇到水合物地层。天然气水合物存在于低温高压条件下，在温度0～10℃，压力10MPa以上，天然气水合物才会存在，一般存在于水深大于300m的深海中，同时在永冻地层中也有可能存在。天然气水合物的平均组分为每5.75摩尔的水中包含1摩尔的天然气，密度为0.9g/cm3，在压力1MPa、温度0℃的条件下，1升水合物中含有168升天然气。因此当天然气水合物受热分解时，其体积将急剧膨胀，将导致巨大的安全问题。
要确保安全高效地开采深水水合物层以下的油气资源，必须保证水合物层的水合物在钻采过程中还能稳定存在、不发生分解。深水固井时必须在固井水泥浆中加人低温促凝剂以减少候凝时间达到缩短建井周期的目的，但常规的深水低温促凝剂会给水泥浆带来大量的反应热，很有可能导致水合物层的水合物受热分解，影响水泥环的整体封隔性和固井质量，威胁钻井平台安全。因此，常规的水泥无法适用于深水水合物层固井。
而且，目前的应用于石油钻井早强水泥浆存在着水化放热量大、放热迅速的缺陷，在造成水泥浆候凝时期环空升温过高，引起永冻层或深水含水合物层不稳定，导致固井气窜，井涌等严重后果。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，从促进水泥浆凝固和降低水泥浆的水化热两方面入手，研制出了一种适用于水合物层的固井用低水化热早强水泥，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固井用低水化热早强水泥，该水泥具有早强效果明显、直角稠化的特点，在有效缩短水泥浆凝固时间的同时，同时降低了水化热，能保证水合物层的稳定性。
为实现上述目的，本发明公开了一种固井用低水热早强水泥，其特征在于其组分及质量百分比为：低温早强水泥30％～70％、火山灰质材料20％～50％、微细球形颗粒10％～40％，该水泥的水化热仅为常规水泥的1/2，并且低温强度发展快，可配制低水化热水泥浆，用于含水合物层固井施工。
其中，所述的低温早强水泥特征为100质量份低温早强水泥中矿物含量为：SiO2 3～10份，Al2O3 28～40份，Fe2O3 1～3份，CaO 36～43份，SO3 8～15份。
其中所述的火山灰质矿物特征为100质量份火山灰质矿物含量为：SiO245～60份，Al2O3 15～20份，Fe2O3 2～6份，（CaO+MgO+K2O，R为K或Na）8～15份；其余为微量成分，其粒度为20～100微米。
其中，所述的微细球形颗粒，主要矿物成分为SiO2和Al2O3，其粒度为2～5微米。
其中，加入空心微珠，配制低密度固井水泥浆。
通过上述结构，本发明的固井用低水化热早强水泥具有如下有益效果：
1、本发明的固井用低水化热早强水泥在低温下强度发展快，同时水化热为常规的低温早强水泥的1/2左右。使水泥浆候凝时温度低，降低了对水合物的影响。
2、本发明的低水化热早强固井水泥可与空心微珠形成颗粒级配，提高水泥浆的堆积效果，改善水泥石的稳定性和致密性。
3、本发明的低水化热早强固井水泥配制的水泥浆水化温升低、早期强度高，体系稳定，稠化过渡时间短，具有优良的防气窜能力。
本发明将通过下面的具体实施例进行进一步的详细描述，且进一步结合对附图的说明将得到更加清楚和明显的了解。
附图说明
图1：本发明的固井用低水化热早强水泥的实施例一和实施例二与常规水泥浆的温升对比。
具体实施方式
本发明涉及的固井用低水化热早强水泥主要包含有三种成分：低温早强水泥、火山灰质材料以及微细球形颗粒。
其中低温早强水泥也简称为早强水泥，是指早期强度发展快的水泥，如硫铝酸盐水泥、高铝水泥等；火山灰质材料是指天然或人工制成的含有以活性氧化硅、活性氧化铝为主的矿物质材料，经磨成细粉后与石灰加水混合，不但能在空气中硬化、而且能在水中继续硬化的材料，都称为火山灰质材料，具有玻璃相和微晶相的两重性质；微细球形颗粒是指具有粒径较小球形的颗粒或粉末材料，其成分可以为陶瓷、金属或金属氧化物及无机矿物成分，诸如陶瓷粉、铁粉、铝粉及碳酸钙粉等。
该固井用低水化热早强水泥的材料具有如下特点：①采用低温早强水泥保证水泥的早期强度发展，②加入可降低水化热的微细球形颗粒材料，降低水泥的总体水化热，③加入具有胶凝活性的低水化热火山灰质矿物，保证水泥石的长期强度。
其中，本发明的固井用低水化热早强水泥的具体实施例为（质量百分比）：
低温早强水泥30％～70％、火山灰质材料20％～50％、微细球形颗粒10％～40％。
其中优选的是，所述的低温早强水泥特征为100质量份低温早强水泥中矿物含量为：SiO2 3～10份，Al2O3 28～40份，Fe2O3 1～3份，CaO 36～43份，SO3 8～15份。火山灰质矿物特征为100质量份火山灰质矿物含量为：SiO2 45～60份，Al2O3 15～20份，Fe2O3 2～6份，（CaO+MgO+R2O，R为K或Na）8～15份；其余为微量成分，其粒度为20～100微米。微细球形颗粒特征在于主要矿物成分为SiO2和Al2O3，其粒度为2～5微米。
本发明的固井用低水热早强水泥在使用时，可以加入空心微珠，配制低密度水泥浆。低水化热早强固井水泥浆时，采用常规方法即可，先将湿混外加剂与水混合均匀，将水泥与空心微珠干混均匀，然后将液体与干物料混拌形成本产品。
其中的空心微珠是指外观为灰白色，是一种松散、流动性好的粉体材料，是二氧化硅--SiO2和三氧化二铝--Al2O3经过1400℃高温烧制分选而成。
下面通过具体的两个实施例来说明：
实施例一：本发明的固井用低水化热早强水泥配方及水化热性能评价：
水泥组分A：低温早强水泥60％，火山灰质材料25％、微细球形颗粒15％。
水泥组分B：低温早强水泥40％，火山灰质材料40％、微细球形颗粒20％。
按照GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》测试了几种不同配方的水泥的水化热，并与G级水泥与低温早强水泥做了对比，结果如下。
表1
Figure BDA00001988435100051
可以看出，加入低水化热材料后，水泥的水化热大幅度下降，水泥组分B的水化热为低温早强水泥的51％，但是其强度发展迅速。
实施例二：低水化热水泥浆配方1
水泥浆配方1：余量水泥组分A+20％空心微珠+52％水+1％硅酸钠+0.5缓凝剂，水泥浆密度：1.5g/cm3。
参照石油和天然气工业标准ISO 10426-3-2003《油井固井用水泥和材料第3部分：深水井水泥配方试验》进行水泥浆的制备、水泥浆性能的测试。水泥浆性能见表2。
表2
实施例三：低水化热水浆配方2
水泥浆配方2：余量水泥组分B+30％空心微珠+62％水+1.2％硅酸钠+0.4缓凝剂，水泥浆密度：1.35g/cm3。
水泥浆性能见表3
表3
本发明的水泥的水化热仅为常规水泥的1/2，并且低温强度发展快，可配制低水化热水泥浆，用于含水合物层固井施工的技术效果如下：
1、本发明的固井用低水化热早强水泥在低温下强度发展快，同时水化热为常规的低温早强水泥的1/2左右。使水泥浆候凝时温度低，降低了对水合物的影响。
2、本发明的低水化热早强固井水泥可与空心微珠形成颗粒级配，提高水泥浆的堆积效果，改善水泥石的稳定性和致密性。
3、本发明的低水化热早强固井水泥配制的水泥浆水化温升低、早期强度高，体系稳定，稠化过渡时间短，具有优良的防气窜能力。
利用本发明的低水化热早强水泥配制的低密度水泥浆，水化温升低可应用于深水表层，解决了深水含水合物层的固井技术难题，在固井过程中可防止水合物的分解。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (5)

1.一种固井用低水热早强水泥，其特征在于其组分及质量百分比为：低温早强水泥30％～70％、火山灰质材料20％～50％、微细球形颗粒10％～40％，该水泥的水化热仅为常规水泥的1/2，并且低温强度发展快，可配制低水化热水泥浆，用于含水合物层固井施工。
2.根据权利要求1所述的固井用低水热早强水泥，其特征在于：所述的低温早强水泥特征为100质量份低温早强水泥中矿物含量为：SiO23～10份，Al2O328～40份，Fe2O31～3份，CaO 36～43份，SO38～15份。
3.根据权利要求1所述的固井用低水热早强水泥，其特征在于：所述的火山灰质矿物特征为100质量份火山灰质矿物含量为：SiO245～60份，Al2O315～20份，Fe2O32～6份，（CaO+MgO+K2O，R为K或Na）8～15份；其余为微量成分，其粒度为20～100微米。
4.根据权利要求1所述的固井用低水热早强水泥，其特征在于：所述的微细球形颗粒，主要矿物成分为SiO2和Al2O3，其粒度为2～5微米。
5.根据权利要求1所述的固井用低水热早强水泥，其特征在于：加入空心微珠，配制低密度固井水泥浆。
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