CN102994059B - 低密度水泥浆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低密度水泥浆。该水泥浆水固比为58-65：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥112-118份，减轻剂微珠35-45份以及稳定剂微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒径为12-14μm的水泥第一组分100份以及平均粒径为6-7μm的水泥第二组分12-18份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.25g；该水泥浆密度为1.29-1.31g/cm³。应用本发明水泥浆体系大大提高了灰岩、白云岩裂缝发育易漏失地层的固井质量。

Description

低密度水泥浆

技术领域

本发明涉及一种石油钻井工程领域，尤其是涉及一种适用于井温高且易漏失地层封固的水泥浆。

背景技术

在石油钻井工程中，随着勘探开发的深入，钻探深度加深，需要封固的地层更为复杂。例如塔里木盆地其中深部灰岩、白云岩地层缝洞发育，地层孔隙压力低，钻井和固井易发生漏失，白云岩缝洞型层段储层保护要求高，堵漏难度大，难以对其进行有效封堵，无法满足常规固井施工条件。另外，套管下入深，井底温度高，水泥石强度易发生衰减。

目前使用的水泥浆大多采取漂珠+微硅配制而成，用漂珠作为主要减轻材料，微硅作为填充材料，该体系具有密度可调范围大、具有良好的稳定性、流动性和一定的触变性、失水量低和早期强度高等优点，能有效地防止漏失及其对油气层的保护。但对于井深，井底压力高（≥70MPa），国产普通漂珠低密度水泥浆密度破碎率较大，已不适应深井压力要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有水泥浆中漂珠易破碎，不能满足深井压力要求的缺陷，提供了一种低密度水泥浆，该水泥浆密度稳定且低至1.29-1.31g/cm³，综合性能良好，强度高且能抗高温。

本发明低密度水泥浆，采用颗粒堆积和粒径级配原理，复配抗压强度高（124MPa以上）、密度低（0.6g/cm³以下）的空心玻璃微珠，G级水泥+超细水泥，以及长度4.5-5.5mm（优选5mm）的短纤维，使得所得低密度水泥浆适用于具有高温、高压、井深为特点的固井，尤其是灰岩、白云岩地层裂缝发育固井。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低密度水泥浆，该水泥浆水固比为58-65：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥112-118份，减轻剂微珠35-45份以及稳定剂微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒径为12-14μm（D₅₀为16-17μm）的水泥第一组分100份以及平均粒径为6-7μm（D₅₀为6-8μm）的水泥第二组分12-18份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.25g；该水泥浆密度为1.29-1.31g/cm³。

本发明所述水泥浆水固比是指水和固体成分的质量比。

前述的低密度水泥浆，该水泥浆水固比为60-63：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥114-116份，减轻剂微珠38-42份以及稳定剂微硅6-10份，其中所述水泥包括水泥第一组分100份以及水泥第二组分14-16份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.2g。

前述的低密度水泥浆，所述水泥第一组分平均粒径为12.96μm；所述水泥第二组分平均粒径为6.03μm。

前述的低密度水泥浆，所述微珠是空心玻璃珠，抗压强达124MPa（18000psi）以上。该微珠优选壁厚为1.8-2.2μm（优选2μm），密度为0.6g/cm³以下。

前述的低密度水泥浆，所述微硅的平均粒径为0.28-0.32μm（优选0.3μm）。

前述的低密度水泥浆，所述纤维是玻璃纤维，碳纤维，聚丙烯纤维或尼龙纤维，其长度为4.5-5.5mm。

前述的低密度水泥浆，以水泥浆中水泥，微珠以及微硅含量总和为100重量份计，该水泥浆进一步包括：早强剂2~4.5重量份，分散剂0.3~0.7重量份，降失水剂5~8.5重量份，第一防气窜剂1.5~3.5重量份，第二防气窜剂2-4重量份，缓凝剂0.8~1.5重量份，以及消泡剂0.15~0.45重量份中的至少一种。

前述的低密度水泥浆，以水泥浆中水泥，微珠以及微硅含量总和为100重量份计，所述水泥浆进一步包括：早强剂3.5~4.5重量份，分散剂0.35~0.65重量份，降失水剂5.5~8.5重量份，第一防气窜剂1.5~3.5重量份，第二防气窜剂2-4重量份，缓凝剂1.0~1.5重量份，以及消泡剂0.15~0.35重量份中的至少一种。

前述的低密度水泥浆，所述第一防气窜剂是丁苯胶乳；所述第二防气窜剂是羧基丁苯胶乳。

前述的低密度水泥浆，所述早强剂包括硫代硫酸铝、硅酸钠或碱式氯化铝；所述分散剂是丙酮甲醛磺化缩聚物；所述降失水剂是2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺的三元共聚物；所述缓凝剂是六偏磷酸钠；以及所述消泡剂是磷酸三丁酯。

本发明低密度水泥浆体系，以空心玻璃微珠为主要减轻剂，微硅为稳定剂，并且为了提高度密度水泥浆早期抗压强度，引入了D₅₀为6-8μm的水泥第二组分，最终形成空心玻璃微珠、水泥、微硅三种不同粒径级配组合，形成了抗高温超低密度水泥浆体系。应用本发明水泥浆体系大大提高了灰岩、白云岩裂缝发育易漏失地层的固井质量。

附图说明

图1是实施例4所得水泥浆的稠化曲线图。

图2是实施例4所得水泥浆静胶凝胶强度曲线。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明。

本发明为了克服灰岩、白云岩地层由于埋藏深、微裂缝发育、孔隙压力低、钻井和固井易漏，从而难以对其进行有效封堵，无法满足常规固井施工条件的技术难题，研发出了适合封固灰岩、白云岩裂缝发育易漏失地层的低密度水泥浆体系，该水泥浆密度稳定且低至1.30g/cm³。该水泥浆以空心玻璃微珠为主要减轻剂，微硅为稳定剂，并且为了提高水泥浆早期抗压强度，引入D₅₀6-8μm的水泥第二组分。

一种低密度水泥浆，该水泥浆水固质量比为58-65：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥112-118份，减轻剂微珠35-45份以及稳定剂微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒径为12-14μm的水泥第一组分100份以及平均粒径为6-7μm的水泥第二组分12-18份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.25g；该水泥浆密度为1.29-1.31g/cm³。

本发明所述平均粒径是指体积平均粒径。

该水泥浆水固重量比为60-63：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥114-116份，减轻剂微珠38-42份以及稳定剂微硅6-10份，其中所述水泥包括水泥第一组分100份以及水泥第二组分14-16份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.2g。

所述水泥第一组分优选G级水泥，G级水泥平均粒径优选为12-14μm（优选12.96μm）。所述水泥第二组分优选超细水泥，超细水泥是指达到次纳米级的水泥。本发明超细水泥中值粒径D₅₀为6-8μm，平均粒径6-7μm（优选6.03μm）。

所述微珠是空心玻璃珠，壁厚1.8-2.2μm（优选2μm），密度0.6g/cm³以下，抗压强达124MPa（18000psi）以上。空心玻璃珠化学惰性强，呈正圆形，具有能够减小摩擦增加流动性的“滚珠效应”，因此在水泥浆体系中添加空心玻璃珠，不影响水泥浆的综合性能，而能改善水泥浆整体体系的流动性能，有效控制水泥浆的密度。另外，本发明选用的微珠抗压强达124MPa（18000psi）以上，使得本发明水泥浆体系能够应用于井底压力高（≥70MPa）的固井，克服了现有水泥浆中普通漂珠容易破碎的缺陷。

所述微硅的平均粒径在0.28-0.32μm（优选0.3μm）。微硅是以无定形二氧化硅（95wt%以上）为主要成分的产品。微硅能够与水泥水化反应时的氢氧化钙反应生成硅酸钙水化物，产生不易渗透的水泥石结构；另外，微硅能够吸附水分子形成网状结构，从而改善水泥浆的稳定性。微硅本身就具有耐高温的特点。另外，本发明选用的微珠（密度0.6g/cm³以下）与水泥密度差大，容易发生颗粒沉降，在水泥浆体系中添加平均粒径在0.14-0.16μm的微硅6-10重量份能够改善上述沉降情况的发生。

所述纤维长度为4.5-5.5mm（优选5mm）。本发明所用纤维选自常规市售的无碱玻璃纤维，碳纤维，聚丙烯纤维，尼龙纤维等，能够起到增加强度，增加水泥浆堵漏效果的长度为4.5-5.5mm的纤维均可以应用于本发明。

以水泥浆中水泥，微珠以及微硅含量总和为100重量份计，该水泥浆进一步包括：早强剂2~4.5重量份，分散剂0.3~0.7重量份，降失水剂5~8.5重量份，第一防气窜剂1.5~3.5重量份，第二防气窜剂2-4重量份，缓凝剂0.8~1.5重量份，以及消泡剂0.15~0.45重量份中的至少一种。优选的，所述水泥浆进一步包括：早强剂3.5~4.5重量份，分散剂0.35~0.65重量份，降失水剂5.5~8.5重量份，第一防气窜剂1.5~3.5重量份，第二防气窜剂2-4重量份，缓凝剂1.0~1.5重量份，以及消泡剂0.15~0.35重量份中的至少一种。

常规的有机盐类和无机盐类早强剂均可以应用于本发明，例如硫代硫酸铝、硅酸钠或碱式氯化铝。本发明的早强剂可以市购得到，例如欧美科的产品代号是OS-A的早强剂。

本发明优选的分散剂是丙酮甲醛磺化缩聚物。例如由甲醛、丙酮、亚硫酸盐（例如亚硫酸钠）按照2-3：1：0.8-1的摩尔比进行反应得到的丙酮甲醛磺化缩聚物，磺化度1.7-1.9mmol/g。本发明的分散剂也可以采用市购的丙酮甲醛磺化缩聚物，例如欧美科的产品代号FS-13L型分散剂。另外，其他常规水泥浆用分散剂，例如醛酮缩合物或者萘系分散剂也可以应用于本发明。

本发明优选的降失水剂是2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺的三元共聚物。优选2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺按照重量比为50：45-48：2-5合成，粘均分子量为58-75万道尔顿。本发明的降失水剂可以市购得到，例如欧美科的产品代号FS-23L的降失水剂。

防气窜剂的作用是防止气体窜入环空，本发明组合使用了两种防气窜剂。第一防气窜剂的作用为对水泥石产生微膨胀而防窜；第二防气窜剂的作用为使水泥石产生一定的弹塑性而防窜。组合使用两种防气窜剂，使得水泥浆体系的应用效果更好。

本发明优选的第一防气窜剂是丁苯胶乳，即苯乙烯与丁二烯的共聚物，常规市售油井用丁苯胶乳均可以应用于本发明，例如苯乙烯与丁二烯重量比为20-80：80-20的共聚物，更优选苯乙烯与丁二烯重量比为1：1的共聚物。本发明的第一防气窜剂可以市购得到，例如欧美科的产品代号FLOK-1。所述第二防气窜剂是羧基丁苯胶乳，即是以丁二烯、苯乙烯加少量羧酸，通过乳液聚合生成的共聚物。常规市售油井用羧基丁苯胶乳均可以应用于本发明。例如在65-96℃温度条件下，丁二烯、苯乙烯和丙烯酸按照30-70：70-30：1-5反应2-3小时的共聚物。本发明的第二防气窜剂可以市购得到，例如欧美科的产品代号FLOK-2。

所述缓凝剂的作用是延缓水泥浆的稠化时间。一般水泥用缓凝剂均可用作本发明的缓凝剂，例如木质素磺酸盐及其衍生物、低分子量纤维素及其衍生物、羟基羧酸、有机膦酸、硼酸或其盐或复合物、磷酸盐、碱式磷酸盐，优选乙二胺四甲叉膦酸钙（乙二胺四亚甲基膦酸钙）、乙二胺四甲叉膦酸钠（乙二胺四亚甲基膦酸钠）、乙二胺五甲叉膦酸（乙二胺五亚甲基膦酸），2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，二聚磷酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠等。

本发明优选的消泡剂是聚醚消泡剂，例如丙三醇醚型消泡剂、十二胺醚型消泡剂和月桂酸醚型消泡剂。更优选的丙三醇醚型消泡剂为：嵌段方式“GPEP”型（丙三醇、环氧丙烷、环氧乙烷、环氧丙烷嵌段），粘均分子量为3500，环氧乙烷质量分数为6％，尾段环氧丙烷为8％。本发明优选的消泡剂还可以是磷酸三丁酯，其可以市购得到，例如欧美科的产品代号DF-A的消泡剂。

本发明将G级水泥（水泥第一组分）和超细水泥（水泥第二组分）看成一个整体，填充于微珠颗粒孔隙中构成二元体填充结构，微硅填充于微珠与水泥颗粒堆积形成的二元体孔隙内，构成三元体填充结构。本发明根据G级水泥、超细水泥、微硅和微珠粒径分布规律，低密度水泥浆配方设计利用颗粒群分形特征方程，以Andreasen和Dinger．Funk等倡导的经典连续堆积理论为基础，得出适合油井水泥外掺料配比设计的理论颗粒群分形级配。

本发明低密度水泥浆的制备方法为：将上述的成分混合、搅拌，即制备得到本发明的低密度固井水泥浆。

下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。

实施例中所用原料如下：

表1

水泥浆制备实施例

实施例1

将G级水泥100g、超细水泥15g、微珠40g、微硅8g混合，然后加入水99g（水固比61%）搅拌均匀，制成浆体混合物，然后按照每升浆体混合物加入长度5mm的聚丙烯纤维0.15g，得到水泥浆。

实施例2-10

实施例2-10与实施例1采用基本相同的方法，不同之处在于表2所示。

表2

性能测试

下面实施例中产品分析时所用测定装置和测定方法均参照GB/T19139-2003油井水泥试验方法。

表3所示是实施例1-10所得水泥浆的流变性能表。

表3

上述剪切应力读数随每分钟的转速下读的数据，分别是600转/min、300转/min、200转/min、100转/min、6转/min、3转/min下的剪切应力。

上表中n值指流性指数，指流体在流变模式中剪切速率的指数，反应水泥浆的流变性。实施例1-10所得水泥浆的n值均在0.8以上，说明实施例1-10所得水泥浆具有良好的流变性能。由上表可以看出，本发明实施例制备的水泥浆密度在1.29-1.31g/cm³之间。

表4所示是实施例1和4所得水泥浆的稠化性能表。

表4

图1所示是实施例4水泥浆的稠化曲线，横坐标为时间（min），纵坐标分别为温度、压力和稠度。从上表以及结合图1可以看出，实施例4水泥浆的稠化时间可调，并且这些水泥浆呈“直角”稠化，其过渡时间短（小于15min），这说明水泥浆变为水泥石所经历的时间短，那么其可以很好的减少水泥浆失重时间，并且具有很好的防气窜效果。

表5所示是实施例4所得水泥浆的常规性能表。

表5

从表5可以看出实施例4水泥浆的API失水能控制在50ml以内；并且自由液值小于0.5ml，表明该水泥浆是低析水的，这说明实施例4水泥浆具有良好的控制失水能力且是自由液。图2所示是实施例4水泥浆静胶凝强度曲线，横坐标是时间（h），纵坐标分别是温度、压力和抗压强度，由图2可以看出48h*107℃的抗压强度为18.11Mpa。

现场试验例（秘密进行试验）

巴探5井位于罗斯1井NE73°7ˊ56〞方向，平距15.99Km；罗南1井NW337°11ˊ58〞方向，平距39.37Km。巴探5井三开中完井深5301.2m，套管下深5300m，双级箍位置3506.14m，一级固井注密度1.03g/cm³冲洗液8m³，注隔离液12m³，注实施例4的水泥浆97m³，然后钻井队大泵替浆199.1m³，替浆到位起钻具至安全面顶通，继续起钻至井口关井候凝24h。声幅值25-30%为合格，15-25%为良好，≤15%为优秀，>30%为不合格。由巴探5井244.5mm技术套管固井质量图可以看出，本次固井主要封固段固井质量优秀，优良率68.6.7%。

玛北1井位于和田1井西南248°36′56.51″方位，平距62.14km。玛北1井位于BT5井东南107°39′54.79"方位，平距73.16km。玛北1井三开中完井深5753m，套管下深5751.5m，悬挂器位置2644m±10。井队将套管下至5752.5m，下套管过程返浆正常，顶通排量0.3m³/min，压力2MPa，建立循环。循环洗井一周以上后，固井队做施工准备，注密度1.03g/cm³冲洗液16m³，注隔离液16m³，注实施例4的水泥浆157m³，然后钻井队大泵替浆143m³，替浆到位起钻具至安全面顶通，继续起钻至井口关井候凝24h。，声幅值25-30%为合格，15-25%为良好，≤15%为优秀，>30%为不合格。由玛北1井244.5mm尾管固井质量图可以看出，本次固井主要封固段固井质量优秀，优秀井段长2368m，优秀率为76.2%；良好井段长420m，良好率为13.5%；优良率共为897%。

Claims (7)

1.一种低密度水泥浆，其特征在于，该水泥浆水固比为58-65：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥112-118份，减轻剂微珠35-45份以及稳定剂微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒径为12-14μm的水泥第一组分100份以及平均粒径为6-7μm的水泥第二组分12-18份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.25g；该水泥浆密度为1.29-1.31g/cm³； 

其中，所述微珠是空心玻璃珠，抗压强达124MPa以上；所述微硅的平均粒径为0.28-0.32μm；所述水泥第二组分的中值粒径D50为6-8μm。 

2.根据权利要求1所述的低密度水泥浆，其特征在于，该水泥浆水固比为60-63：100；以重量份计，该水泥浆固体成分包括：水泥114-116份，减轻剂微珠38-42份以及稳定剂微硅6-10份，其中所述水泥包括水泥第一组分100份以及水泥第二组分14-16份；以水泥浆体积计，每升水泥浆中包括纤维0.1-0.2g。 

3.根据权利要求1或2所述的低密度水泥浆，其特征在于，所述纤维是玻璃纤维，碳纤维，聚丙烯纤维或尼龙纤维，其长度为4.5-5.5mm。 

4.根据权利要求1或2所述的低密度水泥浆，其特征在于，以水泥浆中水泥，微珠以及微硅含量总和为100重量份计，该水泥浆进一步包括：早强剂2～4.5重量份，分散剂0.3～0.7重量份，降失水剂5～8.5重量份，第一防气窜剂1.5～3.5重量份，第二防气窜剂2-4重量份，缓凝剂0.8～1.5重量份，以及消泡剂0.15～0.45重量份中的至少一种。 

5.根据权利要求4所述的低密度水泥浆，其特征在于，以水泥浆中水泥，微珠以及微硅含量总和为100重量份计，所述水泥浆进一步包括：早强剂3.5～4.5重量份，分散剂0.35～0.65重量份，降失水剂5.5～8.5重量份，第一防气窜剂1.5～3.5重量份，第二防气窜剂2-4重量份，缓凝剂1.0～1.5重量份，以及消泡剂0.15～0.35重量份中的至少一种。 

6.根据权利要求4所述的低密度水泥浆，其特征在于，所述第一防气窜剂是丁苯胶乳；所述第二防气窜剂是羧基丁苯胶乳。 

7.根据权利要求4所述的低密度水泥浆，其特征在于，所述早强剂包括 硫代硫酸铝、硅酸钠或碱式氯化铝；所述分散剂是丙酮甲醛磺化缩聚物；所述降失水剂是2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺的三元共聚物；所述缓凝剂是六偏磷酸钠；以及所述消泡剂是磷酸三丁酯。