CN103666420A - 用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆。包括有注入水泥浆段塞首尾两端的首浆和尾浆，其中首浆包含有下列重量份配比的原料：G级硅酸盐水泥100，淡水27~67，固体降失水剂1~2，增强剂10~20，胶乳2~5，胶乳稳定剂0.5~1，分散剂1~3，增强防窜剂4~8，缓凝剂0.5~1，减轻剂0~30；尾浆包含有下列重量份配比的原料：G级硅酸盐水泥100，淡水20~27，增强防窜剂4~8，分散剂0.5~1，固体降失水剂1~2，膨胀剂1~2，胶乳10~15，胶乳稳定剂1~2，消泡剂0.5~1。本发明能有效提高长水平段油基泥浆固井质量，改善水泥浆与套管和页岩地层胶结强度，达到有效封固页岩长水平段气层的目的。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井所用水泥浆技术领域，尤其涉及一种用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆。
背景技术
页岩气开采技术，主要包括水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术及最新的同步压裂技术，这些技术在不断提高页岩气井的产量的同时也在增加钻、完井的难度。长水平段大位垂比井钻井是页岩气开采气藏达到和提高开采效益的关键，在此类井钻进中，因为井浅、水平段长，开发难度日趋加大。钻井技术要求高，固井技术难度大，使得长水平段的固井质量往往难以保证。
页岩气大位移水平井固井水泥浆与一般的气井固井水泥浆相比，有很多不同，要求更高，难度更大，这与页岩气水平井本身的特点密切相关：
其一，长水平井固井，由于套管自重，偏心比较严重，影响顶替效果，水泥浆中的颗粒在水平段会沉降，影响固井质量；
其二，页岩气大都采用水平井分段压裂技术开发,然而,页岩气井大型分段压裂对水泥环会造成很大的破坏作用。水泥环与套管的弹性和变形能力存在较大差异,当受到由压裂产生的动态冲击载荷作用时,水泥环受到较大的内压力和冲击力,引起水泥环径向断裂，同时压裂作业的冲击作用大于水泥石的破碎吸收能时,水泥环会破碎。水泥环被破坏将直接影响页岩气的开采。
其三，页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，几乎所有的页岩气井都需要实施储层压裂改造才能开采。
其四，页岩气钻井一般采用油基泥浆进行钻进，残留在井眼中的油基钻井液及其滤饼严重影响着固井一、二界面的胶结强度，甚至可导致固井封固和封隔的失效。
其五，气体是地层中最活跃的流体，气体的粘度比地层水的粘度要低80~100倍，发生窜流的可能性很大；一旦发生窜流首先会影响到水泥石的胶结和层间封固效果，其次将影响气层的采收率，不利于酸化压裂增产措施的实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的技术不足，提供一种能有效提高长水平段油基泥浆固井质量，改善水泥浆与套管、页岩胶结强度。本技术所使用水泥浆体主要特点表现在：滤失量低，自由液为零，有良好的韧性，与油基泥浆配伍性好，和套管以及页岩层均有良好的胶结，适用于页岩气开发油基钻井液固井。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆,包括有首浆和尾浆，其特征在于：
首浆包含有下列重量份配比的原料：
G级硅酸盐水泥 100
淡水 27~67
固体降失水剂 1~2
增强剂 10~20
胶乳 2~5
胶乳稳定剂 0. 5~1
分散剂 1~3
增强防窜剂 4~8
缓凝剂 0.5~1
减轻剂 0~30
其中所述的G级硅酸盐水泥的矿物组分和质量百分组成为硅酸三钙（Ca3SiO5）48～65%、硅酸二钙（Ca2SiO4）20～26%、铝酸三钙（Ca3Al2O6）1～3%、铁铝酸四钙（Ca4Al2Fe2O10）8～17%、其他组份的氧化镁、石膏、不溶物等占2-7%；该原料为市面上销售的商品。
所述增强剂是超细矿渣、粉煤灰、微硅的一种或几种按一定比例混合后的混合物。
所述的增强防窜剂是三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺中的一种与氯化钾按10比1混合而成的混合物。
所述分散剂为甲醛丙酮缩合物，是木质素、SSMA等中的种或几种。
所述固体降失水剂为N，N-二甲基丙烯酰胺（NNDMA）、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AA/AMPS类聚合物)、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS类聚合物）中的一种，聚合物的相对分子量在10万～250万。
所述胶乳为丁苯胶乳，固体含量在40%~50%。
所述胶乳稳定剂是一种表面活性剂，为酪素、明胶、硫酸酯盐、磺酸盐、羧酸盐和环氧乙烷中的一种或几种。
所述减轻剂为火山灰类的粉状物 ，主要成分是二氧化硅。
所述的缓凝剂是酒石酸钾钠，硼酸，有机磷酸盐中的一种。
尾浆包含有下列重量份配比的原料：：
G级硅酸盐水泥 100
淡水 20~27
增强防窜剂 4~8
分散剂 0.5~1
固体降失水剂 1~2
膨胀剂 1~2
胶乳 10~15
胶乳稳定剂 1~2
消泡剂 0. 5~1
其中所述的G级硅酸盐水泥的矿物组分和质量百分组成为硅酸三钙（Ca3SiO5）48～65%、硅酸二钙（Ca2SiO4）20～26%、铝酸三钙（Ca3Al2O6）1～3%、铁铝酸四钙（Ca4Al2Fe2O10）8～17%、其他组份的氧化镁、石膏、不溶物等占2-7%；该原料为市面上销售的商品。
所述的增强防窜剂是三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺中的一种与氯化钾按10比1混合而成的混合物。
所述分散剂为甲醛丙酮缩合物，是木质素、SSMA等中的种或几种。
所述固体降失水剂为N，N-二甲基丙烯酰胺（NNDMA）、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AA/AMPS类聚合物)、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS类聚合物）中的一种，聚合物的相对分子量在10万～250万。
所述的膨胀剂是高活性氧化镁、氧化钙、氧化铁、氧化锌中的一种或几种与铁金属颗粒或铝金属颗粒的混合物，铁金属颗粒或铝金属颗粒的混入量在1%以下，氧化物可以任意两种混合也可以是多种混合，混配比例根据膨胀需要任意调节。
所述胶乳为丁苯胶乳，固体含量在40%~50%。
所述胶乳稳定剂是一种表面活性剂，为酪素、明胶、硫酸酯盐、磺酸盐、羧酸盐和环氧乙烷中的一种或几种。
所述消泡剂是将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，制得的化学制剂。
本发明主要用于页岩气开发油基钻井液固井工艺，其现场施工作业程序如下：
1)注入柴油或白油段塞2~4方，主要用于稀释油基泥浆冲刷井壁油基泥浆滤饼，防止油基泥浆直接与清洗液接触发生破乳增稠现象，提高油基泥浆的流动性，为后续清洗顶替做好铺垫；
2)注入清洗液体系，清洗液体系密度应与油基泥浆密度保持一致，（清洗液采用1200目赤铁矿粉进行加重），清洗液用量，应满足清洗液与井壁接触时间7~10分钟的要求；清洗液主要作用为剥离油基泥浆滤饼，清洗井壁，使界面发生润湿反转，改善井壁以及套管表面的亲水性；
3)注入冲洗液，冲洗液体系密度应略高于清洗液密度（密度差范围应在0.01~0.03g/cm3范围内），冲洗液用量，应满足冲洗液与井壁接触时间4~7分钟的要求；冲洗液的主要作用为冲刷规整井壁，携带滤饼以及井筒内残留的油基泥浆，近一步清洁井眼，改善井壁的亲水性；
密度递增式双凝水泥浆段塞设计，水泥浆段塞主要包含上述技术方案中的首浆和尾浆两种：
首浆，在不压漏地层的条件下，应尽量的提高首浆的密度，原则上应保证首浆密度高于冲洗液而低于尾浆；另外首浆的稠化时间应较尾浆稠化时间长90~120分钟。首浆主要封固直井段，并要求上返至井口，具有封固段长顶底温差大的特点，所以首浆应具有以下几个特点：1）粘度低流变性好，不存在稠化反转现象，能够有效的传递液柱压力，防止水平段气侵，保证尾管固井质量；2）首浆封固段较长，顶底温差较大，所以首浆应具有良好的低温强度发展，能够保证井口位置水泥浆具有较高的早期强度（一般要求井口位置水泥环48小时强度大于3.5MPa）。
尾浆，尾浆采用常规密度水泥浆进行封固，目前国内页岩气井多采用射孔压裂技术技术进行完井，为了保证水平段的固井质量，水平段尾浆采用胶乳韧性水泥浆体系进行封固，该水泥浆具有以下几个特点：1）低失水（失水量控制在20ml以内）；2）高韧性（水泥石抗冲击强度较普通水泥石能提高40%以上）；3）直角稠化（水泥浆稠化转化时间能够控制在20mim以内）；4）高强度（水泥浆50℃养护24小时强度大于16MPa）。
采用套管漂浮技术顶替水泥浆，顶替液采用清水，保证水平段套管内注满清水，水平段套管能够依靠密度差的浮力作用上浮，提高套管居中度保证顶替效率。
本发明的主要有益效果是：
能有效解决长水平段油基泥浆难以清除，水平井固井质量差的问题，具有较高的强度和胶结性能，其滤失量低，无自由液，有良好的韧性，对地层污染较小，封固效果良好，使用方便。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明实施例作进一步的说明：
具体实施例1：
首浆的制备：G级硅酸盐水泥100份+淡水67份+固体降失水剂2份+增强剂20份+胶乳5份+胶乳稳定剂0.75份+分散剂2份+增强防窜剂6份+缓凝剂0.75份+减轻剂30份
尾浆的制备：G级硅酸盐水泥100份+淡水27份+增强防窜剂6份+分散剂0.75份+固体降失水剂1份+膨胀剂1份+胶乳13份+胶乳稳定剂1份+消泡剂0.875份
实验结果分别见表1，表2。
表1 岩气开发油基钻井液固井水泥浆首浆性能测试结果
表2 岩气开发油基钻井液固井水泥浆尾浆性能测试结果
该页岩气开发油基钻井液固井水泥浆体系所述的增强防窜剂是三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺中的一种与氯化钾按10比1混合而成的混合物。三乙醇胺又名三羟乙基胺，是一种无氯有机促凝剂，呈碱性，常用作水泥早强剂；三异丙醇胺主要用于水泥外加剂，用以提高球磨效率、降低能耗、增加水泥强度，其后期强度优于三乙醇胺。二乙醇胺又名双羟乙基胺，主要用作酸性气体吸收剂。任用其中一种与氯化钾混合使用，均具有很好的增强防窜性能。
增强剂是超细矿渣、粉煤灰、微硅的一种或几种按一定比例混合后的混合物。
分散剂为甲醛丙酮缩合物，是木质素、SSMA等中的种或几种。
固体降失水剂为N，N-二甲基丙烯酰胺（NNDMA）、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AA/AMPS类聚合物)、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AM/AMPS类聚合物）中的一种，聚合物的相对分子量在10万～250万。
膨胀剂是高活性氧化镁、氧化钙、氧化铁、氧化锌中的一种或几种与铁金属颗粒或铝金属颗粒的混合物，铁金属颗粒或铝金属颗粒的混入量在1%以下，氧化物可以任意两种混合也可以是多种混合，混配比例根据膨胀需要任意调节。
胶乳为丁苯胶乳，固体含量在40%~50%。
胶乳稳定剂是一种表面活性剂，为酪素、明胶、硫酸酯盐、磺酸盐、羧酸盐和环氧乙烷中的一种或几种。
消泡剂是将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅油中，经一定温度、一定时间处理，制得的化学制剂。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (9)
1.用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆,包括有注入水泥浆段塞首尾两端的的首浆和尾浆，其特征在于：
首浆包含有下列重量份配比的原料：
G级硅酸盐水泥100，淡水27~67，固体降失水剂1~2，增强剂10~20，胶乳2~5，胶乳稳定剂0. 5~1，分散剂1~3，增强防窜剂4~8，缓凝剂0.5~1，减轻剂0~30；
尾浆包含有下列重量份配比的原料：
G级硅酸盐水泥100，淡水20~27，增强防窜剂4~8，分散剂0.5~1，固体降失水剂1~2，膨胀剂1~2，胶乳10~15，胶乳稳定剂1~2，消泡剂0. 5~1。
2.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的固体降失水剂为N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的一种，聚合物的相对分子量在10万～250万。
3.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的胶乳为丁苯胶乳，固体含量在40%~50%，胶乳稳定剂是一种表面活性剂，为酪素、明胶、硫酸酯盐、磺酸盐、羧酸盐和环氧乙烷中的一种或几种混合。
4.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的分散剂为甲醛丙酮缩合物，是木质素、SSMA中的一种或几种混合。
5.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的增强防窜剂为三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺中的一种与氯化钾按10比1混合而成的混合物。
6.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的首浆中的增强剂是超细矿渣、粉煤灰、微硅的一种或几种混合后的混合物。
7.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的首浆中的缓凝剂是酒石酸钾钠，硼酸，有机磷酸盐中的一种。
8.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的尾浆中的膨胀剂是高活性氧化镁、氧化钙、氧化铁、氧化锌中的一种或几种与铁金属颗粒或铝金属颗粒的混合物，铁金属颗粒或铝金属颗粒的混入量在1%以下。
9.如权利要求1所述的用于页岩气开发油基钻井液固井工艺的水泥浆，其特征在于：所述的尾浆中的消泡剂是将疏水处理后的SiO2气溶胶混入二甲基硅油中制得。
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