CN103773341A - 一种增密剂及基于该增密剂的超高密度水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增密剂及基于该增密剂的超高密度水泥浆，增密剂重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。用本发明提供的超高密度水泥浆性能稳定，失水量较低，且具有一定的防气窜能力和较为理想的稠化过渡时间及能形成具有较强强度的水泥石。能够有效的控制高压油气层，避免油气窜出，能够更好的提高固井质量。

Description

一种增密剂及基于该增密剂的超高密度水泥浆
技术领域
    本发明属于试油工程技术领域，具体涉及一种石油勘探开发中超高密度水泥浆体系的制备方法。
背景技术
随着深井和超深井复杂地层钻井进尺的日益增加，普通高密度水泥浆已经不能满足深井、超深井及超高压固井作业的需要，研究超高密度水泥浆体系势在必行。因此，提出超高密度水泥浆体系的研究，不仅是为了满足生产的迫切需要，同时也有着非常重要的现实意义。
国内油田基本形成了2.40g/cm3以普通下高密度水泥浆技术，但高于2.50g/cm3密度的超高密度水泥浆技术受材料和基础理论的限制，并没有很好的发展。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种增密剂及基于该增密剂的超高密度水泥浆，解决现有的水泥浆密度不够高的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种增密剂，其重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅5-10份。
铁矿粉：活性组份（以 Fe2O3计） % ≥80，锰矿粉：Mn3O4含量>60%，微硅：SiO2含量>90%。
一种超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥100份、钛铁矿180份、增密剂20份，水灰比0.27；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：降失水剂0.6%、减阻剂0.2%、缓凝剂 0.05%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
一种超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥75份、石英砂25、钛铁矿170份、增密剂30份，水灰比0.26；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：高温降失水剂0.8%、减阻剂0.4%、缓凝剂 0.1%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
一种超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥100份、增密剂125份，水灰比0.2；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：降失水剂0.5%、减阻剂0.7%、缓凝剂 0.05%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
一种超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥75份、石英砂25份、增密剂215份，水灰比0.2；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：高温降失水剂0.8%、减阻剂0.8%、缓凝剂 0.15%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
所述降失水剂的组成为：聚乙烯醇500—600份、无水石膏350-450份，硼砂15-25份、微硅50-150份混合均匀。
高温降失水剂为天津中油渤星公司公司的SD130型高温降失水剂。
所述减阻剂为四川乐山嘉华化工有限责任公司的SD35型减阻剂。
所述缓凝剂为四川乐山嘉华化工有限责任公司的SD21型缓凝剂。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过引入一种新型加重材料增密剂来提高水泥浆密度来解决这一系列问题，其作用机理如下：以粒级级配和紧密堆积原理为理论依据，相同颗粒粒径的材料混和在一起,在颗粒与颗粒之间就会存在一定的空隙。为了减小颗粒之间的空隙,可使用更细的材料充填于其中,从而提高其掺混后的空隙填充率,细颗粒与粗颗粒材料之间的比例不同,其掺混后的填充率也不相同。衡量不同颗粒尺寸的材料掺混后填充率的大小,可用堆积体积百分比( PVF)表示,即:将干粉混合物充满一个容器中,用容器中材料的实际体积除以容器的容积就得到PVF。PVF就是堆积密度与掺混材料真实密度的比值。由此可得,球形颗粒之间任意堆积的PVF是0.64,六角体颗粒堆积的PVF达到0.74。颗粒级配技术就是用不同颗粒粒径的材料进行粒度级配,使其掺混后达到最好的空隙填充率,同时使其PVF值尽量接近于1。研究表明:在掺混材料中,将细颗粒与粗颗粒材料的频度分布曲线调整成由两个以上的高峰所组成的曲线,每一个高峰的宽度越窄,则掺混后的密实度就越大, PVF 值也越大,即: 越接近1。
（2）本发明提供的超高密度水泥浆制备方法时，在制备了增密剂中，它属于一种新型的加重材料，在干混装置搅拌混合机中，通过交叉放入原料搅拌40~50分钟形成均匀混合体。在水泥、增密剂、钛铁矿三者的作用下，调节水灰比，能够满足超高密度水泥浆所能达到的密度。但结合现场，需要与其他外加剂有良好的配伍性才能使水泥浆性能更加完善，达到施工要求。
（3）在本发明提供的超高密度水泥浆制备方法中，降失水剂在固井工程中应用，占有相当重要的位置。在油井注水泥的过程中，水泥浆中含有一定的自由水，在压力的作用下，自由水会向渗透率较大的地层渗透，会影响固井质量，易产生环空气窜，因此加入降失水剂有助于防止水泥浆过大的失水而堵塞环空，造成固井作业无法完成。目前常用的降失水剂主要分为成膜型降失水剂和滤饼型降失水剂。其中，成膜型降失水剂的作用机理主要是降失水剂可以在中低温条件下形成胶体聚合物膜覆盖在水泥滤饼孔隙表面以控制失水；而滤饼型降失水剂主要成分为高分子聚合物，其作用机理具有长链的降失水剂分子可以吸附在水泥水化物表面，通过将长链伸入水化物孔隙或者桥接的方式起到降低滤饼渗透率从而控制失水的作用，适用于高温条件下，因此，在不同的温度下，该超高密度水泥浆体系都能够很好的控制失水，达到设计要求。
（4）在本发明提供的超高密度水泥浆中，缓凝剂可以可以延长稠化时间，而稠化时间是控制注水泥浆作业的关键。如果水泥浆尚未达到预定位置就不能泵送，则造成固井失败。稠化时间也可以为水泥候凝时间的参考数据。水泥浆稠化时间通常是由改变缓凝剂的加量来控制，而缓凝剂的作用效果又主要受温度影响。实验结果表明,在深井超深井固井作业中,水泥浆稠化时间随缓凝剂加量变化有较好的可调性，且初始稠度较小,随温度、压力升高稠度进一步趋于平稳，最后稠化曲线基本呈直角上升，实现了直角稠化。因此，就整体性能而言，该超高密度水泥浆体系随着温度的不同可以调节缓凝剂的加量，并对它的后期强度没有任何影响。
（5）按成果配方配制的超高密度水泥浆，在进行超高密度水泥浆固井施工作业时，要求超高密度水泥浆浆体稳定、失水量较低、浆体具有一定的防气窜能力和较为理想的稠化过渡时间及水泥石具有较高的强度。水泥浆与前置液和现场泥浆有良好的相容性，二者之间任意接触均不产生特别增稠、絮凝现象，这样有利于提高顶替效率和改善水泥环胶结质量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例范围之中。
一种增密剂，其重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
实施例1
温度为90℃的密度为2.50g/cm3的超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥100份、钛铁矿180份、增密剂20份，水灰比0.27；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：降失水剂0.6%、减阻剂0.2%、缓凝剂 0.05%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
实施例2
温度为120℃的密度为2.50g/cm3的超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥75份、石英砂25、钛铁矿170份、增密剂30份，水灰比0.26；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：高温降失水剂0.8%、减阻剂0.4%、缓凝剂 0.1%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
实施例3
温度为90℃的密度为2.90g/cm3的超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥100份、增密剂125份，水灰比0.2；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：降失水剂0.5%、减阻剂0.7%、缓凝剂 0.05%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
实施例4
温度为120℃的密度为2.90g/cm3的超高密度水泥浆，它由基础方和添加剂组成：所述基础方的重量组成为水泥75份、石英砂25份、增密剂215份，水灰比0.2；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：高温降失水剂0.8%、减阻剂0.8%、缓凝剂 0.15%，所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
上述实施例中，所述降失水剂为SD18、高温降失水剂为SD130、减阻剂为SD35、缓凝剂为SD21。
超高密度水泥浆体系在现场实际应用中，采用现场配制，而选择的材料皆为常用材料，超高密度水泥浆体系在龙岗62井，龙106井的到成功应用，现以这两口井进行说明。
应用例1
龙岗62井是龙岗以西剑阁地区的一口预探井，采用非常规标准井身结构设计，其四开钻进中遭遇异常高压CO2污染，井浆密度高达2.55g/cm3，现场对其进行了测试和污染试验
本次固井是为了封固已经钻开的裸眼井段，为下次钻进创造条件。采用Φ219.08mm尾管悬挂固井，悬挂器位置3650.00m，重合段长179.44m，采用三凝水泥浆体系：一凝界面选在4100.00m，用ρ=2.60g/cm3快干水泥浆体系封固4650.00m～4100.00m井段；二凝界面选在3800m，用ρ=2.60g/cm3中凝水泥浆体系封固4100.00～3800.00m井段；用ρ=2.60g/cm3缓凝水泥浆封固3800～3650m井段。
超高密度水泥浆材料的制备方法，包括以下内容：
（1）增密剂的制备（按批量1吨预计）：其特征在于各物质重量份为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。将以上原料在干混装置搅拌混合机中，通过交叉放入搅拌40~50分钟形成均匀混合体。
（2）超高密度水泥浆的制备：由于试验温度90℃，龙岗62井的水泥浆按照成果配方所配置的超高密度水泥浆，根据现场施工要求，调节缓凝剂加量，其各项性能基本稳定，能够满足现场施工要求，在整个施工过程中，水泥浆性能优良，固井质量良好，48小时缓凝临界面后期强度可达到6.5MPa。
应用例2
龙106井位于四川盆地九龙山构造上三叠统底界主体构造西北部，地处广元市苍溪县天观乡。
本次固井设计采用两凝水泥浆，一次性正注尾管固井工艺，喇叭口位置2100.00m左右，与上层Ф244.5mm套管重合约173.46m，两凝界面3500.00m，快干水泥浆密度为2.50g/cm3，封固3500.00m～3923.00m井段；缓凝水泥浆密度为2.50g/cm3，封固2100.00m～3500.00m井段，上水泥塞100.0m，下水泥塞50.0m。
超高密度水泥浆材料的制备方法，包括以下内容：
（1）增密剂的制备（按批量1吨预计）：其特征在于各物质重量份为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。将以上原料在干混装置搅拌混合机中，通过交叉放入搅拌40~50分钟形成均匀混合体。
超高密度水泥浆的制备：由于试验温度90℃，龙106井的水泥浆按照成果配方所配置的超高密度水泥浆，根据现场施工要求，调节缓凝剂加量，其各项性能基本稳定，能够满足现场施工要求，在整个施工过程中，水泥浆性能优良，固井质量良好。

Claims (7)

1. 一种增密剂，其特征在于，其重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份；铁矿粉：以 Fe2O3计≥80%，锰矿粉：Mn3O4含量>60%，微硅：SiO2含量>90%。
2. 一种超高密度水泥浆，其特征在于，它由基础方和添加剂组成：
所述基础方的重量组成为水泥100份、钛铁矿180份、增密剂20份，水灰比0.27；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：降失水剂0.6%、减阻剂0.2%、缓凝剂 0.05%；所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
3. 一种超高密度水泥浆，其特征在于，它由基础方和添加剂组成：
所述基础方的重量组成为水泥75份、石英砂25、钛铁矿170份、增密剂30份，水灰比0.26；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：高温降失水剂0.8%、减阻剂0.4%、缓凝剂 0.1%；所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
4. 一种超高密度水泥浆，其特征在于，它由基础方和添加剂组成：
所述基础方的重量组成为水泥100份、增密剂125份，水灰比0.2；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：降失水剂0.5%、减阻剂0.7%、缓凝剂 0.05%；所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
5. 一种超高密度水泥浆，其特征在于，它由基础方和添加剂组成：
所述基础方的重量组成为水泥75份、石英砂25份、增密剂215份，水灰比0.2；以基础方总重量的百分比计，添加剂的重量百分比组成为：高温降失水剂0.8%、减阻剂0.8%、缓凝剂 0.15%；所述增密剂的重量组成为：铁矿粉80-90份，锰矿粉5-10份，G级超细水泥5-10份，微硅粉5-10份。
6.根据权利要求2和4所述的一种超高密度水泥浆，其特征在于，所述降失水剂的组成为：聚乙烯醇500—600份、无水石膏350-450份，硼砂15-25份、微硅50-150份混合均匀，所述减阻剂为四川乐山嘉华化工有限责任公司的SD35型减阻剂，所述缓凝剂为四川乐山嘉华化工有限责任公司的SD21型缓凝剂。
7.根据权利要求3和5所述的一种超高密度水泥浆，其特征在于，所述高温降失水剂为天津中油渤星公司公司的SD130型高温降失水剂，所述减阻剂为四川乐山嘉华化工有限责任公司的SD35型减阻剂，所述缓凝剂为四川乐山嘉华化工有限责任公司的SD21型缓凝剂。
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