CN104059622A - 一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆。以重量份计，上述水泥浆的成分为：耐高温水泥100份、高温稳定剂30-40份、调凝剂0.5-1.2份、油井水泥降失水剂2.5-4.5份、抗沉降剂0.02-0.15份、消泡剂0.02-0.15份、水45-100份。本发明所提供的耐高温固井水泥浆能够有效解决目前固井水泥浆体系在高温下存在的强度下降快、渗透率上升快等问题，能够提高热稳定性，减少窜槽和套损的可能性，使油井能长期封固，提高生产效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，属于石油开采技术领域。
背景技术
世界上已探明石油储量约一半为稠油，我国稠油资源也相当丰富，辽河、胜利、吐哈、克拉玛依等油田都已发现大量稠油油藏，产量接近各油田产能的10%～15%，其中辽河油田稠油年产量占其全年油气总产量的60%以上。另外，从我国陆地油气资源分布格局来看，东部老区作为国内石油资源主力产区，浅层和中深层的勘探程度较高，深层及超深层探明程度很低，具有很大石油资源潜力；中部地区是天然气富集区，有超过一半的天然气资源量在深部地层；西部地区是国内石油产量的主要战略接替区，但其近70%油气资源埋藏在深部地层。
因此，合理有效地开发稠油资源及深层资源对我国油气产量接替及能源安全具有重要意义。
目前稠油开采主要采用注蒸汽的方式，如蒸汽驱、蒸汽吞吐、蒸汽辅助重力泄油等。因此，稠油热采井与深井超深井的共同特点是井筒温度高，如蒸汽吞吐井注汽温度达到250℃～350℃、蒸汽驱开采井局部井温也在200℃左右、4500m以上的深井温度在150℃以上。如此高的温度必然对固井过程及固井质量产生一定的影响，因而需要选择适合的水泥浆体系以满足耐高温的要求。
目前，稠油热采井固井绝大部分使用G级加砂水泥浆体系，水泥为普通的波特兰水泥，属硅酸盐水泥。室内实验研究表明，150℃为该水泥浆体系衰退点，即超过该温度，水泥石强度迅速下降；超过200℃后，水泥石强度趋于稳定，但不到4MPa。另外，热采井现场应用表明，在热采期间，井下套管及水泥环要承受高达200℃以上的高温，并且温度在高低之间循环更替，造成水泥石在高温条件下产生强度衰退、渗透率增大，在循环热应力下导致第一、二界面胶结质量下降，从而引起层间封隔失效，形成套损和窜槽，最终导致油井生产周期缩短、成本增加。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，通过采用该水泥浆可以减慢高温情况下水泥浆体系强度衰减的速度和渗透率上升的速度，提高热稳定性，减少窜槽和套损的可能性，使油井长期封固，从而提高生产效率，降低生产成本。
本发明的目的通过以下技术方案得以实现：
一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，以重量份计，所采用的水泥浆的成分为：耐高温水泥100份、高温稳定剂30-40份、调凝剂0.5-1.2份、油井水泥降失水剂2.5-4.5份、抗沉降剂0.02-0.15份、消泡剂0.02-0.15份、水45-100份；
所采用的耐高温水泥为铝酸盐水泥；所采用的高温稳定剂为超细矿渣微粉；所采用的调凝剂为无机盐类硼酸型调凝剂；所采用的油井水泥降失水剂为AMPS共聚物类降失水剂；所采用的抗沉降剂为聚合物类抗沉降剂；所采用的消泡剂为高分子聚醚类消泡剂。
所述无机盐类硼酸型调凝剂可以是由硼酸、硼酸钠、酒石酸、葡萄糖酸钠等多种调凝剂复配而成。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，以重量份计，所采用的铝酸盐水泥的主要成分为Al2O352-77份、CaO40-48份、SiO20.5-6份、Fe2O30.5-2.5份、总碱以当量氧化钠（Na2O+0.658K2O）计不高于0.4份。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的铝酸盐水泥中Al2O3含量至少在52%以上、SiO2含量小于6%、勃氏比表面积为300m2/kg-400m2/kg，更优选的，所述铝酸盐水泥为CA70水泥和/或CA50系列的A900型水泥，该水泥具有快硬、高强、耐高温的特点。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，以重量份计，所采用的超细矿渣微粉的主要成分为SiO227-40份、CaO33-43份、MgO6-10份、Al2O310-15份、Fe2O31-2份、MnO0.5-2份、SO3小于4份、TiO21-2份。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的超细矿渣微粉的比表面积≥450m2/kg，粒度范围为500目-1500目；更优选的，所述超细矿渣微粉为四川宏升石油技术开发有限责任公司生产的HS-KZS型高温稳定剂。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的调凝剂为四川宏升石油技术开发有限责任公司生产的HS-204SR型调凝剂，它是一种精细合成的无机盐类硼酸型的调凝剂，在铝酸盐水泥中添加了该类调凝剂后，可使水泥浆降低对水质的要求，拥有较宽的使用温度范围，水泥浆稠化时间易调整，且对调凝剂加量不敏感。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的油井水泥降失水剂主要是由AMPS、低分子酰胺、多羟基羧酸聚合改性而成，20目筛余物小于7%。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的油井水泥降失水剂为卫辉市化工有限公司生产的G33S型油井水泥降失水剂。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的聚合物类抗沉降剂为美国雪佛龙菲利普斯化工有限公司钻井特殊化学品公司生产的HE400型抗沉降剂。该抗沉降剂为白色粉末，比重为1.44g/cm3，可适用于淡水、盐水和海水水泥浆，能在高温下保持稳定，在油井水泥中加入该抗沉降剂，可以有效发挥抗沉降、降失水、悬浮稳定的效果，尤其在高温条件下，其抗沉降性能发挥更好。
在上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆中，优选的，所采用的高分子聚醚类消泡剂为卫辉市化工有限公司生产的XP-1型消泡剂。该消泡剂的外观为无色或淡黄色粘稠液体，与其它外加剂相容性好，消泡迅速，能够抗酸碱，耐高温，加入到水泥浆中后，能有效抑泡、消泡、防气窜，且对水泥浆其它性能无不利影响。
本发明还提供了一种上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，以重量份计，向100重量份铝酸盐水泥中加入30-40重量份的超细矿渣微粉和2.5-4.5重量份的油井水泥降失水剂，搅拌得混合物；
步骤二，以重量计，将0.5-1.2重量份的无机盐类硼酸型调凝剂和0.06-0.15重量份的聚合物类抗沉降剂混入45-100重量份水中，得混合液；
步骤三，将所得的混合物和混合液混合配成水泥浆，密度控制在1.60-1.90g/cm3，初凝时间在60-300min内可调，混合物和混合液的混合重量比为1：（0.3-0.8），有出泡现象时可加入0.02-0.15重量份的消泡剂，即得上述用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆。
本发明还提供了一种上述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆的应用，所采用的水泥浆用于注蒸汽热采井、深井或超深井的固井作业。
本发明的突出效果为：
1、本发明提供的耐高温固井水泥浆在低温下（45℃～75℃）不用加速凝剂便能实现早强，且强度较高，能够满足高温固井快速凝结的要求，确保凝固过程中不出现环空窜流。
2、本发明提供的耐高温固井水泥浆常温下形成的水泥石在315℃高温下强度衰减小，维持较高水平，热稳定性能优良，能够提高高温下井身质量，确保井筒的完整性及层间有效封隔。
3、本发明提供的耐高温固井水泥浆适用于注蒸汽热采井、深井超深井等超高温井，在200℃～315℃下强度保持较高，并且循环多轮次高低温环境下，其强度几乎不衰退，甚至有小幅增加，能够较好地解决循环热应力对井筒产生的影响，大大延长油井寿命，有力降低生产成本。
4、本发明提供的耐高温固井水泥浆流变性能良好、失水量小、密度和稠化时间可调，能够满足各种井深下施工要求。
综上所述，本发明能够有效解决目前固井水泥浆体系在高温下存在的强度下降快、渗透率上升快等问题，提高热稳定性，减少窜槽和套损的可能性，使油井能长期封固，提高生产效率，降低生产成本。
具体实施方式
以下便结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
实施例1
本实施例提供了一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其使用CA-50系列A900型铝酸盐水泥、HS-KZS型超细矿渣微粉作为高温稳定剂、型号为G33S的油井降失水剂、型号为HS-204SR的调凝剂、型号为HE400的抗沉降剂和型号为XP-1的消泡剂来配置密度为1.85g/cm3的耐高温固井水泥浆。以重量份计，该耐高温固井水泥浆具有以下成分组成：A900铝酸盐水泥100份、HS-KZS型超细矿渣微粉30份、G33S的油井降失水剂2.8份、HS-204SR调凝剂0.6份、HE400抗沉降剂0.06份、XP-1消泡剂0.10份、清水55份。
该耐高温固井水泥浆是通过以下步骤制备的：
1、添加耐高温改性外加剂和降失水剂：向100份铝酸盐水泥中加入30份的HS-KZS型超细矿渣微粉和2.8份的G33S的油井降失水剂，得到水泥干灰混合物；
2、添加调凝剂及抗沉降剂：将0.6份的HS-204SR调凝剂、0.06份的HE400抗沉降剂和0.10份的XP-1消泡剂混入55份的水中，得混合液；
3、混配水泥浆：将以上所配得的水泥干灰混合物和混合液按照1∶0.55的重量比混配成密度为1.85g/cm3的水泥浆。
制备得到上述耐高温固井水泥浆后，在恒温水浴锅中进行养护（养护温度分别为45℃、60℃、75℃，养护时间为7天，养护压力为0.1MPa），养护完成后，取试样在高温高压养护釜中养护两轮次（初始温度为27℃±3℃，用4-6h升温至315℃，养护压力大于或等于20.7MPa），每轮次7天。测试每一阶段试样强度，测试条件为50℃×3.5MPa，耐高温性能测试结果如表1所示。
表1耐高温固井水泥浆配方高低温下的强度对比结果
由表1可知：本发明的新型耐高温水泥浆在不同低温环境下生成的水泥石经高温养护多个轮次后，其强度衰退较小，特别是高温第二轮次后强度与高温第一轮次相比还略有升高，充分表明该水泥浆体系耐高温性能优异，能够满足多轮次注汽开采要求。
实施例2
本实施例提供了一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其是使用CA-50系列A900型铝酸盐水泥、HS-KZS型超细矿渣微粉作为高温稳定剂、型号为G33S的油井降失水剂、型号为HS-204SR的调凝剂、型号为HE400的抗沉降剂和型号为XP-1的消泡剂来配置密度为1.85g/cm3的耐高温固井水泥浆。采用以上物料配制5组不同高温稳定剂含量的水泥浆，以重量份计，5组水泥浆分别含HS-KZS型超细矿渣微粉0份、10份、20份、30份、40份和相对应的水44份、48份、52份、56份、60份，同时该5组水泥浆均含有以下成分：A900铝酸盐水泥100份、G33S油井降失水剂3.0份、HS-204SR调凝剂0.65份、HE400抗沉降剂0.06份、XP-1消泡剂0.10份。
该耐高温固井水泥浆是通过以下步骤制备的：
1、添加耐高温改性外加剂：向100份铝酸盐水泥中分别加入0-40份的HS-KZS型超细矿渣微粉和3.0份的G33S油井降失水剂，得到5组水泥干混合物；
2、添加调凝剂及抗沉降剂：将0.6份的HS-204SR调凝剂、0.06份的HE400抗沉降剂和0.10份的XP-1消泡剂按要求混入44-60份的水中，得5组混合液；
2、混配水泥浆：将以上5组水泥干混合物和相对应的5组混合液混合配成密度为1.85g/cm3的水泥浆。
制备得到上述耐高温固井水泥浆后，将上述5组水泥浆在恒温水浴锅中进行养护（养护温度为36℃，养护时间为7天，养护压力为0.1MPa），养护完成后，取试样在高温高压养护釜养护7天（初始温度为27℃±3℃，用4-6h升温至315℃，养护压力大于或等于20.7MPa）。测试每一阶段试样强度，测试条件为50℃×3.5MPa，耐高温性能测试结果如表2所示。
表2高温稳定剂对水泥浆体系的影响评价结果
| 高温稳定剂掺量 | 0% | 10% | 20% | 30% | 40% |
| 高温前强度（MPa） | 11.75 | 19.47 | 23.84 | 24.3 | 24.4 |
| 高温后强度（MPa） | 15.6 | 15.88 | 16.17 | 22.34 | 21.67 |
由表2可知：HS-KZS型超细矿渣微粉有效加量为30%-40%。在此范围内，HS-KZS型超细矿渣微粉能够有效提高水泥浆的初始强度，并且经高温养护后强度衰退较小。
实施例3
本实施例提供了一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其是使用CA-50系列A900型铝酸盐水泥、HS-KZS型超细矿渣微粉作为高温稳定剂、型号为G33S的油井降失水剂、型号为HS-204SR的调凝剂、型号为HE400的抗沉降剂和型号为XP-1的消泡剂来配置密度为1.85g/cm3的耐高温固井水泥浆。以重量份计，该耐高温固井水泥浆具有以下成分组成：A900铝酸盐水泥100份、HS-KZS型超细矿渣微粉30份、G33S油井降失水剂2.6份、HS-204SR调凝剂0.52份、HE400抗沉降剂0.06份、XP-1消泡剂0.10份和清水50、56、62份。
该耐高温固井水泥浆是通过以下步骤制备的：
1、添加耐高温改性外加剂和降失水剂：向100份铝酸盐水泥中加入30份的HS-KZS型超细矿渣微粉和2.6份的G33S油井降失水剂，得到水泥干混合物；
2、添加调凝剂及抗沉降剂：将0.52份的HS-204SR调凝剂、0.06份的HE400抗沉降剂和0.10份的XP-1消泡剂混入上述不同份的水中，得3组混合液；
3、混配水泥浆：将以上所配得的水泥干混合物和混合液混合配成密度为1.80、1.85和1.90g/cm3的3组水泥浆。
制备得到上述耐高温固井水泥浆后，在常压稠化仪中测定水泥浆试样稠化时间（实验温度分别为45℃和50℃，实验压力为30MPa）。工程性能测试结果如表3所示。
表3耐高温固井水泥浆配方不同温度下稠化性能
| 序号 | 实验条件 | 密度（g/cm3） | 稠化时间（min） |
| 1 | 45℃*30MPa | 1.80 | 161 |
| 2 | 45℃*30MPa | 1.85 | 132 |
| 3 | 50℃*30MPa | 1.85 | 84 |
| 4 | 45℃*30MPa | 1.90 | 153 |
实施例4
本实施例提供了一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其是使用CA-50系列A900型铝酸盐水泥、HS-KZS型超细矿渣微粉作为高温稳定剂、型号为G33S的油井降失水剂、型号为HS-204SR的调凝剂、型号为HE400的抗沉降剂和型号为XP-1的消泡剂来配置密度为1.85g/cm3的耐高温固井水泥浆。以重量份计，该耐高温固井水泥浆具有以下成分组成：A900铝酸盐水泥100份、HS-KZS型超细矿渣微粉30份、G33S油井降失水剂3.25份、HS-204SR调凝剂0.52份、HE400抗沉降剂0.026份、XP-1消泡剂0.10份和清水56份
该耐高温固井水泥浆是通过以下步骤制备的：
1、添加耐高温改性外加剂和降失水剂：向100份铝酸盐水泥中加入30份的HS-KZS型超细矿渣微粉和3.25份的G33S油井降失水剂，得到水泥干混合物；
2、添加调凝剂及抗沉降剂：将0.52份的HS-204SR调凝剂、0.026份的HE400抗沉降剂和0.10份的XP-1消泡剂混入56份的水中；
3、混配水泥浆：将以上所配得的水泥干混合物和混合液混合配成密度为1.85g/cm3的水泥浆。
制备得到上述耐高温固井水泥浆后，测定其流动度、API失水及自由水等指标性能如表4所示。另外，将上述所配水泥浆与辽河油田常用钻井液、隔离液、冲洗液按一定比例混配，测定不同条件下水泥浆的稠化时间，以检测水泥浆的相容性，结果见表5。
表4耐高温固井水泥浆在45℃下的工程性能
| 密度（g/cm3） | 流动度（cm） | API失水（ml） | 自由水（%） |
| 1.85 | 23.5 | 26 | 0.3 |
表5耐高温固井水泥浆的相容性实验结果
综上所述，本实施例的耐高温固井水泥浆能够满足热采需求，即能够在300℃以上的高温下保持强度在一个较高水平，与低温下相比衰减较小，同时高低温循环作用下，其强度几乎保持不变，甚至略有回升，能够解决目前高温热采井井筒破坏严重的问题，即减少水泥环和套管的破坏、减少蒸汽窜流或其它层间窜流，从而提高注汽效率和油井寿命，减少地层伤害，另外，本实施例的耐高温固井水泥浆工程性能满足现场安全施工要求，密度和稠化时间可调、浆体流变性能良好、失水量小，能够满足各种条件热采井的施工要求，因而具备推广应用的条件。
Claims (12)
1.一种用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：以重量份计，该水泥浆的成分为：耐高温水泥100份、高温稳定剂30-40份、调凝剂0.5-1.2份、油井水泥降失水剂2.5-4.5份、抗沉降剂0.02-0.15份、消泡剂0.02-0.15份、水45-100份；
所述耐高温水泥为铝酸盐水泥；
所述高温稳定剂为超细矿渣微粉；
所述调凝剂为无机盐类硼酸型调凝剂；
所述油井水泥降失水剂为AMPS共聚物类降失水剂；
所述抗沉降剂为聚合物类抗沉降剂；
所述消泡剂为高分子聚醚类消泡剂。
2.根据权利要求1所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：以重量份计，所述铝酸盐水泥的主要成分为Al2O352-77份、CaO40-48份、SiO20.5-6份、Fe2O30.5-2.5份、总碱以当量氧化钠计不高于0.4份。
3.根据权利要求2所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述铝酸盐水泥Al2O3含量至少在52%以上、SiO2含量小于6%、勃氏比表面积300m2/kg-400m2/kg，优选的，所述铝酸盐水泥为CA70水泥和/或CA50系列的A900型水泥。
4.根据权利要求1所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：以重量份计，所述超细矿渣微粉的主要成分为SiO227-40份、CaO33-43份、MgO6-10份、Al2O310-15份、Fe2O31-2份、MnO0.5-2份、SO3小于4份、TiO21-2份。
5.根据权利要求1或4所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述超细矿渣微粉的比表面积≥450m2/kg、玻璃体含量大于85%、烧失量小于3%、粒度范围为500目-1500目；优选地，所述超细矿渣微粉为四川宏升石油技术开发有限责任公司生产的HS-KZS型高温稳定剂。
6.根据权利要求1所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述调凝剂为四川宏升石油技术开发有限责任公司生产的HS-204SR型调凝剂。
7.根据权利要求1所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述油井水泥降失水剂是由AMPS、低分子酰胺、多羟基羧酸聚合改性而成，20目筛余物小于7%。
8.根据权利要求1或7所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述油井水泥降失水剂为卫辉市化工有限公司生产的G33S型油井水泥降失水剂。
9.根据权利要求1所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述聚合物类抗沉降剂为美国雪佛龙菲利普斯化工有限公司钻井特殊化学品公司生产的HE400型抗沉降剂。
10.根据权利要求1所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆，其特征在于：所述高分子聚醚类消泡剂为卫辉市化工有限公司生产的XP-1型消泡剂。
11.一种权利要求1-10任一项所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一，以重量份计，向100重量份铝酸盐水泥中加入30-40重量份的超细矿渣微粉和2.5-4.5重量份的油井水泥降失水剂，搅拌得混合物；
步骤二，以重量份计，将0.5-1.2重量份的无机盐类硼酸型调凝剂和0.02-0.15重量份的聚合物类抗沉降剂混入45-100重量份水中，得混合液；
步骤三，将所得的混合物和混合液混合配成水泥浆，密度控制在1.60-1.90g/cm3，初凝时间为60-300min，混合物和混合液的混合重量比为1：（0.3-0.8），有出泡现象时加入0.02-0.15重量份的消泡剂，即得所述注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆。
12.一种权利要求1-10任一项所述的用于注蒸汽热采井的耐高温固井水泥浆的应用，所述水泥浆用于注蒸汽热采井的固井作业。
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