CN104419391A - 固井用复合减轻材料及制备方法和深井复合水泥浆及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合减轻材料，包括：粉煤灰100重量份、膨胀材料10-15重量份和增韧材料5-10重量份。所述粉煤灰的粒径范围5-10um。本发明还涉及一种所述的复合减轻材料的制备方法，包括：i）将粉煤灰粉通过悬辊磨粉机进行粉碎、球磨；将粉碎、球磨后的粉煤灰通过分级机进行分级处理；收集分级后粒径范围在5-10um的粉煤灰即得改性粉煤灰；ii）将步骤i）得到的改性粉煤灰与所述膨胀材料和增韧材料按照所述配比进行混合即得到所述复合减轻材料。同时本发明还公开了一种所述复合减轻材料配制的深井复合水泥浆，以及所述复合水泥浆在油气井固井中的应用。

Description

固井用复合减轻材料及制备方法和深井复合水泥浆及应用
技术领域
本发明涉及石油勘探开发领域，具体涉及一种固井用复合减轻材料及制备方法和深井复合水泥浆及应用，更具体的，本发明涉及一种深井、超深井低压易漏层固井用复合减轻材料。
背景技术
目前在油田增储和开采中，由于有些油田储层埋藏较深，井深大都在6500m以上，地质条件复杂多变，普遍存在低压易漏失层，给固井施工作业带来极大的困难和挑战。固井过程中面临的最大难点为固井时发生漏失导致水泥浆返高达不到设计要求，以致固井质量难以保证。因此固井时需要使用低密度水泥浆体系，以降低环空液柱压力，有效防止或降低固井施工漏失。配制低密度水泥浆的主要手段是在常规水泥浆中加入减轻材料，目前国内外常用的水泥浆减轻剂主要有普通漂珠、高抗挤玻璃微珠及粉煤灰等。
国产漂珠受搅拌速度和压力影响较大，水泥浆搅拌速度超过4000r/min时或承压60MPa以上时，漂珠破碎率较大，因此降低水泥浆密度能力有限；高抗挤玻璃微珠承压能力高，但是价格昂贵，不易加工制作，限制了其推广应用。因此，国内多采用粉煤灰配制低密度水泥浆。但常规粉煤灰只能将水泥浆密度降低到1.60g/cm3左右，且稳定性差。
200710120029.3《低温低密度固井水泥浆》介绍了一种低密度固井水泥浆的配方，但是未给出减轻剂的具体成分以及减轻剂的制作方法。
200810046133.7《一种粉煤灰低密度水泥浆的制备方法》介绍了制作粉煤灰低密度的方法。但是其制作是配制完水泥浆体系以后再进行球磨。鉴于固井水泥浆是在室内先完成实验，实验性能满足施工要求后，现场配制完成直接入井。因此该专利介绍的水泥浆先配制完再进行球磨，无法了解球磨效果，同时没有时间进行水泥浆性能实验，现场可操作性不强。
200910071314.X《非漂珠低密度水泥浆》使用了粉煤灰低密度水泥浆体系以解决水泥浆在高压条件下不能保持其设计密度的问题，同时各项性能满足现场应用要求。但是其所用为普通粉煤灰，水泥浆体系加入了超细水泥，增加了水泥成本，同时仅适合循环温度在120℃以内的中深井中应用，超深井中是否可以应用没有评价。
201110403224.3《低密高强水泥浆》介绍了一种固井用的低密高强水泥浆配制方法。但是降低密度采用玻璃微珠作为主要减轻材料，粉煤灰为辅助减轻材料，成本相对高，同时，仅评价了75℃的中低温试验，是否适应75℃以上的中高温，未做评价。
201210191344.6《一种改性粉煤灰、其制备方法及装置》提供了一种改性粉煤灰的制备方法，公开了一种粉煤灰分选及改性装置。但是其改性为对粉煤灰风选分级处理和表面喷雾化学改性，主要用于作为橡胶制品填充材料，不适于油气井中使用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题。本发明开发出一种以改性粉煤灰为主体的新型复合减轻材料，并可以配制出适合油气井固井的低密度水泥浆体系。以满足油田深井、超深井的固井要求。
本发明的目的在于提供一种粉煤灰物理改性的方法，该方法制备的粉煤灰球形度高，粒径可控；本发明的另一目的在于提供以复合减轻材料为主体配制的深井复合低密度水泥浆体系，并在油井中应用，在较低成本下解决深井、超深井漏失问题。
本发明所述复合减轻材料制作工艺简易可行，承压能力高，并能有效的降低水泥浆的密度，且配置的低密度水泥浆性能优良，现场可操作性强，为防止漏失、提高固井质量提供保障。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
1）一种复合减轻材料，包括：
改性粉煤灰              100重量份；
膨胀材料                10-15重量份；
增韧材料                5-10重量份。
2）在本发明第1）项所述的复合减轻材料的一个实施方式中，所述粉煤灰的粒径范围5-10um。
3）在本发明第1）或第2）项所述的复合减轻材料的一个实施方式中，所述膨胀材料为蛭石。
4）在本发明第1）-第3）项中任一项所述的复合减轻材料的一个实施方式中，所述增韧材料为石棉或增强纤维。所述增强纤维没有特别的限定，可为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维等。
5）一种本发明第1）-第4）项中任一项所述的复合减轻材料的制备方法，包括：
i）将粉煤灰粉通过悬辊磨粉机进行粉碎、球磨；将粉碎、球磨后的粉煤灰通过分级机进行分级处理；收集分级后粒径范围在5-10um的粉煤灰即得改性粉煤灰；
ii）将步骤i）得到的改性粉煤灰与所述膨胀材料和增韧材料按照所述配比进行混合即得到所述复合减轻材料。
在本发明的复合减轻材料的制备方法中，通过球磨改善了粉煤灰的粒径和球形度；处理后的粉煤灰球形度变好，且粒径变小。所述分级机优选喷射离心式超细分级机，所述超细分级机由喷射式分散器、转子和外部筒体组成。整个分级腔内设有构件稳定流场，转子安装在流场的中心。物料由给料口进入分级机后由给料分散器将其均匀送入分级室，分级室内的转子高速旋转所产生的离心力场，将混合在气－固两相流体中的细粉按其粒度大小分成不同的粒度区间。
考虑常规水泥石有收缩和脆性问题，因此优选了蛭石做为膨胀材料，石棉或短纤维作为增韧材料。蛭石经过粉碎处理、石棉或短纤维经过短切处理，以保证两种功能材料在复合减轻材料及水泥浆体系中均匀分散。
6）一种深井复合水泥浆，包括本发明第1）-第4）项中任一项所述的复合减轻材料。
7）在本发明的第6）或第7）项所述的深井复合水泥浆的一个实施方式中，所述深井复合水泥浆的密度为1.40-1.60g/cm3。
8）在本发明的第6）或第7）项所述的深井复合水泥浆的一个实施方式中，包括：
9）在本发明的第8）项所述的深井复合水泥浆的一个实施方式中，所述油井水泥为G级油井水泥。
10）在本发明的第6）-第9）项中任一项所述的复合减轻材料配制的深井复合水泥浆体系在油气井固井中的应用。
在本发明的深井复合水泥浆中，所述稳定剂、早强剂、降失水剂和缓凝剂没有特别的限定，均选自现有技术中常用的稳定剂、早强剂、降失水剂和缓凝剂。
将本发明的复合减轻材料加入固井用的水泥浆体系中，可有效的将水泥浆的密度降低至1.40g/cm3，现场可操作性强，配制的水泥浆性能优良，在高压环境下，水泥浆密度无变化，浆体沉降稳定性能好，高温高压下养护后浆体上下密度差小于0.01g/cm3，形成的水泥石密实、抗压强度高、有一定韧性。
本发明的有益效果：
通过对辅助功能材料的研究，优化出了膨胀材料和韧性材料复配物理改性后的粉煤灰，得到了一种复合减轻材料，并进行了试验，对比分析了粉煤灰改性前后的形貌差异、水泥浆性能、水泥石强度并进行了成本分析。
①粉煤灰形貌上：粉煤灰原料颗粒分布不均且球形度差，物理改性后颗粒细度显著降低，球形度变好。
②水泥浆性能方面：加入不同比例的本发明所述新型复合减轻材料可将水泥浆的密度由常规的1.90g/cm3降到1.40g/cm3～1.60g/cm3，较常规粉煤灰降低水泥浆密度能力增强，且水泥浆稳定性好，做沉降稳定性试验，水泥浆上下密度差≤0.01g/cm3（水泥浆上下密度差越小越好，正常要求≤0.03g/cm3）；水泥浆密度不受搅拌速度和压力影响，水泥浆搅拌速度在12000r/min时或承压160MPa以上时水泥浆密度无变化；抗高温性能好，抗温达到160℃以上。
③水泥石强度方面：因为改性后的粉煤灰配制低密度水泥浆更加符合紧密堆积原理和颗粒级配理论，因此形成的水泥石更加密实，早期强度发展快，且抗压强度高，大于20MPa，抗压强度较普通粉煤灰形成的水泥石提高了50%以上，通过加入膨胀材料，弥补了常规水泥石的体积收缩，通过加入韧性材料，水泥石有一定弹韧性。
④加入本发明所述新型复合减轻材料后水泥浆稠化时间可调、稠化性能优良，模拟现场升降温及停机对稠化性能基本没有影响。
⑤成本方面：本发明的复合减轻材料较同等性能的其他减轻材料成本降低了60%以上。
因此，本发明的复合减轻材料满足深井、超深井现场固井施工需要。
附图说明
图1为本发明的改性粉煤灰的电镜扫描照片。
图2为现有技术中未改性的粉煤灰的电镜扫描照片。
图3为表示本发明的深井复合水泥浆稠化性能图。
图4为表示本发明的深井复合水泥浆稠化性能曲线图。
图5为表示本发明的深井复合水泥浆的稠化停机实验曲线图。
图6为表示本发明的深井复合水泥浆超声波强度发展曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的范围并不限于以下实施例。
在本发明中，油井水泥为阿克苏G级油井水泥；高温稳定剂、抗高温降失水剂、早强剂和抗高温缓凝剂为固井水泥浆体系中常用的外加剂，均从中国石化石油工程技术研究院油田助剂研发中心购得；水为自来水。
本发明的实施例中：
所述电镜照片采用JSM-6510扫描电镜。
所述稠化性能曲线采用OWC-9380B型高温高压稠化仪进行测试。
超声波强度发展曲线采用CHANDLER MODEL5265U型超声波强度分析仪进行测试。
由图3-5中可以看出，本发明的深井复合水泥浆的稠化性能稳定。
由图6中可以看出，本发明的深井复合水泥浆的早期强度发展快、抗压强度高，抗压强度达到20MPa以上，随着时间延长强度没有衰退，由此可大大缩短注水泥施工后的候凝时间，同时提高了固井质量。
改性粉煤灰的制备：
将常规粉煤灰在悬辊磨粉机中球磨30min后，然后在喷射离心式超细分级机中按分级流程分级三次，得到不同样品，测试其性能，见表1。
表1粉煤灰样品及其性能
实施例1
所述复合减轻材料包括：改性粉煤灰（样品编号D4）为100重量份，10重量份的蛭石(中石化石油工程技术研究院油田助剂研发中心)和5重量份的石棉(中石化石油工程技术研究院油田助剂研发中心)。
深井复合水泥浆：阿克苏G级油井水泥为100重量份，1.5重量份的稳定剂，20重量份的降失水剂DZJ-Y、2.0重量份的早强剂H、1.5重量份的缓凝剂DZH-2，加入100重量份的本实施例的复合减轻材料，液固重量比为0.78。
按GB/T19139标准制备水泥浆（密度1.60g/cm3），并进行沉降稳定性能、稠化及抗压强度试验，试验结果见表2。
实施例2
复合减轻材料：改性粉煤灰（样品编号D4）为100份重量，12重量份的蛭石，6重量份的石棉。
深井复合水泥浆：阿克苏G级油井水泥为100重量份，2.5重量份的高温稳定剂，20重量份的抗高温降失水剂DZJ-Y、2.0重量份的早强剂H、1.5重量份的缓凝剂DZH-2，加入120重量份的本实施例的复合减轻材料，液固比为0.96。
按GB/T19139标准制备水泥浆（密度1.50g/cm3），并进行沉降稳定性能、稠化及抗压强度试验，试验结果见表2。
实施例3
复合减轻材料：改性粉煤灰（样品编号D4）为100重量份，15重量份的蛭石和8重量份的石棉。
深井复合水泥浆：阿克苏G级油井水泥为100重量份，4.5重量份的高温稳定剂，22重量份的抗高温降失水剂DZJ-Y、3.0重量份的早强剂H、1.5重量份的缓凝剂DZH-2，然后加入150重量份的本实施例的复合减轻材料，液固比为1.14。
按GB/T19139标准制备水泥浆（密度1.40g/cm3），并进行沉降稳定性能、稠化及抗压强度试验，试验结果见表2。
由表2可以看出本发明所述的以改性粉煤灰为主体的复合减轻材料可以有效降低水泥浆密度由常规的1.90g/cm3降到1.40g/cm3，体系的高压沉降稳定性能优异（均小于0.01g/cm3），抗压强度高，水泥浆稠化时间有一定线性关系，便于现场调制。
表2深井复合水泥浆实验性能
实施例4
复合减轻材料配制的低密度水泥浆在TH12516X井中的应用
TH12516X井是塔河油田的一口开发井。该井存在二叠系低压易漏地层，在Φ177.8mm油层尾管套管下到位后开泵循环，压力18MPa循环时发生井漏，后经井队进行承压堵漏，虽建立了循环，但循环排量低，无法充分有效洗井。为防止漏失，水泥浆使用了本发明的复合减轻材料配制1.50g/cm3的低密度水泥浆体系，有效降低了环空液柱压力，防止了固井时发生漏失，确保了水泥浆返高。最终该井固井质量综合评定为良好，确保了固井成功率和固井质量。该井所用本发明的复合减轻材料及配制的低密度水泥浆配方和性能如下：
复合减轻材料：改性粉煤灰（样品编号D4）为100重量份，12重量份的蛭石(中石化石油工程技术研究院油田助剂研发中心)，6重量份的石棉(中石化石油工程技术研究院油田助剂研发中心)。
低密度水泥浆（1.50g/cm3）：阿克苏G级油井水泥为100份重量，3重量份的高温稳定剂，20重量份的抗高温降失水剂DZJ-Y、2.0重量份的早强剂H、1.4重量份的缓凝剂DZH-2，在固井水泥浆中加入120重量份的复合减轻材料，液固比为0.96。
按GB/T19139标准制备水泥浆，并进行水泥浆全性能试验，试验结果见表3。
表3TH12516X井低密度水泥浆实验性能

Claims (10)

1.一种固井用复合减轻材料，包括：
改性粉煤灰              100重量份；
膨胀材料                10-15重量份；
增韧材料                5-10重量份。
2.根据权利要求1所述的复合减轻材料，其特征在于，所述改性粉煤灰的粒径范围5-10μm。
3.根据权利要求1所述的复合减轻材料，其特征在于，所述膨胀材料为蛭石。
4.根据权利要求1所述的复合减轻材料，其特征在于，所述增韧材料为石棉或增强纤维。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的复合减轻材料的制备方法，包括：
i）将粉煤灰粉通过悬辊磨粉机进行粉碎、球磨；将粉碎、球磨后的粉煤灰通过分级机进行分级处理；收集分级后粒径范围在5-10um的粉煤灰即得改性粉煤灰；
ii）将步骤i）得到的改性粉煤灰与所述膨胀材料和增韧材料按照所述配比进行混合即得到所述复合减轻材料。
6.一种深井复合水泥浆，包括权利要求1-4中任一项所述的复合减轻材料。
7.根据权利要求6所述的深井复合水泥浆，其特征在于所述深井复合水泥浆的密度为1.40-1.70g/cm3，优选1.40-1.60g/cm3。
8.根据权利要求6或7所述的深井复合水泥浆，其特征在于，所述深井复合水泥浆包括：
9.根据权利要求8所述的深井复合水泥浆，其特征在于，所述油井水泥为G级油井水泥。
10.一种根据权利要求1-4中任一项所述的复合减轻材料配制的深井复合水泥浆体系在油气井固井中的应用。
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