CN104559981B - 一种防止天然气水合物分解的低热水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防止天然气水合物分解的低热水泥浆。该水泥浆由配浆水、增强剂、减轻剂、促凝剂、降失水剂、分散剂、消泡剂、相变储能材料和水泥组成。它由以下重量份的组分组成：配浆水：44～70份；增强剂：5～11份；减轻剂：7～16份；促凝剂：1～3份；降失水剂：1～6份；分散剂：1～5份；消泡剂：0.5～2份；相变储能材料：8～16份；水泥：100份。该低热水泥浆中的相变储能材料，能有效吸收水泥水化放热量，确保水合物层固井水泥浆温度趋向稳定，确保水合物层的温度；受深水低温影响较小，在水泥浆温度降低时，相变储能材料会释放一定热量，确保水泥浆温度稳定，有利与水泥石早期强度的发展，成功解决了水泥浆在深水低温下难以获得良好的早期强度的难题。

Description

一种防止天然气水合物分解的低热水泥浆
技术领域
本发明涉及一种深水固井用水泥浆，尤其涉及一种防止天然气水合物分解的低热水泥浆。
背景技术
在一口井的井眼和套管之间注水泥的过程称为固井。固井的主要目的是封堵环形空间，环形空间中的水泥环阻止了地层流体的流动，并达到地层之间相互隔离的目的。一种综合性能优异的水泥浆体系对于固井质量尤为重要。
海洋领域蕴藏着大量未开采的石油，尤其海洋深水处的石油储量更是惊人。在深水钻井作业中，由于同时存在低温、高压、水和天然气这些必要条件，很容易产生天然气水合物。固井水泥浆水化放热会使水合物分解，产生大量气体，可能导致地层变弱、井眼扩大、固井失败以及井眼清洁等方面的问题。这样的环境固井对水泥浆具有较大的挑战性，其主要的技术难度重点体现在以下几个方面：1)海水深度大于1000m后温度低于4℃，常规固井水泥的水化凝固性能难于满足低温水化的要求；2)海底泥线下地层破裂压力低，需要有低密度的水泥浆匹配地层破裂压力的变化；3)泥线下一定深度内可能存在天然气水合物，固井水泥浆水化放热会使水合物分解，为固井作业造成很大困难。
针对存在天然气水合物地层的固井作业应该采用低水化放热的低热水泥浆体系，并且要求水泥浆应具有较快较好的低温强度发展情况。开发和研制低热水泥浆，形成一套能够在水合物层的低温环境下高效封固表层的硅酸盐水泥浆体系，是保证海洋深水勘探开发有效开展的关键。因此，开发出一种针对天然气水合物地层固井作业、可降低水化放热效果、防止天然气水合物分解的水泥浆至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种防止天然气水合物分解的低热水泥浆，本发明水泥浆具有低的放热性能、可防止水合物分解且在低温环境下具有高的早期强度。
本发明提供的防止天然气水合物分解的低热水泥浆，由配浆水、增强剂、减轻剂、促凝剂、降失水剂、分散剂、消泡剂、相变储能材料和水泥组成。
上述低热水泥浆中，所述相变储能材料可为石蜡、聚乙二醇400、丙基棕榈酸酯、六水溴化铁中的至少一种与载体的混合物；
所述载体为多孔介质材料，可为沸石、膨胀珍珠岩、膨胀石墨、陶瓷、硅藻土、海泡石和膨胀黏土中的任一种；
所述石蜡可为碳原子数14～16的直链烷烃中的至少一种；
所述相变储能材料具体可为C14石蜡、聚乙二醇400、六水溴化铁和沸石按照质量比3：1：1：4形成的混合物。
上述低热水泥浆由以下重量份的组分组成：
配浆水：44份～70份；增强剂：5份～11份；减轻剂：7份～16份；促凝剂：1份～3份；降失水剂：1份～6份；分散剂：1份～5份；消泡剂：0.5份～2份；相变储能材料：8份～16份；水泥：100份。
上述低热水泥浆具体可为下述1)-6)中任一种：
1)由以下重量份的组分组成：
配浆水：64份；增强剂：10份；减轻剂：10～16份；促凝剂：1.6份；降失水剂：4份；分散剂：3份；消泡剂：0.5份；相变储能材料：8～16份；水泥：100份；
2)由以下重量份的组分组成：
配浆水：64份；增强剂：10份；减轻剂：10～12份；促凝剂：1.6份；降失水剂：4份；分散剂：3份；消泡剂：0.5份；相变储能材料：8～12份；水泥：100份；
3)由以下重量份的组分组成：
配浆水：64份；增强剂：10份；减轻剂：12～16份；促凝剂：1.6份；降失水剂：4份；分散剂：3份；消泡剂：0.5份；相变储能材料：12～16份；水泥：100份；
4)由以下重量份的组分组成：
配浆水：64份；增强剂：10份；减轻剂：10份；促凝剂：1.6份；降失水剂：4份；分散剂：3份；消泡剂：0.5份；相变储能材料：8份；水泥：100份；
5)由以下重量份的组分组成：
配浆水：64份；增强剂：10份；减轻剂：12份；促凝剂：1.6份；降失水剂：4份；分散剂：3份；消泡剂：0.5份；相变储能材料：12份；水泥：100份；
6)由以下重量份的组分组成：
配浆水：64份；增强剂：10份；减轻剂：16份；促凝剂：1.6份；降失水剂：4份；分散剂：3份；消泡剂：0.5份；相变储能材料：16份；水泥：100份。
上述低热水泥浆中，所述配浆水可为淡水、海水和盐水中至少一种。
上述低热水泥浆中，所述增强剂可为超细硅酸盐水泥、矿渣和微硅粉中的至少一种；
所述超细硅酸盐水泥为超细G级油井水泥，其粒径可为3～30μm；
所述矿渣可为超细矿渣，其粒径可为20～90μm；
所述微硅粉的平均粒径可为0.01～15μm。
上述低热水泥浆中，所述减轻剂可为粉煤灰和空心玻璃微珠中的至少一种。
上述低热水泥浆中，所述促凝剂可为氯化钾、氯化锂、硫酸钠、硝酸钠、偏铝酸钠、硅酸钠、甲酸钠和甲酸铯中的至少一种。
上述低热水泥浆中，所述降失水剂可为羧甲基纤维素、聚乙烯醇、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的至少一种。
上述低热水泥浆中，所述分散剂可为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和磺化甲醛丙酮缩合物中的至少一种。
上述低热水泥浆中，所述消泡剂可为聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚中的至少一种。
上述低热水泥浆中，所述水泥可为硅酸盐油井水泥，具体可为G级水泥。
相变储能材料是一种能够随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的功能物质。转变物理性质的过程称为相变过程，在这一过程中，相变储能材料将会吸收或释放大量的潜热。本发明低热水泥浆中混有一定量的相变储能材料，该材料在环境温度升高时会发生相变，能够极大程度吸收水泥水化所产生热量，避免水泥浆温度明显升高而引起水合物层不稳定；另外在水泥浆温度降低时相变储能材料能够释放热量，避免水泥浆温度过低影响水泥浆早期强度发展，在保证水合物层的稳定前提下，确保优良的固井质量。
本发明低热水泥浆具有如下有益效果：
1)本发明低热水泥浆中的相变储能材料，能有效吸收水泥水化放热量，确保水合物层固井水泥浆温度趋向稳定，确保水合物层的温度；
2)本发明低热水泥浆受深水低温影响较小，在水泥浆温度降低时，相变储能材料会释放一定热量，确保水泥浆温度稳定，有利与水泥石早期强度的发展，成功解决了水泥浆在深水低温下难以获得良好的早期强度的难题。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中水泥浆制备及性能测定参照试验标准API 10B-3-2004进行。
下述实施例中水泥浆水化热测量参照GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》进行。
下述实施例中的硅硼酸钙类空心玻璃微珠，主要成份为硅硼酸钙，生产厂家荆州嘉华科技股份有限公司，产品型号为：P62。
下述实施例中的聚乙烯醇，生产厂家：湖北江汉石油科技有限公司，产品型号为：CG75L。
下述实施例中的磺化甲醛丙酮缩合物，生产厂家：湖北江汉石油科技有限公司，产品型号为：CF44L。
下述实施例中的聚二甲基硅氧烷，生产厂家：荆州嘉华科技股份有限公司，产品型号为：CX66L。
下述实施例中的水泥均为G级油井水泥。
实施例1、
按照下述配比称量各组分：
海水64份、增强剂(粒径为3-30μm的超细G级油井水泥、粒径为20-90μm超细矿渣和粒径为0.01-15μm的微硅粉的混合物，质量比为2：1：2)10份、减轻剂(硅硼酸钙类空心玻璃微珠)10份、促凝剂(氯化钾、氯化锂、硅酸钠和甲酸铯的混合物，质量比1：1：1：2)1.6份、降失水剂(聚乙烯醇)4份、分散剂(磺化甲醛丙酮缩合物)3份、消泡剂(聚二甲基硅氧烷)0.5份、相变储能材料(C14石蜡、聚乙二醇400、六水溴化铁和沸石粉的混合物，质量比3：1：1：4，沸石粉：80～100目)8份、G级硅酸盐水泥100份。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到低热水泥浆。
实施例2、
按照下述配比称量各组分：
海水64份、增强剂(粒径为3-30μm的超细G级油井水泥、粒径为20-90μm超细矿渣和粒径为0.01-15μm的微硅粉的混合物，质量比为2：1：2)10份、减轻剂(硅硼酸钙类空心玻璃微珠)12份、促凝剂(氯化钾、氯化锂、硅酸钠和甲酸铯的混合物，质量比1：1：1：2)1.6份、降失水剂(聚乙烯醇)4份、分散剂(磺化甲醛丙酮缩合物)3份、消泡剂(聚二甲基硅氧烷)0.5份、相变储能材料(C14石蜡、聚乙二醇400、六水溴化铁和沸石粉的混合物，质量比3：1：1：4，沸石粉：80～100目)12份；G级硅酸盐水泥：100份。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到低热水泥浆。
实施例3、
按照下述配比称量各组分：
海水64份、增强剂(粒径为3-30μm的超细G级油井水泥、粒径为20-90μm超细矿渣和粒径为0.01-15μm的微硅粉的混合物，质量比为2：1：2)10份、减轻剂(硅硼酸钙类空心玻璃微珠)16份、促凝剂(氯化钾、氯化锂、硅酸钠和甲酸铯的混合物，质量比1：1：1：2)1.6份、降失水剂(聚乙烯醇)4份、分散剂(磺化甲醛丙酮缩合物)3份、消泡剂(聚二甲基硅氧烷)0.5份、相变储能材料(C14石蜡、聚乙二醇400、六水溴化铁和沸石粉的混合物，质量比3：1：1：4，沸石粉：80～100目)16份、G级硅酸盐水泥：100份。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到低热水泥浆。
对照组、
按照下述配比称量各组分：
海水：64份、增强剂(粒径为3-30μm的超细G级油井水泥、粒径为20-90μm超细矿渣和粒径为0.01-15μm的微硅粉的混合物，质量比为2：1：2)10份、减轻剂(硅硼酸钙类空心玻璃微珠)10份、促凝剂(氯化钾、氯化锂、硅酸钠和甲酸铯的混合物，质量比1：1：1：2)1.6份、降失水剂(聚乙烯醇)4份、分散剂(磺化甲醛丙酮缩合物)3份、消泡剂(聚二甲基硅氧烷)0.5份、G级硅酸盐水泥100份。
将固体材料预先混合均匀待用，再将液体材料混合均匀之后，加入预先混合好的固体材料，并搅拌均匀得到该水泥浆。
分别对上述实施例1-3和对照组中制备得到的水泥浆的水化放热性能及水泥石强度进行测试，结果如表1所示。
表1实施例1-3水泥浆及对照组的性能测试结果
由表1数据所示，相变储能材料的加入能够有效的降低水合物层固井水泥浆的水化放热值，随相变储能材料加量增大水泥浆的放热量呈减小趋势，浆体温度变化范围变小。假设海水深度为2000米，查表可知，该区域天然气水合物分解温度在19.2～22.6℃，而本发明水泥浆以实例3为例，在绝热环境下水泥浆体最高温度仅为18.6℃，说明本发明水泥浆能有效防止天然气水合物的吸热分解；且本发明水泥浆经历24h养护相对对比例具有更高的强度，能够很好满足水合物层固井作业需求。

Claims (1)

1.一种防止天然气水合物分解的低热水泥浆，由以下重量份的组分组成：
配浆水：44~70份
增强剂：5~11份
减轻剂：7~16份
促凝剂：1~3份
降失水剂：1~6份
分散剂：1~5份
消泡剂：0.5~2份
相变储能材料：8~16份
水泥：100份；
所述相变储能材料为C14石蜡、聚乙二醇400、六水溴化铁和沸石粉按照质量比3：1：1：4形成的混合物；
所述配浆水为淡水、海水和盐水中至少一种；
所述增强剂为硅酸盐水泥、矿渣和微硅粉中的至少一种；
所述硅酸盐水泥为超细G级油井水泥，粒径为3~30µm；
所述矿渣为超细矿渣，粒径为20~90µm；
所述微硅粉的平均粒径为0.01~15µm；
所述减轻剂为粉煤灰和空心玻璃微珠中的至少一种；
所述促凝剂为氯化钾、氯化锂、硫酸钠、硝酸钠、偏铝酸钠、硅酸钠、甲酸钠和甲酸铯中的至少一种；
所述降失水剂为羧甲基纤维素和聚乙烯醇中的至少一种；
所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和磺化甲醛丙酮缩合物中的至少一种；
所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷、磷酸三丁酯和聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚中的至少一种；
所述水泥为硅酸盐油井水泥。
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