CN105347716B - 一种分散型无氯油井水泥低温早强剂及包含它的水泥浆 - Google Patents

一种分散型无氯油井水泥低温早强剂及包含它的水泥浆 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种分散型无氯油井水泥低温早强剂及包含它的水泥浆，属于油气井固井技术领域。该低温早强剂包括以下重量份的组分：1.5～2.5份硫酸钠、0.6～1份纳米二氧化硅、0.15～0.3份铝酸钠、0.04～0.06份三乙醇胺、0.3～0.5份减水剂。本发明的低温早强剂能有效缩短低温下油气井固井候凝时间，显著提高油井水泥早期强度，又能改善水泥浆流变性，可使油井水泥在10℃温度下12h强度达到3.6MPa，24h强度达到8.2MPa。在30℃条件下，12h强度达到15.4MPa，24h强度达到28.8MPa，该早强剂不含氯离子，可与空心玻璃微珠、漂珠等减轻剂一起使用，配制出符合不同密度要求的水泥浆。

Description

一种分散型无氯油井水泥低温早强剂及包含它的水泥浆
技术领域
本发明涉及一种分散型无氯油井水泥低温早强剂及包含它的水泥浆，属于油气井固井技术领域。采用该方法制备的低温早强剂用于石油、天然气井固井过程中提升水泥石早期强度。
背景技术
随着石油天然气勘探开发不断向深水海洋油气、煤层气、浅层稠油发展，低温固井(井下循环温度45℃以下)作业越来越多。煤层气井较浅，井底温度一般在25℃～45℃之间，而深水固井的温度甚至低至4℃。低温条件下，油井水泥强度发展缓慢，使得候凝时间和浅部地层受到浆体的浸泡时间延长，容易造成井壁稳定性变差，同时也增加了环空窜流的风险，严重影响了固井质量和作业安全。候凝时间的延长也会增加建井成本，降低油气勘探开发经济效益。因此，需要向油井水泥中添加早强剂以提高水泥石早期强度。
在正常的油气井固井作业时，水泥浆需要流经套管中空，而后由井底在套管与井壁之间的狭小环形空间上返，这就要求水泥浆具有良好的流变性。如果水泥浆流变性不好，在水泥浆泵送的过程中水泥浆流动阻力较大，会增加泵送压力。过大的流动阻力与环空静液柱压力叠加，由于浅部没有被充分压实地层的地层破裂压力低，一旦作用在该地层的环空压力超过地层破裂压力，就会造成地层压漏现象的发生，从而使得水泥浆大量向地层漏失，造成固井事故的同时污染浅部水层。因此，水泥浆的流变性对于固井施工安全性具有较大的影响。
目前常规的早强剂常存在增稠严重的问题，特别是常用的含钙离子和含纳米材料的新型早强剂。现场上常通过向水泥浆中加入大量的分散剂，使水泥浆满足施工要求。但是分散剂的加入不但使得固井成本增加，而且分散剂的引入由于会和缓凝剂等外加剂在水泥颗粒表面发生竞争吸附等原因，使得水泥浆配方的调整变得复杂。在低温条件下水泥浆流变性会变的更差，因而需要研究一种既具有良好的低温早强效果，又不过分增稠的油井水泥早强剂来解决这一问题。
现在国内外油井水泥早强剂主要分为氯盐类、硫酸盐类、硝酸盐类剂和有机物类等。但是这些早强剂都存在一些问题：氯盐类早强剂会使水泥浆屈服值升高、水泥石渗透率升高和防硫酸盐腐蚀能力下降；硫酸盐类早强剂对水泥石产生化学侵蚀，影响水泥石耐久性；有机物类早强剂掺量极微，不好控制，掺量过多会造成严重缓凝和水泥石强度下降。所以常用单一组分早强剂通常不能很好地满足固井施工要求，而将多种类型的早强剂复合使用可以更好地提高水泥石强度，同时避免流变性差、套管锈蚀和稠化时间不易调节的问题，成为新型早强剂的发展趋势。
专利号为201410377153.8的专利中，涉及一种复合低温早强剂，该低温早强剂具有以下成分组成：1.5～2.5重量份甲酸钙、0.2～0.8重量份硫酸钙、0.3～1.0重量份硫酸铝、0.2～1.0重量份硅酸钠、0.2～0.8重量份硫酸钠、0.1～0.6重量份铝酸钠、0.3～0.8重量份碳纳米管，可在低温10℃条件下，12小时抗压强度能够达到3.5MPa上，24小时能够达到10MPa以上。专利号为201010200729.5的专利中，也涉及一种复合深水低温早强剂，该深水低温早强剂每种组分及含量如下：碱金属溴化物：33～66重量％、偏铝酸钠：33～66重量％、碱金属氢氧化物：33～66重量％、二氧化硅：33～66重量％、醇胺类有机物：33～66重量％，低温条件下可促使水泥浆在低温条件下快速凝固，并达到较高的早期强度。上述两种加入了纳米材料的早强剂中，具有优异的低温早强效果。但是水泥浆体为水化动态体系，熟料和石膏颗粒一旦与水接触，体系中离子强度和pH值迅速增大，这不仅导致纳米粒子本身团聚，且将水泥颗粒团聚在一起，水泥浆稠度会急剧增大，所以一般需要在在配浆时加入大量的分散剂来调节水泥浆流变性，这就使配浆变得繁琐复杂，同时也增加固井成本。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种分散型无氯油井水泥低温早强剂及包含它的水泥浆，解决了现有的含纳米材料的早强剂使水泥浆极度增稠，含氯盐早强剂使水泥浆屈服值升高、水泥石渗透率升高和防硫酸盐腐蚀能力下降以及在配浆时需要加入分散剂的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种分散型无氯油井水泥低温早强剂，包括以下重量份的组分：1.5～2.5份硫酸钠、0.6～1份纳米二氧化硅、0.15～0.3份铝酸钠、0.04～0.06份三乙醇胺、0.3～0.5份减水剂。
优选的，该低温早强剂包括以下重量份的组分：1.5～2份硫酸钠、0.8～1份纳米二氧化硅、0.2～0.3份铝酸钠、0.04～0.05份三乙醇胺、0.35～0.4份减水剂。
优选的，该低温早强剂包括以下重量份的组分：2份硫酸钠、0.8份纳米二氧化硅、0.2份铝酸钠、0.05份三乙醇胺、0.35份减水剂。
优选的，该低温早强剂包括以下重量份的组分：1.5份硫酸钠、1份纳米二氧化硅、0.3份铝酸钠、0.04份三乙醇胺、0.4份减水剂。
优选的，所述硫酸钠为无水硫酸钠。
优选的，所述减水剂为由聚羧酸系丙烯酸类减水剂与脂肪族醛酮类减水剂按照质量比1：1混合而成。
优选的，所述纳米二氧化硅型号为SP30，比表面积大于200m2/g，粒径小于30nm。
本发明还包括一种水泥浆，包括上述的分散型无氯油井水泥低温早强剂。
优选的，还包括减轻材料。
优选的，所述减轻材料为空心玻璃微珠。
本发明所提供的低温早强剂成分中的硫酸钠、铝酸钠、三乙醇胺是通过化学作用促进水泥水化反应；纳米二氧化硅具有较高的早期火山灰效应和纳米成核效应，可以作为水泥水化的活性中心，促进水泥水化过程，提升油井水泥早期强度。同时纳米二氧化硅自身可以填充水泥颗粒之间的孔隙，并且它还与水泥水化产生的Ca(OH)2发生火山灰反应生成水化硅酸钙，封堵有害孔隙，增加水泥石的致密性，降低渗透，提升水泥石强度，属于物理、化学协同作用，减水剂可以显著降低水泥浆的粘度，使该低温早强剂既具有良好的早强效果，又能改善水泥浆的流变性。
本发明提供的分散型无氯油井水泥低温早强剂制备方法如下：
按比例称取硫酸钠、纳米二氧化硅、铝酸钠、三乙醇胺、减水剂，依次将称量好的上述材料加入混合机内混合均匀，即得到该低温早强剂。
本发明的低温早强剂可使油井水泥在10℃温度下12h强度达到3.6MPa，24h强度达到8.2MPa。在30℃条件下，12h强度达到15.4MPa，24h强度达到28.8MPa。
此外，该分散型油井水泥无氯低温早强剂具有以下优势：
1、本发明的低温早强剂成分中纳米二氧化硅在提升油井水泥早期强度的同时，可以增加水泥石的致密性，降低渗透率。
2、本发明的低温早强剂能有效缩短低温下油气井固井候凝时间，降低水泥浆粘度，有效改善水泥浆流变性。
3、本发明的低温早强剂不含氯离子，有利于固井安全施工及保护油气井套管。
4、本发明所提供的低温早强剂适用于G级水泥、超细油井水泥，可与空心玻璃微珠、漂珠等减轻剂一起使用，以配制出符合不同密度要求的水泥浆，对水质无特殊要求。
5、本发明的低温早强剂分散性好，无需在配浆时加入分散剂，减少配浆步骤，降低成本。
具体实施方式
实施例1
按硫酸钠：SP30纳米二氧化硅：铝酸钠：三乙醇胺：减水剂＝2：0.8：0.2：0.05：0.35的质量比，依次将称量好的上述材料加入混合机内混合均匀，得到低温早强剂，记为DW-1，其中减水剂组成为聚羧酸系丙烯酸类减水剂与脂肪族醛酮类减水剂按照质量比1:1混合，聚羧酸系丙烯酸类减水剂与脂肪族醛酮类减水剂均购自青岛虹厦高分子材料有限公司。
实施例2
按硫酸钠：纳米二氧化硅：铝酸钠：三乙醇胺：减水剂＝1.5：1：0.3：0.04：0.4的质量比，依次将称量好的上述材料加入混合机内混合均匀，得到低温早强剂，记为DW-2，其中减水剂组成为聚羧酸系丙烯酸类减水剂与脂肪族醛酮类减水剂按照质量比1:1混合，聚羧酸系丙烯酸类减水剂与脂肪族醛酮类减水剂均购自青岛虹厦高分子材料有限公司。
对比例1
按硫酸钠：纳米二氧化硅：铝酸钠：三乙醇胺＝1.5：1：0.3：0.04的质量比，依次将称量好的上述材料加入混合机内混合均匀，得到低温早强剂，记为DW-0。
测试例1
对实施例1的低温早强剂DW-1的早强功能进行测试，按照以下步骤进行：
在胜潍G级水泥中加入低温早强剂，按GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，水灰比为0.44，水泥浆密度为1.91g/cm3。测定水泥浆在不同养护温度下的抗压强度。低温早强剂的添加量、养护温度以及评定结果见表1。
表1 低温早强剂在不同温度下对水泥石抗压强度的影响(常压)
结果表明，本发明的低温早强剂能显著提高级油井水泥在低温条件下的抗压强度，在10℃温度下12h强度达到3.6MPa，24h强度达到8.2MPa，可以满足深水固井施工要求。在30℃条件下，12h强度达到15.4MPa。说明本发明的低温早强剂具有优异的低温早强效果。
测试例2
对实施例1的低温早强剂DW-1、实施例2中的低温早强剂DW-2的稠化性能进行测试，按照以下步骤进行：
在胜潍G级水泥中加入3％(质量分数)的低温早强剂，按GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，水灰比为0.44，在15℃、7MPa条件下测试稠化时间。将实验条件调整为30℃、10MPa，其他参数同上，测试稠化时间。并在相同条件下测试纯油井水泥的稠化时间，作为对比。结果见表2。
表2 低温早强剂在不同温度下对油井水泥稠化时间的影响
结果表明，加入该早强剂的水泥浆稠化时间显著缩短，说明该低温早强剂能有效缩短低温下油气井固井候凝时间，节省建井成本。
测试例3
对实施例1的低温早强剂DW-1的流变性能进行测试，按照以下步骤进行：
在胜潍G级水泥中加入低温早强剂，按GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，水灰比为0.44，水泥浆密度为1.91g/cm3。测定水泥浆在20℃、常压条件下的流变性。并在相同条件下测试纯油井水泥、加入早强剂CaCl2的水泥浆流变性，作为对比。评定结果见表3。
表3 低温早强剂流变性性能的评价结果(常压)
结果表明，加有本发明的低温早强剂的水泥浆的稠度系数较小，虽然随着样品加量的增加，稠度系数有所增加，但水泥浆仍具有较好的流变性。对比纯油井水泥和早强剂CaCl2的水泥的分散效果，低温早强剂DW-1具有出色的分散特性，说明该低温早强剂具有降低水泥浆粘度的作用，可以改善水泥浆流变性。
测试例4
对实施例2的低温早强剂DW-2、对比例1的低温早强剂DW-0的流变性能、抗压强度进行对比测试，评价减水剂组分对低温早强剂的影响，按照以下步骤进行：
在胜潍G级水泥中加入低温早强剂，按GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，水灰比为0.44，水泥浆密度为1.91g/cm3。测定水泥浆在20℃、常压条件下的流变性与抗压强度。测试结果见表4。
表4 减水剂组分对低温早强剂的影响评价结果(常压)
结果表明，加入低温早强剂DW-0(不加入减水剂组分)的水泥浆稠度系数极高，而加入低温早强剂DW-2(加入减水组分)稠度系数很低，说明本发明的低温早强剂对油井水泥具有出色的分散作用，比普通含纳米材料的早强剂有更好的流变特性。而且加入DW-2和DW-0水泥石的抗压强度基本一致，说明减水剂组分的加入并没有影响水泥石的抗压强度。
测试例5
采用实施例1的低温早强剂DW-1，并应用空心玻璃微珠为减轻材料，按GB/T19139-2003标准制备低密度水泥浆，测定水泥浆在30℃温度下的抗压强度、流动度、稠化时间。测试结果见表5。
表5 低温早强剂对低密度水泥石抗压强度的影响
结果表明，在30℃条件下，加入DW-1的低密度水泥浆体系，常压养护24h抗压强度超过14MPa。另一方面，早强剂的加入，缩短了稠化时间，而且低密度水泥浆的流动度都大于20cm，符合固井施工要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种分散型无氯油井水泥低温早强剂，其特征在于，该低温早强剂包括以下重量份的组分：1.5~2份硫酸钠、0.8~1份纳米二氧化硅、0.2~0.3份铝酸钠、0.04~0.05份三乙醇胺、0.35~0.4份减水剂。
2.根据权利要求1所述的分散型无氯油井水泥低温早强剂，其特征在于，该低温早强剂包括以下重量份的组分：2份硫酸钠、0.8份纳米二氧化硅、0.2份铝酸钠、0.05份三乙醇胺、0.35份减水剂。
3.根据权利要求1所述的分散型无氯油井水泥低温早强剂，其特征在于，该低温早强剂包括以下重量份的组分：1.5份硫酸钠、1份纳米二氧化硅、0.3份铝酸钠、0.04份三乙醇胺、0.4份减水剂。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的分散型无氯油井水泥低温早强剂，其特征在于，所述硫酸钠为无水硫酸钠。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的分散型无氯油井水泥低温早强剂，其特征在于，所述减水剂为由聚羧酸系丙烯酸类减水剂与脂肪族醛酮类减水剂按照质量比1:1混合而成。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的分散型无氯油井水泥低温早强剂，其特征在于，所述纳米二氧化硅型号为SP30。
7.一种水泥浆，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的分散型无氯油井水泥低温早强剂。
8.根据权利要求7所述的水泥浆，其特征在于，还包括减轻材料。
9.根据权利要求8所述的水泥浆，其特征在于，所述减轻材料为空心玻璃微珠。
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