CN106634899A - 一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，该系统包括以下质量份的组分：硅酸盐水泥100份；超细硅酸盐水泥80～120份；空心玻璃微珠10～30份；微硅10～20份；液态胶体8～12份；早强剂2～6份；减阻剂1～2份；降失水剂4～8份；消泡剂1～2份；水120～150份。该低温固井水泥浆体系的密度1.35～1.65 g/cm3之间可以调节，低温早期强度高，稠化性能、流动性能良好，失水量小，具有优异的防气窜性能，可以用于深水表层段固井，能够节约作业时间与成本，为深水油气开采提供安全有效的技术支持。

Description

一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系
技术领域
本发明涉及一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系，属于油气井固井技术领域。特别适用于低温、低破裂压力、易发生水-气窜的深水浅层固井作业，也可用于陆上油田寒冷地区表层段固井。
背景技术
随着全球陆上油气资源开发的日趋成熟，油气产量不断递减，油气资源勘探开发的方向不断转向海洋油气。全球海洋油气资源蕴藏量约为1000亿吨，已探明储量380多亿吨，天然气蕴藏量约为140万亿立方米，已探明储量约为40万亿立方米。目前己探明的海洋油气储量的80％还是集中在500米水深以内的近大陆架区域，这说明在深水(500米～1500米)甚至超深水(1500米以上)的海底还蕴藏着未勘探开发的丰富油气资源。我国海洋油气资源同样十分丰富，在我国南海海域，石油地质资源量在230亿至300亿吨之间，天然气总地质资源量约为16万亿立方米，占中国油气总资源量的1/3。伴随着我国海洋战略的不断推进，未来我国的深水油气勘探开发前景广阔。
固井技术是钻完井作业的核心技术之一，优质的固井作业可以更好的保障油气资源的安全高效开发。与常规陆上固井相比，深水固井面临着诸多的挑战，如低温、浅层水-气窜、地层易被压漏和水合物分解等。深水海底的泥线温度大约为4℃。低温会抑制水泥水化速率，以及为满足弱胶结地层固井需要采用加中空微珠或增大水灰比的方式以获得低密度水泥浆，这些因素都不利于水泥的水化反应。致使水泥浆由液态转变为固态的过渡时间延长，水泥浆长时间处于胶凝失重状态，如果地层存在浅层流(水/气)时，甚至会造成气侵气窜，导致固井失败。同时，低温使水泥浆凝结时间变长并且水泥石抗压强度发展缓慢，增加候凝时间和浅部地层受到浆体的浸泡时间，容易造成井壁稳定性变差，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。
因此，深水低温固井水泥浆所需基本性能要求为：①较低的水泥浆密度；②低温下较短的过渡时间和优良的早期强度；③水泥与套管和地层的密封和胶结等长期性能好；④较好的流变性能和顶替效率高。
目前，关于深水低温固井水泥体系主要有：①快硬水泥体系，这类水泥体系包括高铝水泥体系、硫铝酸盐水泥体系，如CN101054513A、CN105733519A和CN101974317A；②泡沫水泥体系，如CN103525387A、CN104946220A；③G级水泥与超细水泥、超细颗粒粒径优化水泥体系，如CN105462571A、CN101747880A、CN101126018和CN101463248；④超细矿渣水泥体系，如CN102827593A。其中快硬水泥体系早期强度发展迅速，但是存在稠化时间短，不易调节的问题，并且快硬水泥成本较高；泡沫水泥浆体系浆体中由于泡沫的存在，使得水泥浆的稳定性变差，水泥石早期强度和最终强度较低，而且泡沫水泥浆体系需要额外的设备和技术人员，施工成本较高；加入超细水泥或超细颗粒的粒径优化水泥体系在低温、低密度条件下很难获得较好的防窜能力和早期强度；超细矿渣水泥体系存在流变性较差，后期强度无法保证的问题。因此开发出一种低成本，在低温条件下具有低密度、高早期强度、防气窜性能优异的深水固井水泥体系具有重要意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系，该水泥浆体系具有密度低、早期强度高、防气窜能力优越和流变性好的特性。可以有效解决深水表层段固井所面临的低温、低破裂压力、易发生水-气窜的难题。
本发明提供的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，由以下重量份的组分制备而成：
硅酸盐水泥100份；
超细硅酸盐水泥80～120份；
空心玻璃微珠10～30份；
微硅10～20份；
液态胶体8～12份；
早强剂2～6份；
减阻剂1～2份；
降失水剂4～8份；
消泡剂1～2份；
水120～150份。
优选地，所述硅酸盐水泥为早强型，标号为P.O 52.5R。
优选地，所述超细硅酸盐水泥可以为标号为P.O 42.5、P.O 52.5的硅酸盐水泥精细研磨而成，其平均粒径为4-8um。
优选地，所述空心玻璃微珠为中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的Y8000系列高性能空心玻璃微珠，真实密度0.6g/cm-3，抗压强度55MPa，中间粒径55um。
优选地，所述微硅的平均粒径为0.5～1um，Si02质量含量≥95％，属未加密型。
优选地，所述胶体材料为硅溶胶，为无定形二氧化硅在水中的分散液，其分子式为mSiO2·nH2O，二氧化硅质量含量20％～40％，粒径10～30nm，碱性。
优选地，所述早强剂为硫酸钠、甲酸钙或氯化钙中的一种或几种。
优选地，所述减阻剂为建筑工程常用的聚羧酸类减水剂或丙烯酸类减水剂。
优选地，所述降失水剂为AMPS类降失水剂。
优选地，所述消泡剂为磷酸三丁酯。
上述液态胶体填充低温固井水泥浆体系制备方法：首先将硅酸盐水泥、超细硅酸盐水泥、玻璃微珠、微硅进行干混，将后将干混后的水泥体系与加入液态胶体材料、早强剂、降失水剂、减阻剂和消泡剂的水溶液进行混合，按照API 10B-3-2004标准进行配浆。
本发明所用的硅酸盐水泥为早强型高标号的建筑类水泥，其低温性能优异，可以提供较高的早期强度。超细水泥因其粒径较小，水化活性较高，也可以在低温下迅速形成较高的早期强度。空心玻璃微珠作为水泥浆体系的减轻材料，该玻璃微珠抗压强度高，不易破碎，性能稳定。微硅可以填充水泥石的微空隙，增加水泥石致密性，并且可以作为水泥浆体系的悬浮材料，增加水泥浆的稳定性。另外，空心玻璃微珠、硅酸盐水泥、超细硅酸盐水泥、微硅的粒径分布可以形成三元四组分的颗粒级配水泥体系，增加水泥石的抗压强度和降低水泥石孔隙率。硅溶胶是纳米级的二氧化硅的分散液，二氧化硅颗粒呈无定形态，表面含有大量硅羟基，可与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，具有较高活性，能迅速提高水泥浆胶凝强度，增加气窜阻力，增强水泥体系的防气窜性能。同时，二氧化硅颗粒可充填于水泥颗粒空隙，增强水泥石密实性，降低水泥石渗透率。早强剂的作用是促进水泥浆体系的水化速率，进一步增加水泥石的早期强度。优选的减阻剂可以有效降低水泥浆的粘度，改善水泥浆的流变性。优选的AMPS类降失水剂调节水泥浆的失水性能，保证水泥浆失水量较低提高施工的成功率，优选的磷酸三丁脂作为消泡剂，降低水泥石中气泡的数量，保证水泥石的强度。
该液态胶体填充低温固井水泥浆体系具有以下优势：
1、本发明的低温固井水泥浆体系由空心玻璃微珠、硅酸盐水泥、超细硅酸盐水泥、微硅形成的三元四组分的颗粒级配体系，在低温条件下，具有低密度、高强度、低渗透率的特点。
2、本发明的低温固井水泥浆体系中加入一定量的液态胶体(硅溶胶)对水泥浆体系进行进一步填充，同时硅溶胶是一种新型的防气窜材料，其中的含有的二氧化硅颗粒呈无定形态，表面含有大量硅羟基，与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，能迅速提高水泥浆胶凝强度，增加水泥浆体系的防气窜性能。
3、水泥浆稠化性能，流动性能，沉降稳定性能良好，具有直角稠化特性，失水量较小满足现场施工要求。
4、本发明的低温固井水泥浆体系原材料易得、成本低，并且与常规固井外加剂配伍性好，现场施工方便。
附图说明
图1是液态胶体填充水泥浆体系的稠化曲线图。在15℃、10MPa条件下采用沈阳固测井仪器研究所生产的OWC-2000A增压稠化仪测定水泥浆在15℃、10MPa下的稠化曲线。测试结果表明，低温固井水泥浆体系的初始稠度低，后期稠度发展快，表现出优良的“直角稠化”性能，这说明低温固井水泥浆具有较好的防窜能力。
图2是液态胶体填充水泥浆体系静胶凝发展曲线图。在30℃、15MPa条件下采用Chandler美国公司Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCAfunctionality)测试的静胶凝强度发展曲线。测试结果表明，低温固井水泥浆体系的静胶凝强度发展快，特别是静胶凝强度48～240Pa的过渡时间非常短，这说明低温固井水泥浆具有较好的防窜能力。
具体实施方式
对照例1
水泥浆配方：胜潍G级水泥100份，水44份。
制备方法：按照API 10B-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
参照标准SY/T 6544-2003油井水泥浆性能要求测定水泥石在不同温度下的抗压强度。测试结果见表1。
实施例1
水泥浆配方：河南孟电水泥厂生产的硅酸盐水泥(标号：P.O 52.5R)100份，山东盈安环保材料科技有限公司生产的猞猁牌超细硅酸盐水泥(型号：1250)80份，中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠(型号：Y8000)10份，山东博肯国际贸易有限公司提供的赛普森牌微硅10份，浙江宇达化工有限公司生产的硅溶胶(型号：GS-35)10份，早强剂硫酸钠4份，聚羧酸盐类减水剂1份，降失水剂2份，磷酸三丁酯消泡剂1份，水120份。
制备方法：将早强剂、减水剂、降水水剂、消泡剂和硅溶胶溶于水，然后将所得水溶液与水泥按照API 10B-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
参照标准SY/T 6544-2003油井水泥浆性能要求测定水泥浆的密度、流变性、失水量、稠化时间(15℃、10MPa)、抗压强度。测试结果见表1。
采用沈阳固测井仪器研究所生产的OWC-2000A增压稠化仪测定水泥浆在15℃、10MPa下的稠化曲线。测试结果见图1，结果表明，低温固井水泥浆体系的初始稠度低，后期稠度发展迅速，表现出优良的“直角稠化”性能，这说明低温固井水泥浆具有较好的防窜能力。
采用Chandler美国公司Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCAfunctionality)测定水泥浆在30℃、15MPa下的静胶凝强度发展曲线。测试结果见图2，结果表明，低温固井水泥浆体系的静胶凝强度发展快，特别是静胶凝强度48～240Pa的过渡时间非常短，这说明低温固井水泥浆防窜性能优异。
实施例2
水泥浆配方：山东胜潍水泥厂生产的胜潍G级水泥100份，山东盈安环保材料科技有限公司生产的猞猁牌超细硅酸盐水泥(型号：1250)80份，中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠(型号：Y8000)10份，山东博肯国际贸易有限公司提供的赛普森牌微硅10份，浙江宇达化工有限公司生产的硅溶胶(型号：GS-35)10份，早强剂硫酸钠4份，聚羧酸盐类减水剂1份，降失水剂2份，磷酸三丁酯消泡剂1份，水120份。
制备方法：将早强剂、减水剂、降水水剂、消泡剂和硅溶胶溶于水，然后将所得水溶液与水泥按照API 10B-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
参照标准SY/T 6544-2003油井水泥浆性能要求测定水泥浆的密度、流变性、失水量、稠化时间(15℃、10MPa)、抗压强度。测试结果见表1。
实施例3
水泥浆配方：：河南孟电水泥厂生产的硅酸盐水泥(标号：P.O 52.5R)180份，中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠(型号：Y8000)10份，山东博肯国际贸易有限公司提供的赛普森牌微硅10份，浙江宇达化工有限公司生产的硅溶胶(型号：GS-35)10份，早强剂硫酸钠4份，聚羧酸盐类减水剂1份，降失水剂2份，磷酸三丁酯消泡剂1份，水120份。
制备方法：将早强剂、减水剂、降水水剂、消泡剂和硅溶胶溶于水，然后将所得水溶液与水泥按照API 10B-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
参照标准SY/T 6544-2003油井水泥浆性能要求测定水泥浆的密度、流变性、失水量、稠化时间(15℃、10MPa)、抗压强度。测试结果见表1。
实施例4
水泥浆配方：河南孟电水泥厂生产的硅酸盐水泥(标号：P.O 52.5R)100份，山东盈安环保材料科技有限公司生产的猞猁牌超细硅酸盐水泥(型号：1250)100份，中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠(型号：Y8000)20份，山东博肯国际贸易有限公司提供的赛普森牌微硅15份，浙江宇达化工有限公司生产的硅溶胶(型号：GS-35)8份，早强剂甲酸钙4份，聚羧酸盐类减水剂1份，降失水剂3份，磷酸三丁酯消泡剂1份，水130份。
制备方法：将早强剂、减水剂、降水水剂、消泡剂和硅溶胶溶于水，然后将所得水溶液与水泥按照API 10B-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
参照标准SY/T 6544-2003油井水泥浆性能要求测定水泥浆的密度、流变性、失水量、稠化时间(15℃、10MPa)、抗压强度。测试结果见表1。
实施例5
水泥浆配方：河南孟电水泥厂生产的硅酸盐水泥(标号：P.O 52.5R)100份，山东盈安环保材料科技有限公司生产的猞猁牌超细硅酸盐水泥(型号：1250)120份，中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠(型号：Y8000)30份，山东博肯国际贸易有限公司提供的赛普森牌微硅20份，浙江宇达化工有限公司生产的硅溶胶(型号：GS-35)12份，早强剂氯化钙6份，聚羧酸盐类减水剂2份，降失水剂3份，磷酸三丁酯消泡剂1.5份，水150份。
制备方法：将早强剂、减水剂、降水水剂、消泡剂和硅溶胶溶于水，然后将所得水溶液与水泥按照API 10B-3-2004油井水泥试验方法配制水泥浆。
参照标准SY/T 6544-2003油井水泥浆性能要求测定水泥浆的密度、流变性、失水量、稠化时间(15℃、10MPa)、抗压强度。测试结果见表1。
表1低温固井水泥浆体系的性能测试表
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 (10)

1.一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，该体系包括以下质量份的组分：硅酸盐水泥100份；超细硅酸盐水泥80～120份；空心玻璃微珠10～30份；微硅10～20份；液态胶体8～12份；早强剂2～6份；减阻剂1～2份；降失水剂4～8份；消泡剂1～2份；水120～150份。
2.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述硅酸盐水泥为早强型硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述超细硅酸盐水泥为标号为早强型硅酸盐水泥精细研磨而成，平均粒径为4～8um。
4.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述空心玻璃微珠真实密度0.6g/cm-3，抗压强度55MPa，中间粒径55um。
5.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述微硅的平均粒径为0.5～1um，Si02质量含量≥95％，属未加密型。
6.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述胶体材料为硅溶胶，为无定形二氧化硅在水中的分散液，其分子式为mSiO2·nH2O，二氧化硅质量含量20％～40％，粒径10～30nm，碱性。
7.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述早强剂为硫酸钠、甲酸钙或氯化钙中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述减阻剂为聚羧酸类减水剂或丙烯酸类减水剂。
9.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述降失水剂为AMPS类降失水剂。
10.根据权利要求1所述的液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其特征在于，所述消泡剂为磷酸三丁酯。
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