CN106957638A - 一种固井用水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

一种固井用水泥浆体系，由以下重量配比的原料组成：油井水泥100份；微硅20～45份；活性减轻材料20～50份；降失水剂2.5～3.5份；分散剂0.5～1份；缓凝剂0.9～1.8份；早强剂1.5～3份；消泡剂1～1.5份；水112～250份。其优点是：水泥浆体系中，活性减轻材料的添加，在降低水泥浆密度的同时，可与水泥水化产物进行化学反应，并与之融为一体，提高低密度水泥石的早期强度，同时，克服了漂珠在高压和高搅拌条件下易碎的问题；缓凝剂采用复合离子型缓凝剂，自身具有温度自适应特性，当在低温环境中时，分子链蜷曲，吸附基团处于束缚状态，减少对水泥颗粒的吸附，缓凝性能减弱；当在高温条件下，分子链舒展，暴露出更多的吸附基团，缓凝性能增强。

Description

一种固井用水泥浆体系
技术领域
本发明涉及深井、超深井固井技术领域，具体地说是一种固井用水泥浆体系。
背景技术
目前，国内大多浅层油气资源经过长期的开采相继接近枯竭，可采、易采储量有限，为了提高原油产量，支撑国民经济的发展，勘探开发工作已经开始向深部油气藏扩展，特别是近年来大量深井超深井的发现，为人们带来可喜石油储量的同时，也给固井作业带来了巨大的挑战；
现有的水泥浆具有较高的水固比，且本身稳定性较差，由于减轻材料与水泥颗粒密度悬殊，容易导致浆体因为重力分离而发生沉降，如目前常用的漂珠(ρ≈0.7g/cm3)，极易上浮，使得浆体稳定性变差，更甚者，由于漂珠抗剪切性及抗压性能较差，易剪切破碎，或在井底高压环境下出现破裂，引起水泥浆实际密度比设计密度偏大，存在压漏地层的风险。再者，作为水泥浆制备之一的缓凝剂，由于其跨温区使用，使得低温条件下缓凝剂的缓凝效应难以及时消除，致使水泥石顶部抗压强度发展缓慢甚至不凝固的情况发生，因此，如何解决上述技术问题，是目前水泥浆体系方面亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，本发明提供一种固井用水泥浆体系，使得制备的水泥浆密度低、且克服了低温水泥柱超缓凝的问题，增强了水泥体系在顶部低温环境下的早期强度。
一种固井用水泥浆体系，由以下重量配比的原料组成：油井水泥100份；微硅20～45份；活性减轻材料20～50份；降失水剂2.5～3.5份；分散剂0.5～1份；缓凝剂0.9～1.8份；早强剂1.5～3份；消泡剂1～1.5份；水112～250份。
一种固井用水泥浆体系，其优点是：水泥浆体系中，活性减轻材料的添加，在降低水泥浆密度的同时，可与水泥中水化产物进行化学反应，并与之融为一体，提高低密度水泥石的早期强度，同时，克服了漂珠在高压和高搅拌条件下易碎的问题；
缓凝剂采用复合离子型缓凝剂，其自身具有温度自适应特性，当在低温环境中时，分子链蜷曲，吸附基团处于束缚状态，减少对水泥颗粒的吸附，缓凝性能减弱；当在高温条件下，分子链舒展，暴露出更多的吸附基团，缓凝性能增强。并且，这一过程是可逆的，从而可适应大温差固井环境，克服了常规缓凝剂引起的低温水泥柱超缓凝的难题；
而材料中使用的早强剂具有双重激活作用，即可激活油井水泥又可激活活性减轻材料，从而提高水泥浆在顶部低温环境下的早期强度。
具体实施方式
一种固井用水泥浆体系，由以下重量配比的原料组成：
油井水泥100份；微硅20～45份；活性减轻材料20～50份；降失水剂2.5～3.5份；分散剂0.5～1份；缓凝剂0.9～1.8份；早强剂1.5～3份；消泡剂1～1.5份；水112～250份。
优选地，所述活性减轻材料为环氧树脂和活性填料经固化剂固化后的复合物，且环氧树脂：活性填料：固化剂的质量比为20：4：3；
进一步地，所述活性填料为矿渣和粉煤灰的混合物，且混合物中矿渣和粉煤灰的质量比为15:5；
进一步地，固化剂为脂肪胺。
优选地，所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮的共聚物，且共聚物中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮的摩尔比为40:50:10；
进一步地，所述共聚物是通过水溶液自由基聚合法聚合而成的。
优选地，所述分散剂为磺化丙酮甲醛缩合物、苯乙烯-马来酸酐磺化共聚物中的一种。
优选地，所述缓凝剂为复合离子缓凝剂；
进一步地，所述复合离子缓凝剂为衣康酸、对苯乙烯磺酸钠、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基烯丙基聚氧乙烯醚的四元共聚物，且共聚物中衣康酸：对苯乙烯磺酸钠：丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵：甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为25:60:15:0.05；
进一步地，所述共聚物是通过水溶液自由基聚合法聚合而成的。
优选地，所述早强剂为CaO、K2SiO3、Na2SO4、NaOH的复合物，且复合物中CaO：K2SiO3：Na2SO4：NaOH的质量比为35:25:20:20。
优选地，所述消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚中的一种。
以下就具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例一
不同密度水泥浆体系的制备：
制备密度为1.3g/cm3的水泥浆体系，此实验命名为编号1：
取100份G级油井水泥、45份微硅、50份减轻材料、3.5份降失水剂、0.8份分散剂、0.9份缓凝剂、3份早强剂、1.5份消泡剂、250份水，依据API规范Spe-10A制备水泥浆，备用；
制备密度为1.4g/cm3的水泥浆体系，此实验命名为编号2：
取100份G级油井水泥、25份微硅、35份减轻材料、3份降失水剂、0.5份分散剂、1.2份缓凝剂、1.5份早强剂、1份消泡剂、175份水，依据API规范Spe-10A制备水泥浆，备用；
制备密度为1.5g/cm3的水泥浆体系，此实验命名为编号3：
取100份G级油井水泥、30份微硅、25份减轻材料、2.5份降失水剂、1份分散剂、1.8份缓凝剂、2份早强剂、1.2份消泡剂、112份水，依据API规范Spe-10A制备水泥浆，备用；
实施例二
对水泥浆性能的评价
以实例1为测试对象，依据GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》进行水泥浆基本性能测试评价，试验结果见表1。
表1不同密度下水泥浆基本性能测试结果
由表1可以看出，用该发明的水泥浆配方制备的水泥浆的流动度在21～24cm之间，说明水泥浆可泵性良好。自由水含量小于0.1％，说明本发明制备的水泥浆稳定性良好，兼顾到了整个体系的稳定性与流变性。此外，整套体系失水量在75mL以内，因而能有效控制施工过程中的失水，从而避免大量失水引起的水泥浆性能变化，利于地层的保护。综上所述，该发明的水泥浆体系配方性能良好，满足行业标准相关性能要求。
实施例三
对水泥浆稠化时间和抗压强度的评价
以实例1为例，依据GB19139-2003采用高温动态预制方式测试水泥柱顶部抗压强度，即水泥浆配浆后装入高温高压稠化仪，按稠化试验方案进入高温恒温段，恒温60min后降至顶部静止温度，拆出稠化仪浆杯，去油处理，然后制模置于顶部温度下养护至龄期。试验结果见表2：
表2不同密度水泥浆稠化时间和抗压强度试验结果
由表2可知，该发明制备的水泥浆体系在高温150℃条件下水泥浆稠化时间均大于300min，满足安全泵注的要求。此外，该体系顶部水泥石抗压强度发展良好，密度为1.3g/cm3抗压强度大于13.6MPa，密度为1.4g/cm3抗压强度最高超过18.3MPa，密度为1.5g/cm3抗压强度可高达22.6MPa。由此可见，该发明的水泥浆体系即可满足高温条件下水泥浆的安全泵送，又可保证低温井段水泥石抗压强度的发展，从而说明缓凝剂和早强剂配比的合理性。
实例四
水泥浆体系沉降稳定性的评价
以实例1为例，水泥浆的沉降稳定性具体实验为：将在对应循环温度下稠化200min后的水泥浆倒入长30cm、内径为2.5cm的沉降管中，再将沉降管垂直放置于80℃的水浴恒温箱中养护至龄期(48h)，随后取出制备的水泥柱分割为长度相等的6段，分别测每段的密度，以密度分布来考察水泥浆稳定性，实验结果见表3：
表3水泥石密度分布结果
由表3可知，采用本发明水泥浆体系制备的水泥石密度分布差异较小，最大密度差为0.021g/cm3，最小密度差为0.013g/cm3，小于0.03g/cm3，由此说明，本发明设计的水泥浆体系具有良好的稳定性，满足大温差固井施工要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固井用水泥浆体系，其特征在于：由以下重量配比的原料组成：
油井水泥100份；微硅20～45份；活性减轻材料20～50份；降失水剂2.5～3.5份；分散剂0.5～1份；缓凝剂0.9～1.8份；早强剂1.5～3份；消泡剂1～1.5份；水112～250份。
2.根据权利要求1所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述活性减轻材料为环氧树脂和活性填料经固化剂固化后的复合物，且环氧树脂：活性填料：固化剂的质量比为20：4：3。
3.根据权利要求2所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述活性填料为矿渣和粉煤灰的混合物，且混合物中矿渣和粉煤灰的质量比为15:5。
4.根据权利要求1所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述降失水剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮的共聚物，且共聚物中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮的摩尔比为40:50:10。
5.根据权利要求1所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述分散剂为磺化丙酮甲醛缩合物、苯乙烯-马来酸酐磺化共聚物中的一种。
6.根据权利要求1所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述缓凝剂为复合离子缓凝剂。
7.根据权利要求6所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述复合离子缓凝剂为衣康酸、对苯乙烯磺酸钠、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基烯丙基聚氧乙烯醚的四元共聚物，且共聚物中衣康酸：对苯乙烯磺酸钠：丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵：甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为25:60:15:0.05。
8.根据权利要求1所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述早强剂为CaO、K2SiO3、Na2SO4、NaOH的复合物，且复合物中CaO：K2SiO3：Na2SO4：NaOH的质量比为35:25:20:20。
9.根据权利要求1所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚中的一种。
10.根据权利要求4或7所述一种固井用水泥浆体系，其特征在于：所述共聚物是通过水溶液自由基聚合法聚合而成。
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