CN107903883A - 一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，由以下组分按质量百分比组成：亚纳米二氧化硅45%~60%，微米无定型二氧化硅40%~55%，微米沥青粉5%~8%。所述亚纳米二氧化硅，含二氧化硅不低于95质量%，为白色或灰白色固体粉状物，中值粒径低于200nm~450nm；所述微米无定型二氧化硅，含非晶态二氧化硅不低于85质量%，为白色或灰白色固体粉状物，中值粒径低于10mm~30mm；所述微米沥青粉，含沥青不低于85质量%，软化点30℃~130℃，中值粒径低于20mm~50mm。本发明既能在常温下增稠小而易于混配超低密度水泥浆，又能在高温下仍具有良好悬浮特性使超低密度水泥浆不发生沉降分层，保持水泥浆的设计性能，满足油田低温至高温超低压地层固井的需要，具有广阔的应用前景。

Description

一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂
技术领域
本发明涉及石油天然气开发领域固井工程中使用的油井水泥添加剂，特别是涉及一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，既能在常温下增稠小而易于混配超低密度水泥浆，又能在高温下仍具有良好悬浮特性而保持超低密度水泥浆的设计性能。
背景技术
随着油气资源的日益枯竭，勘探领域不断向深部复杂油气藏拓展，深井和超深井越来越多，深部低压地层要求固井水泥浆密度也越来越低，固井条件要求井底静止温度超过150℃的超高温和水泥浆密度小于或近于1.00g/cm3的超低密度水泥浆。现有超低密度水泥浆设计中，为保证水泥浆的悬浮稳定性，需要加入较大量的微硅或者超细水泥作稳定材料，高微硅加量易导致现场施工混浆难度增加，高超细水泥需要提高用水量，这些都增加了水泥浆体系具有良好综合工程性能的难度。如张宏军“中空玻璃微球超低密度水泥浆体系评价与应用”(《石油钻采工艺》2011，Vol.33No.6)中，适应80℃的密度0.90g/cm3～1.20g/cm3水泥浆加入提高水泥浆的黏度和切力的粉末填充剂SYTC-1和SYTC-2为105％～154％；张伟等“超低密度水泥浆固井技术的应用”(《天然气工业》2012，Vol.2No.4)中，适应循环温度84℃的密度1.10g/cm3和1.30g/cm3超低密度水泥浆，分别用了35％和11％的微硅作稳定剂；冯建月“高温地热井微珠超低密度水泥的研究”(中国地质大学(北京)D，2014.5)中，适应温度200℃地热井的密度1.00g/cm3～1.20g/cm3超低密度水泥浆，加入35％～25％的微硅作为稳定剂；齐先立“超低密度水泥浆体系在鹤煤3井固井中的应用”(《石油地质与工程》2015，Vol.29No.5)中，适应45℃的密度1.25g/cm3超低密度水泥浆加入的85％早强剂，主要作用之一是悬浮稳定；孙勤亮等“超低密度水泥浆的粒度级配模型及应用研究”(《石油化工应用》2017，Vol.36No.6)中，适应120℃～150℃密度1.10g/cm3和1.30g/cm3超低密度水泥浆，需要分别加入15％和35％的微硅作为稳定剂。可见，为保持超低密度水泥浆在实际条件下的悬浮稳定性，加入较高的微硅或超细水泥等，降低了水泥浆中胶结材料水泥的比例，尤其是高温条件下(静止温度大于110℃)为防止水泥石的高温强度衰退需要加入30％～40％石英砂时，更影响超低密度水泥浆早期强度的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，既能在常温下增稠小而易于混配超低密度水泥浆，又能在高温下仍具有良好悬浮特性使超低密度水泥浆不发生沉降分层，保持水泥浆的设计性能，满足油田低温至高温超低压地层固井的需要，具有广阔的应用前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，由以下组分按质量百分比组成：亚纳米二氧化硅45％～60％，微米无定型二氧化硅40％～55％，微米沥青粉5％～8％。
所述亚纳米二氧化硅，含二氧化硅不低于95质量％，为白色或灰白色固体粉状物，中值粒径低于200nm～450nm。
所述微米无定型二氧化硅，含非晶态二氧化硅不低于85质量％，为白色或灰白色固体粉状物，中值粒径低于10μm～30μm。
所述微米沥青粉，含沥青不低于85质量％，软化点30℃～130℃，根据使用温度条件选用相应软化点的沥青，中值粒径低于20μm～50μm。
本发明稳定剂中的亚纳米级二氧化硅，其化学纯度高、分散性好、比表面积大、表面活性强、呈球状。一方面，其巨大的比表面(大于250m2/g)并具有强的表面作用能，与减轻材料、水泥颗粒及其水化产物间产生强的吸附作用，使减轻材料与水泥间因密度差异大而发生减轻材料漂浮、水泥颗粒沉降的趋势大大减小，而亚纳米二氧化硅自身良好的分散性(也易分散于水中)又将这种吸附作用形成的软团分散开，实现水泥浆各颗粒材料的分散悬浮稳定性；另一方面，亚纳米二氧化硅的强表面活性(近30kJ/mol)和巨大比表面，在超低密度水泥浆中将成为水泥浆水化产物氢氧化钙Ca(OH)2和水化硅酸钙C-S-H的“先期晶核”，加速晶核的形成与发展，促进水泥的水化作用，从而提高水泥浆的初始强度形成和早期强度的发展；第三，亚纳米二氧化硅在温度高于110℃时，二氧化硅与水泥的水化产物氢氧化钙和水化硅酸钙反应，生产低碱水化硅酸钙，提高水泥石的热稳定性。
本发明稳定剂中的微米级无定型二氧化硅，属非晶质硅，化学活性强、比表面大、纯度高。一方面，其较大的比表面，与超低密度水泥浆中的减轻材料和水泥颗粒等之间产生强的吸附作用，使体系具有较强的结构力，即静切力，使减轻材料与水泥间因密度差异大而发生减轻材料漂浮、水泥颗粒沉降的趋势被显著降低，且无定型二氧化硅在水中有良好的分散作用，从而使使整个超低密度水泥浆体系具有良好的分散悬浮稳定性；另一方面，非晶质二氧化硅在常温下即可与水泥水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，也能与较高碱性的水化硅酸钙反应生成较低碱性的水化硅酸钙，促进水泥水化，尤其是低温下超低密度水泥浆的初始强度的形成和早期强度的发展；再者，微米无定型二氧化硅与减轻材料、水泥颗粒等固相材料，形成多级粒度级配关系，其在体系中作为小颗粒粒子，充填细微空隙，加上水化硅酸钙的充填，显著降低超低密度水泥浆凝结形成水泥石的渗透率，有利于水泥石与套管和井壁的胶结，以及提高水泥石的防腐蚀能力。
本发明稳定剂中的微米级沥青粉，软化后，一方面对超低密度水泥浆中的减轻材料、水泥颗粒等有较强的吸附作用，起到防止减轻材料漂浮和水泥颗粒沉降的作用，使超低密度水泥浆在凝结过程中保持稳定不分层；另一方面，其分散于水泥浆体系中，使凝结硬化形成的水泥石增强吸收外力作用，增加水泥石的变形能力，起到降脆增韧的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明稳定剂吸附性强、分散性好、活性高，加入超低密度水泥浆中，在常温下增稠小而易于混配超低密度水泥浆，同时在高温下仍具有良好悬浮特性，使超低密度水泥浆不发生沉降分层而保持良好的设计性能，防止减轻材料颗粒漂浮水泥颗粒沉降而发生固井施工的风险，为低压超低压地层油气井固井安全生产提供保障。
(2)本发明稳定剂配制密度0.96～1.25g/cm3超低密度水泥浆，只需水泥质量的百分比加量10％～20％，比以往用微硅和/或超细水泥稳定体系时加量小的多，可以使用更多的水泥组分，既有利于水泥石早期强度的提高，又有利于保证水泥石的最终强度更高，提高油气井的寿命；与使用高分子聚合物作稳定剂比，本发明由于主要是无机物粉体，对温度不敏感，不会发生温度升高而降低悬浮稳定性的现象。
(3)本发明稳定剂具有良好的可操作性，易均匀分散于水泥浆中，在满足固井所需的各项工程性能前提下，与其它外加剂配伍性好，适应性强，克服了以往方法中存在的超低密度水泥浆悬浮稳定性调整困难和施工条件下不易保证设计性能的问题。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
将质量百分比为50％的亚纳米二氧化硅粉、45％的微米无定型二氧化硅粉和5％的微米沥青粉混合形成适合低温超低密度水泥浆稳定剂。其中，亚纳米二氧化硅粉中含二氧化硅97％，中值粒径小于265nm；微米无定型二氧化硅粉中含二氧化硅88％，中值粒径小于14μm；微米沥青粉含量为86％，软化点35℃，中值粒径小于23μm。得到密度为2.40g/cm3的适合低温井固井的超低密度水泥浆稳定剂。
实施例2：
将质量百分比为52％的亚纳米二氧化硅粉、40％的微米无定型二氧化硅粉和8％的微米沥青粉混合形成适合低温超低密度水泥浆稳定剂。其中，亚纳米二氧化硅粉中含二氧化硅97％，中值粒径小于265nm；微米无定型二氧化硅粉中含二氧化硅88％，中值粒径小于14μm；微米沥青粉含量为86％，软化点85℃，中值粒径小于35μm。得到密度为2.32g/cm3的适合中高温井固井的超低密度水泥浆稳定剂。
实施例3：
将质量百分比为45％的亚纳米二氧化硅粉、50％的微米无定型二氧化硅粉和5％的微米沥青粉混合形成适合低温超低密度水泥浆稳定剂。其中，亚纳米二氧化硅粉中含二氧化硅97％，中值粒径小于220nm；微米无定型二氧化硅粉中含二氧化硅88％，中值粒径小于25μm；微米沥青粉含量为86％，软化点120℃，中值粒径小于30μm。得到密度为2.41g/cm3的适合高温井固井的超低密度水泥浆稳定剂。
上述实施例获得的稳定剂，其密度为2.30g/cm3～2.45g/cm3，颜色呈灰色或深灰色，在密度0.96～1.25g/cm3超低密度水泥浆中按水泥质量的百分比加量10％～20％，配合油井水泥常规添加剂，获得的水泥浆沉降稳定性好，其密度差小于0.05g/cm3，适应30℃～150℃井下温度条件的固井。
对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进或变换都应属于本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，由以下组分按质量百分比组成：亚纳米二氧化硅45%~60%，微米无定型二氧化硅40%~55%，微米沥青粉5%~8%。
2.如权利要求1所述的一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，其特征在于，所述亚纳米二氧化硅，含二氧化硅不低于95质量%，中值粒径低于200nm~450nm。
3.如权利要求1所述的一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，其特征在于，所述微米无定型二氧化硅，含非晶态二氧化硅不低于85质量%，中值粒径低于10mm~30mm。
4.如权利要求1所述的一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，其特征在于，所述微米沥青粉，含沥青不低于85质量%，中值粒径低于20mm~50mm。
5.如权利要求4所述的一种适合低温至高温条件的超低密度水泥浆悬浮稳定剂，其特征在于，所述微米沥青粉，软化点30℃~130℃，根据使用温度条件选用相应软化点。
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