CN108658516B - 一种抗高温触变水泥浆体系及其制备方法 - Google Patents

一种抗高温触变水泥浆体系及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，包括如下重量份数的组份：水泥100份；触变剂1～4份；微硅8～13份；分散剂2～4份；缓凝剂2～3份；降失水剂2～3份；氢氧化钠0.1～0.25份；消泡剂0.5～1份；180目硅砂30～35份；80目硅砂15～20份；水53～60份。本发明的水泥体系具有以下特点：(1)高温条件下触变性能良好且停机开启后内部结构易于破坏；(2)具有良好的强度特性，满足固井施工强度要求；(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)节约作业时间与成本，为易漏失、易窜流地层固井提供技术支持。

Description

一种抗高温触变水泥浆体系及其制备方法
技术领域
本发明开发一种耐高温触变防窜剂及包含它的抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，适用于高温高压产层固井作业，属于油气井固井材料领域。
背景技术
随着现代化的发展，全球对于能源的需求日益增加，在石油可采、易采储量不断减少的情况下，油田勘探开发已向海洋、复杂地层、深井以及超深井方面发展。我国西部油田、南方海相等的油气藏基本处于6000米左右的地层，井底温度随井深的增加迅速提高，给固井工程带来了许多问题，由于深井目的层埋藏深，井深大多在3500米以上，而且压力层系多，井身结构比较复杂，而这类储层的开采在固井过程中一般具有以下难点：①井底温度高。如顺南地区下部地温梯度一般在2.30-2.50之间，温度范围170℃-190℃，为高温气藏。而高温易使功能外加剂失效并导致水泥石强度衰退，水泥浆流变性和稳定性发生改变，水泥浆黏度下降，气窜阻力减小，易导致气窜发生，防气窜困难。②气层压力高，安全窗口窄，在钻遇高压气层的井眼内，同时存在低压易漏甚至缝洞型的严重漏失层，要压稳高压气层，就有压漏低压层的危险，如川东北地区海相储层多为碳酸盐岩裂缝型气藏，其中河坝1井在进入下三叠统飞仙关组飞三段后,多次发生井涌、井漏，不压井时发生气侵，压井时又产生井漏，又如顺南地区碳酸盐岩气藏多为裂缝溶洞型，水泥浆密度过高会导致缝洞型储层严重漏失，如采用低密度水泥浆会出现井内液柱压力低进而导致气窜的发生，直接影响水泥石胶结强度，引起封固质量的下降，最终引起套管的损害。综上，压稳和防漏矛盾十分突出，因此，如何有效防止气窜同时防止压漏地层成为目前勘探开发中亟待解决的问题之一。
为了解决这一问题，国内外已经对此开展了大量的研究工作。目前国内外使用较多的抗高温防气窜水泥浆体系是胶乳和液硅，但液硅防气窜水泥浆体系报道很少，国内主要在川东北使用胶乳防气窜水泥浆体系固井施工较多，但井温超过170℃胶乳防气窜水泥浆体系使用案例微乎其微。而触变水泥浆由于其良好的触变性，易充满漏失层，在泵送停止时其胶凝强度能很快发展，进而使气窜阻力增大，防止气窜的发生。同时也能够有效解决漏失井段封堵效果差的问题，而越来越受到人们的关注。
目前，油井水泥浆体系触变剂可分为无机和有机两类，无机类触变剂主要有黏土矿物类、硫酸盐类、金属碳酸盐或混合金属氢氧化物等，有机类触变剂主要包括交联聚合物类和合成聚合物类。交联聚合物类触变剂中常用的交联剂包括锆、钇、铁等高价过渡金属离子和间戊二酮、乳酸、三乙醇胺等钛螯合物。合成聚合物类主要包括丙烯酰胺单体的聚合物等。黏土矿物类触变水泥浆体系常存在触变性较弱的问题，不能很好地满足固井防止漏失等需求，且预水化后可能会造成水泥浆混拌困难，影响现场施工；硫酸盐类触变水泥浆主要通过硫酸钙水泥浆和硫酸铝与硫酸亚铁水泥浆。硫酸钙与硫酸铝均能反应生成钙铝钒，促进水泥颗粒之间的自然结合，从而形成网状或凝胶结构；当受到剪切作用时，形成的结构易被破坏，但是硫酸盐类触变剂只形成少量的网状或者凝胶结构，从而对水泥浆体系的触变性改善较小，水泥浆体系的触变性能有限；碱金属碳酸盐类触变水泥浆在混拌一定时间后才表现出较好的触变性，有利于保持前期注水泥良好的可泵性，但延迟触变时间可控性不强，不能很好地避免不同井深注水泥作业时由触变性带来的施工安全问题。用锆、钇等过渡金属元素作交联剂的触变性水泥浆体系以及用钛螯合物作交联剂的防漏失、防气窜触变性水泥浆体系可使水泥在短时间内获得高胶凝强度和高触变性，易在低密度水泥浆中获得触变性，但是此两类触变剂对温度较敏感，耐高温性能差；采用混合金属层状氢氧化物作交联剂的触变性水泥浆体系，该体系触变机理是改性纤维素被交联物可以通过羟基、羧基等与混合金属层状氢氧化物发生螯合，同时水泥胶粒发生缔合形成整体空间网络结构，同时网络结构受到剪切时发生破坏，该体系触变性较强，但是普遍存在失水量较高，同时在高温条件下，触变性能变差。
目前，国内触变防气窜水泥浆体系的研究主要是针对中常温的情况，而对于高温条件下的触变防气窜固井水泥浆体系研究甚少。为解决高温条件下的固井气窜问题，研制一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，针对深井高温高压产层，提供一种抗高温触变防气窜固井水泥体系。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，包括如下重量份数的组份：
水泥100份；
触变剂1～4份；
氢氧化钠0.1～0.25份
微硅8～13份；
分散剂2～4份；
缓凝剂2～3份
降失水剂2-3份
消泡剂0.5～1份；
180目硅砂30～35份，80目硅砂15～20份；
水53～60份。
进一步优选的，上述抗高温触变防气窜固井水泥浆体系中触变剂为2.1～3份。
优选的，所述触变剂由下述重量份的组份组成：黄原胶(纯度为99.5％)1份、魔芋胶(纯度为99％)0.1份、氯化钾1份；上述触变剂的组成中黄原胶、魔芋胶和氯化钾的重量比为10:1:10，即触变剂中黄原胶的重量占触变剂总量的10/21，魔芋胶的重量占触变剂总量的1/21，氯化钾的重量占触变剂总量的10/21。
优选的，所述微硅平均粒径在0.1～0.15μm。
优选的，所述分散剂为磺化醛酮缩聚物。
具体的，所述磺化醛酮缩聚物为通过酮、醛和亚硫酸盐在强碱添加下缩聚制成。
优选的，所述缓凝剂为次乙基羟基二膦酸及其盐。
优选的，所述降失水剂为乙烯基复合聚合物。
具体的，乙烯基复合聚合物为含磺酸基的乙烯基单体与丙烯酰胺等单体形成的共聚物优选的，
所述消泡剂为改性聚醚酯消泡剂。
具体的，改性聚醚酯是通过有机硅对聚醚酯进行改性而来。
根据堆积理论，降低复合体系孔隙率以及防止高温条件下水泥石强度衰退选择上述两种不同目数硅砂。
本发明还提供上述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法，包括以下步骤：(1)按配方称取所需黄原胶、魔芋胶、氢氧化钠、自来水，搅拌，配置成溶液，向上述溶液中加入配方量的降失水剂，室温下静止3小时，再加入配方量的缓凝剂、消泡剂、氯化钾，得到混合液；(2)称取配方量的水泥、微硅、分散剂进行干混；(3)将步骤(2)中干混后的体系与步骤(1)中所得混合液进行配浆。
本发明的有益效果：(1)高温条件下触变性能良好且停机开启后内部结构易于破坏；(2)该体系具有良好的强度特性，满足固井施工强度要求。(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)该体系可以解决高温高压产层以及薄弱地层的固井，能够节约作业时间与成本，为易漏失、易窜流地层固井提供技术支持。
具体实施方式
下面和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
制备方法：将油井水泥与水按照GB 19139-2003油井水泥试验方法配制水泥浆。
采用稠度增值法对水泥浆高温触变性能进行评价。
稠度增值法-利用增压稠化仪，在水泥浆稠化时间范围内，测其不同停机时间(10min、20min、30min等依次递加)启动时的稠度以及稳定时的稠度，利用启动后与停机前稠度的差值来表征触变性的优劣。由于不加触变剂的水泥浆停泵一段时间稠度也会增加，因此需要用加与不加触变剂两种开启停泵后的稠度差值来判断触变的存在性。
实施例所用原料：
分散剂：磺化醛酮缩聚物，商品型号为SCD，德州大陆架石油工程技术有限公司生产；
缓凝剂：次乙基羟基二膦酸及其盐，商品型号为DZH-3，德州大陆架石油工程技术有限公司生产。
降失水剂：乙烯基复合聚合物，商品型号为D400-I，青岛德泰石油科技有限责任公司生产。
消泡剂：改性聚醚酯消泡剂，商品型号为DZX，德州大陆架石油工程技术有限公司生产。
实施例1
稠度增值实验测试温度：90℃
抗高温触变防气窜水泥体系水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)12g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)15g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)12g，消泡剂(改性聚醚酯)3g，氢氧化钠1g，氯化钾6g，魔芋胶0.6g，黄原胶6g，硅砂(80目90g、180目210g)，水318g。
抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法：
(1)称取上述重量的黄原胶、魔芋胶、氢氧化钠、自来水，搅拌，配置成溶液，向上述溶液中加入配方量的降失水剂(乙烯基复合聚合物)，室温下静止3小时，再加入配方量的缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)、消泡剂(改性聚醚酯)、氯化钾，得到混合液；(2)称取配方量的水泥、微硅、分散剂(甲醛、丙酮、亚硫酸钠等缩聚物)进行干混；(3)将步骤(2)中干混后的体系与步骤(1)中所得混合液按照标准进行配浆。既得抗高温触变防气窜水泥体系。
实施例2
稠度增值实验测试温度：90℃
抗高温触变防气窜水泥体系水泥浆配方：水泥600g，微硅48g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)12g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)12g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)24g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，氢氧化钠0.6g，氯化钾7.5g，魔芋胶0.75g，黄原胶7.5g，硅砂(80目90g、180目210g)，水348g。
抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备。
实施例3
稠度增值实验测试温度：110℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅78g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)15g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)18g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)24g，消泡剂(改性聚醚酯)3g，氢氧化钠1g，氯化钾6g，氢魔芋胶0.6g，黄原胶6g，硅砂(80目90g、180目210g)，水348g。
制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备
实施例4
稠度增值实验测试温度：110℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)18g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)24g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，氢氧化钠1g，氯化钾7.5g，魔芋胶0.75g，黄原胶7.5g，硅砂(80目90g、180目210g)，水348g。
制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备
实施例5
稠度增值实验测试温度：130℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)18g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)12g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)24g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，氢氧化钠1.5g，氯化钾6g，魔芋胶0.6g，黄原胶6g，硅砂(80目90g、180目210g)，水348g。
制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备
实施例6
稠度增值实验测试温度：130℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)18g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)15g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)24g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，氢氧化钠0.6g，氯化钾7.5g，魔芋胶0.75g，黄原胶7.5g，硅砂(80目120g、180目180g)，水360g。
制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备。
实施例7
稠度增值实验测试温度：150℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)18g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)15g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)21g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，氢氧化钠1g，氯化钾7.5g，魔芋胶0.75g，黄原胶7.5g，硅砂(80目120g、180目180g)，水360g。
制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备。
实施例8
稠度增值实验测试温度：150℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐)18g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)15g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)21g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，氢氧化钠1.5g，氯化钾9g，魔芋胶0.9g，黄原胶9g，硅砂(80目90g、180目210g)，水348g。
制备方法：按照实施例1所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法来制备。
对比例
稠度增值实验稠度增值实验测试温度：150℃
水泥浆配方：水泥600g，微硅60g，缓凝剂(次乙基羟基二膦酸及其盐12g，降失水剂(乙烯基复合聚合物)15g，分散剂(磺化醛酮缩聚物)24g，消泡剂(改性聚醚酯)6g，硅砂(80目90g、180目210g)，氢氧化钠1g，水348g。
制备方法：首先称取缓凝剂、降失水剂、消泡剂、氯化钾、氢氧化钠、自来水配置成溶液，后称取水泥、微硅、分散剂进行干混，然后将干混后的体系与溶液按照标准进行浆。
测试了实施例1～8及对比例所得水泥浆稠化增值数据，测试结果如表1～9所示。
表1实施例1所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 5.7 16.6 7.7 10.9
20 7.7 35.9 10.9 28.2
30 10.9 ＞70 16.5 /
表2实施例2所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 8 38.8 10.7 30.8
20 10.7 ＞70 14.5 /
30 / / / /
表3实施例3所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 13.9 23.6 16.5 9.7
20 16.5 47.6 20.6 31.1
30 20.6 ＞70 / /
表4实施例4所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 14.3 41.3 16.1 27
20 16.1 ＞70 / /
30 / / / /
表5实施例5所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 14.1 26.8 15.4 12.7
20 15.4 ＞70 18.2 /
30 18.2 ＞70 18.7 /
表6实施例6所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 15.6 ＞70 16.1 /
20 16.1 ＞70 20.4 /
30 / / / /
表7实施例7所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 12.8 51.7 18.1 38.9
20 18.1 ＞70 14.7 /
30 / / / /
表8实施例8所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 12.7 ＞70 / /
20 / / / /
30 / / / /
表9对比例所得水泥浆稠化增值数据
停机时间(min) 停机稠度(BC) 开启稠度(BC) 稳定稠度(BC) 差值
10 12.3 14.6 12.3 2.3
20 12.3 13.1 12.1 0.8
30 12.1 14.2 13.2 2.1
高温触变水泥浆常规性能见表10：
表10抗高温触变水泥浆常规性能
Figure GDA0001764412300000081
由表9可知，未添加触变剂，水泥浆经过停机后稠度增加很少，而表1至表8为添加触变剂的稠度增值数据，可以看出不同温度下稠度增加都较明显甚至达到>70，并且在一定的停机时间内，经过开启后，浆体稠度可以逐渐恢复到停机水平，这表明着在停机时间内浆体内部形成网络结构，开启后网络结构遭到剪切破坏，表明上述水泥浆具有优异的抗高温触变性。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，其特征在于，包括如下重量份数的组份：
水泥 100份；
触变剂 2.1份；
氢氧化钠 0.1～0.25份；
微硅 8～13份；
分散剂 1 .5～2.5份；
缓凝剂 1～2份
降失水剂 3～5份
消泡剂 0.5～1份，
180目硅砂 30～35份，80目硅砂 15～20份；
水 53～60份；
所述触变剂由下述重量份的组份组成：黄原胶1份、魔芋胶0.1份、氯化钾1份；
所述微硅平均粒径在0.1～0.15μm。
2.根据权利要求1所述的一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，其特征在于，所述分散剂为磺化醛酮缩聚物。
3.根据权利要求1所述的一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，其特征在于，所述缓凝剂为次乙基羟基二膦酸及其盐。
4.根据权利要求1所述的一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，其特征在于，所述降失水剂为乙烯基复合聚合物。
5.根据权利要求1所述的一种抗高温触变防气窜固井水泥浆体系，其特征在于，所述消泡剂为改性聚醚酯消泡剂。
6.权利要求1～5所述抗高温触变防气窜水泥体系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按配方称取所需黄原胶、魔芋胶、氢氧化钠、自来水，搅拌，配置成溶液，向上述溶液中加入配方量的降失水剂，室温下静止3小时，再加入配方量的缓凝剂、消泡剂、氯化钾得到混合液；(2)称取配方量的水泥、微硅、分散剂进行干混；(3)将步骤(2)中干混后的体系与步骤(1)中所得混合液进行配浆。
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