CN109761547A

CN109761547A - 一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系

Info

Publication number: CN109761547A
Application number: CN201910113067.9A
Authority: CN
Inventors: 张良万; 彭小平; 何吉标; 刘俊君; 屈勇; 张家瑞; 卞江
Original assignee: Sinopec Oilfield Service Corp; Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co Ltd; Shale Gas Mining Technology Service Co Ltd of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co Ltd
Current assignee: Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co ltd Shale Gas Extraction Technology Service Co; China Petrochemical Corp; Sinopec Oilfield Service Corp; Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2019-05-17

Abstract

本发明涉及一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其包括以下重量份计的原料：油井水泥100份，淡水43‑46份，弹韧剂2‑4份，防窜剂1‑2份，降失水剂1‑3份，分散剂0.4‑0.6份，膨胀剂1‑1.5份，缓凝剂0.5‑2.0份，消泡剂0.1‑0.5份，所述弹韧剂为比表面积≥7m²/g、体积压缩率≥5％的橡胶纤维或所述橡胶纤维与橡胶颗粒的混合物。本发明所述固井水泥浆体系的稠化防窜性能、弹韧性等综合性能优异可在水泥环承受分段压裂交变载荷作用下有效实现水泥环与套管的同步变形，保证页岩气水平井在后期储层改造和试气生产作业过程中的井筒密封长期完整性，有效预防套管环空带压现象的出现，为页岩气水平井长期生产和大规模压裂提供有效保证。

Description

一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系

技术领域

本发明涉及非常规油气钻完井工程固井技术领域，更具体地说，涉及一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系。

背景技术

水平井大型分段压裂是目前实现页岩气商业性开发的关键技术。采用水平井采用大型分段压裂技术开采页岩气，有利于降低成本和增加产量，但是对固井水泥石的性能要求则较高。由于井筒承受高频次的高压载荷交变作用，而水泥石具有天然的脆性使得井筒水泥环变形能力有限，当对井筒进行加压时井筒水泥环受形变能力限制，易在水泥环界面及本体上形成微裂缝或微环隙；由于该过程不可逆，当水泥环破裂达到一定程度时，出现层间窜通，形成油气水窜流通道，严重时出现套管环空带压，从而制约着页岩气的安全生产和高效勘探开发的发展。

国内外研究表明，通过降低固井水泥石弹性模量和增大泊松比，可有效减小水泥环所受的等效应力，有利于保持水泥环对井筒环空的长期密封完整性。目前页岩气固井施工中所采用的水泥浆体系主要靠加入橡胶颗粒或胶乳粉来提高水泥石的弹性，但橡胶颗粒或胶乳粉本身与水泥浆相容性不好，弹韧性改善也不明显。中国专利公开号为CN105038743A提供一种适用于页岩气固井的高密度水泥浆，其原料中的弹塑剂以膨化处理的橡胶粉为原料、短纤维及云母片为增韧材料制成，通过添加弹塑剂降低固井水泥浆的弹性模量。该专利申请中的弹塑剂同样存在与水泥浆相容性不佳从而对弹韧性改善不明显的问题，故现有技术具有较大的改进空间。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提出一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其在承受分段压裂交变载荷作用下能有效实现水泥环与套管的同步变形，保证页岩气水平井在后期储层改造和试气生产作业过程中的井筒密封长期完整性，有效预防套管环空带压。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，包括以下重量份计的原料：油井水泥100份，淡水43-46份，弹韧剂2-4份，防窜剂1-2份，降失水剂1-3份，分散剂0.4-0.6份，膨胀剂1-1.5份，缓凝剂0.5-2.0份，消泡剂0.1-0.5份；所述弹韧剂为比表面积≥7m²/g、体积压缩率≥5％的橡胶纤维或所述橡胶纤维与橡胶颗粒的混合物。

根据以上方案，所述橡胶纤维的制备方法为将软乳聚丁苯橡胶颗粒进行高压研磨预处理，以30-35wt％硅酸钠和10-15wt％氢氧化钠为复合表面改性剂，使其呈“微多孔”纤维状，然后通过将高强度针状矿物惰性材料嵌入到橡胶裂缝中。本发明将橡胶颗粒经过表面改性增大其比表面积，从而具有较强的亲水性，使所得橡胶纤维在水泥浆混合体系中易于分散融合，有利于水泥石的整体密封；经过在橡胶纤维中镶嵌高强度针状矿物惰性材料增强体积压缩能力，有利于实现水泥石在应力载荷作用下的弹性变形。

根据以上方案，所述防窜剂为分子量10-15万、醇解度86-88％的聚乙烯醇。所述防窜剂具有良好的水溶性，同时还具有良好的成膜性、粘接力和乳化性，其与橡胶纤维具有良好的相容性，两者协同提高水泥浆稳定性、降低失水量，从而有效提高固井水泥浆体系的防窜性。

根据以上方案，所述降失水剂为分子量为1500-2000万、1.0wt％溶液表观粘度为40-65mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物。

根据以上方案，所述分散剂为磺化醛酮缩聚物；所述膨胀剂为硫铝酸盐与方镁石混合物，粒径为300-500目；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述的消泡剂为聚乙烯醚类。

根据以上方案，所述的油井水泥为G级油井水泥，比表面积不小于300m²/kg、平均粒径5um-15um，80um筛孔筛余不超过10％。

根据以上方案，所述固井水泥浆体系的制备方法，其包括如下步骤：

(1)在室温条件下，按照油井水泥、弹韧剂、防窜剂、降失水剂、分散剂和膨胀剂的顺序依次添加混合，每添加一种原料需搅拌均匀后再添加下一种原料，混合均匀后得配浆灰备用；

(2)按照淡水、缓凝剂、消泡剂的顺序依次添加到浆杯中，每添加一种原料需搅拌均匀后再添加下一种原料，混合均匀后得配浆药品水备用；

(3)在搅拌速度为3000-4000RPM的条件下，将所述配浆灰在10-15s内加入所述配浆药品水中搅拌混合均匀，然后将搅拌速度调高至10000-12000RPM搅拌30-35s即可。

本发明的有益效果在于：

1、本发明水泥浆体系配制简单，外加剂之间相容性良好，稠化时间在120-420min内任意可调，转化过渡时间在10分钟以内，“SPN”值≤2，具有优良的稠化防窜性能；

2、本发明水泥浆体系所添加的弹韧剂比表面积大、体积压缩能力强且与水泥浆具有良好的相容性，从而使得在添加较少量的弹韧剂的情况下亦能使水泥石弹性模量改善明显，弹性模量低于5GPa，使得水泥环具有较高的抗冲击性和韧性，有利于实现水泥环与套管的同步变形；

3、本发明制备的水泥石抗交变载荷30次未破，具有良好的抗疲劳损伤能力，保证页岩气水平井在后期储层改造和试气生产作业过程中的井筒密封长期完整性，可有效预防套管环空带压；

4、本发明通过对油井水泥、膨胀剂的粒径进行限定，两者与橡胶纤维协同提高水泥浆体系的致密度，从而进一步提高抗压强度。

附图说明

图1是本发明所述适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系的稠化曲线；

图2是本发明所述适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系的三轴测试曲线；

图3是本发明所述适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系的循环加载曲线；

图4是本发明所述适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系的微观形貌图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，由以下原料制成：油井水泥800g，淡水348g，弹韧剂16g，防窜剂8g，降失水剂16g，分散剂3.2g，膨胀剂8g，缓凝剂4g，消泡剂0.8g。

所述油井水泥为G级油井水泥，比表面积不小于300m²/kg、平均粒径5um-15um，80um筛孔筛余不超过10％；所述弹韧剂为比表面积≥7m²/g、体积压缩率≥5％的橡胶纤维，所述橡胶纤维的制备方法为将软乳聚丁苯橡胶颗粒进行高压研磨预处理，以30wt％硅酸钠和10wt％氢氧化钠为复合表面改性剂，使其呈“微多孔”纤维状，然后通过将高强度针状矿物惰性材料嵌入到橡胶裂缝；所述防窜剂为分子量10万、醇解度86％的聚乙烯醇；所述降失水剂为分子量为1500万、1.0％溶液表观粘度为40mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；所述分散剂为磺化聚苯乙烯类聚合物；所述膨胀剂为硫铝酸盐与方镁石混合物，粒径为300目；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述消泡剂为聚乙烯醚。

所述防窜剂以甲醇为醇解试剂，20-35％物质的量的氢氧化钠为催化剂醇解聚醋酸乙烯酯而得；所述降失水剂由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和过硫酸铵-亚硫酸氢钠按照0.2-0.4:1:0.002-0.003的摩尔比在氢氧化钠饱和溶液里进行反应得到。

所述适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)在室温条件下，按照油井水泥、弹韧剂、防窜剂、降失水剂、分散剂和膨胀剂的顺序依次添加混合，每添加一种物料需搅拌均匀后再添加下一种物料，混合均匀后得配浆灰备用；

(2)按照淡水、缓凝剂、消泡剂的顺序依次添加到浆杯中，每添加一种物料需搅拌均匀后再添加下一种物料，混合均匀后得配浆药品水备用；

实施例2

一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，由以下原料制成：油井水泥800g，淡水350g，弹韧剂24g，防窜剂12g，降失水剂20g，分散剂4g，膨胀剂10g，缓凝剂5g，消泡剂1.0g。

所述油井水泥为G级油井水泥，比表面积不小于300m²/kg、平均粒径5um-15um，80um筛孔筛余不超过10％；所述弹韧剂为比表面积≥7m²/g、体积压缩率≥5％的橡胶纤维，所述橡胶纤维的制备方法为将软乳聚丁苯橡胶颗粒进行高压研磨预处理，以32wt％硅酸钠和12wt％氢氧化钠为复合表面改性剂，使其呈“微多孔”纤维状，然后通过将高强度针状矿物惰性材料嵌入到橡胶裂缝；所述防窜剂为分子量13万、醇解度87％的聚乙烯醇；所述降失水剂为分子量为1800万、1.0％溶液表观粘度为50mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；所述分散剂为磺化聚苯乙烯类聚合物；所述膨胀剂为硫铝酸盐与方镁石混合物，粒径为400目；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述消泡剂为聚乙烯醚。

制备方法同实施例1。

实施例3

一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，由以下重量份计的原料制成：油井水泥800g，淡水352g，弹韧剂32g，防窜剂16g，降失水剂24g，分散剂4.8g，膨胀剂12g，缓凝剂6g，消泡剂1.2g。

所述油井水泥为G级油井水泥，比表面积不小于300m²/kg、平均粒径5um-15um，80um筛孔筛余不超过10％；所述弹韧剂为比表面积≥7m²/g、体积压缩率≥5％的橡胶纤维和橡胶颗粒的混合物，所述橡胶纤维的制备方法为将软乳聚丁苯橡胶颗粒进行高压研磨预处理，以35wt％硅酸钠和15wt％氢氧化钠为复合表面改性剂，使其呈“微多孔”纤维状，然后通过将高强度针状矿物惰性材料嵌入到橡胶裂缝；所述防窜剂为分子量15万、醇解度88％的聚乙烯醇；所述降失水剂为分子量为2000万、1.0％溶液表观粘度为65mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物；所述分散剂为磺化聚苯乙烯类聚合物；所述膨胀剂为硫铝酸盐与方镁石混合物，粒径为500目；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述消泡剂为聚乙烯醚。

制备方法同实施例1。

对比例1

所述油井水泥为G级油井水泥，比表面积200m²/kg、平均粒径25um；所述弹韧剂为橡胶颗粒；所述防窜剂为聚苯乙烯丁二烯；所述降失水剂为聚丙烯酰胺共聚物；所述分散剂为磺化聚苯乙烯类聚合物；所述膨胀剂为硫铝酸盐；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述消泡剂为聚乙烯醚。

制备方法同实施例1。

将本发明实施例所得固井水泥浆体系按照石油行业标准的测试方法对其性能进行测试，测试结果如下表1。

表1

其中，水泥浆的稠化时间、失水量、抗压强度测定按照油井水泥应用性能试验方法SY/T5546-1992执行；其他水泥浆性能要求按照油井水泥浆性能要求SY/T6544-2003执行。

由上述表1的测试数据可见，本发明所述适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系具有失水量低，强度高、稠化防窜能力突出、优异的弹韧性和疲劳寿命、配方组成及现场施工简单等特性，可在水泥环承受分段压裂交变载荷作用下有效实现水泥环与套管的同步变形，保证页岩气水平井在后期储层改造和试气生产作业过程中的井筒密封长期完整性，有效预防套管环空带压。

本发明将实施例2所得固井水泥浆体系分别进行稠度变化测试、三轴测试、循环加载测试，并对其微观形貌进行观察。稠度变化测试的结果见图1所述稠化曲线，其表明实施例2所得固井水泥浆体系具有初始稠度低、稠化性能稳定、过渡时间短的优良性能；三轴测试的结果见图2所述三轴测试曲线，其表明实施例2所得固井水泥浆体系水泥石具有优良弹韧性能，可实现水泥环与套管的同步变形；循环加载测试的结果见图3所述循环加载曲线，其表明实施例2所得固井水泥浆体系水泥石具有优良的循环加载疲劳寿命，能保证页岩气水平井在后期储层改造和试气生产作业过程中的井筒密封长期完整性；图4为本发明所述固井水泥浆体系的微观形貌图，该图可见实施例2所得固井水泥浆体系橡胶纤维穿插其中，水泥石晶体发育致密。

同样的，对实施例1、3也做了相应的稠度变化测试、三轴测试、循环加载测试，测试结果与实施例2的结果无明显差别，故在此不作敷述。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims

1.一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，包括以下重量份计的原料：油井水泥100份，淡水43-46份，弹韧剂2-4份，防窜剂1-2份，降失水剂1-3份，分散剂0.4-0.6份，膨胀剂1-1.5份，缓凝剂0.5-2.0份，消泡剂0.1-0.5份；所述弹韧剂为比表面积≥7m²/g、体积压缩率≥5%的橡胶纤维或所述橡胶纤维与橡胶颗粒的混合物。

2.根据权利要求1所述一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其特征在于，所述橡胶纤维的制备方法为将软乳聚丁苯橡胶颗粒进行高压研磨预处理，以30-35wt%硅酸钠和10-15wt%氢氧化钠为复合表面改性剂，使其呈“微多孔”纤维状，然后将高强度针状矿物惰性材料嵌入到橡胶裂缝中。

3.根据权利要求1所述一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其特征在于，所述防窜剂为分子量10-15万、醇解度86-88%的聚乙烯醇。

4.根据权利要求1所述一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其特征在于，所述降失水剂为分子量为1500-2000万、1.0wt%溶液表观粘度为40-65mPa.s的丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物。

5.根据权利要求1所述一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其特征在于，所述分散剂为磺化醛酮缩聚物；所述膨胀剂为硫铝酸盐与方镁石混合物，粒径为300-500目；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠；所述的消泡剂为聚乙烯醚类。

6.根据权利要求1所述一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其特征在于，所述的油井水泥为G级油井水泥，比表面积不小于300m²/kg、平均粒径5um-15um，80um筛孔筛余不超过10%。

7.根据权利要求1所述一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：

（1）在室温条件下，按照油井水泥、弹韧剂、防窜剂、降失水剂、分散剂和膨胀剂的顺序依次添加混合，每添加一种原料需搅拌均匀后再添加下一种原料，混合均匀后得配浆灰备用；

（2）按照淡水、缓凝剂、消泡剂的顺序依次添加到浆杯中，每添加一种原料需搅拌均匀后再添加下一种原料，混合均匀后得配浆药品水备用；

（3）在搅拌速度为3000-4000RPM的条件下，将所述配浆灰在10-15s内加入所述配浆药品水中搅拌混合均匀，然后将搅拌速度调高至10000-12000RPM搅拌30-35s即可。