CN110204236B - 一种油井水泥用胶凝调节剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油井水泥用胶凝调节剂，由硅粉、硅酸钠、硫酸盐和硼砂Na2B4O7·10H2O四种原料复配制得，各组分的重量百分比：硅粉20％～35％、硅酸钠25％～35％、硫酸盐15％～20％、硼砂Na2B4O7·10H2O 20％～30％。该油井水泥用胶凝调节剂，能够保证AMPS类聚合物降失水剂在120℃‑150℃温度区间内稠化曲线正常，并对AMPS类水泥浆体系的其他综合性能不产生特别影响，满足高温、高含盐等复杂地层的固井施工要求。

Description

一种油井水泥用胶凝调节剂
技术领域
本发明涉及油气田开发过程钻完井及固井领域内的油井水泥外加剂，特别涉及一种油井水泥用胶凝调节剂。
背景技术
深井、超深井、老油田、低渗透油藏以及非常规油气资源的开采是国内油气田未来开发的主攻方向，由于“深”、“老”、“低”、“非”油气田的地质、地层条件复杂，大都具有钻完井工艺和开采难度大的共同特点。特别是深井和超深井的钻探数量日益增加，与之配套的油井水泥浆性能要求将变得极为苛刻，高温高含盐是油井水泥外加剂发挥其最优性能作用的最大障碍，国内外研究人员针对高温高含盐的苛刻条件制备了抗高温、耐盐的一系列外加剂，包括降失水剂、缓凝剂、减阻剂等，应用于高温高含盐深井的水泥外加剂多数是基于AMPS类的一些共聚物，通过调整共聚物的单体种类、配比和实验条件即可合成不同功能的水泥外加剂。AMPS类共聚物在120-150℃之间存在温敏现象，其溶液表观粘度急剧增大，体现在水泥浆中则是在此温度区间内水泥浆稠度急剧升高、稠度线性突变值甚至超过20Bc，从稠化曲线上能明显看出“鼓包”、“台阶”等异常现象，同时，在稠度达到100Bc后，能看到凝固水泥内部出现缠绕在搅拌桨轴部的胶冻状水泥浆，给施工带来了极大安全隐患。
吕斌在公开号为CN106008844A的专利《一种强抑制性中高温油井水泥缓凝剂及其制备方法》以及2017年第5期《钻井液与完井液》发表的可抑制稠化异常的新型油井水泥缓凝剂的研究一文借助医药及微电子领域高效化学剂的研发思路，采用接枝共聚法制备了含有支链结构、抑制性强的聚合物类中高温油井水泥缓凝剂DR150。其在具有可靠的耐温、延时功效基础上，初始稠度低、稠化时间可调、加量敏感度小，还可有效地抑制“包心”等异常胶凝现象，对保证钻完井施工安全、提高油田开发效益具有重要的实际意义和应用价值。
段晓岩在2011年第5期《大庆石油学院学报》发表的聚羧酸类外加剂引起油井水泥浆异常胶凝现象分析一文中以及其学位论文《聚羧酸使油井水泥异常胶囊的机理研究》得出聚羧酸与水化硅酸钙、铝酸三钙发生交联反应，引起油井水泥浆异常胶凝，同时，油井水泥浆中硅和铝的质量分数升高会加重异常胶凝程度，并利用具有表面活性的小分子量的聚合物与油井水泥浆中的阳离子进行反应，控制油井水泥浆中阳离子交联的机会，加入特殊盐类改变油井水泥水化初期进程，破坏-O-Si-O-与聚羧酸的交联，解决了聚羧酸类外加剂引起油井水泥浆异常胶凝的问题。
目前，针对AMPS类水泥浆体系在高温条件下出现的稠化曲线异常现象，主要解决思路是开发不同种类的油井水泥缓凝剂，这些油井水泥缓凝剂多数还是AMPS类共聚物，但此类缓凝剂存在生产工艺复杂，对于大批量生产推广应用还存在一定难度。因此，迫切需要开发一种在不改变原有外加剂配方的基础上实现水泥浆的正常稠化的新型水泥外加剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，解决基于AMPS类聚合物降失水剂引起油井水泥浆在120℃-150℃范围内出现稠化曲线异常、稠化线形突变、“包心”的缺陷，影响固井施工安全的问题，提供一种油井水泥用胶凝调节剂，该油井水泥用胶凝调节剂，能够保证AMPS类聚合物降失水剂在120℃-150℃温度区间内稠化曲线正常，并对AMPS类水泥浆体系的其他综合性能不产生特别影响，满足高温、高含盐等复杂地层的固井施工要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种油井水泥用胶凝调节剂，由硅粉、硅酸钠、硫酸盐和硼砂Na2B4O7·10H2O四种原料复配制得，各组分的重量百分比：硅粉20％～35％、硅酸钠25％～35％、硫酸盐15％～20％、硼砂Na2B4O7·10H2O 20％～30％。
所述硅粉和硼砂Na2B4O7·10H2O为工业品级。
所述硫酸盐为工业品级的硫酸钠和工业品级的硫酸钾中的一种或两种的混合物。
所述硫酸钠与硫酸钾的重量比为20:80～75:25。
所述油井水泥用胶凝调节剂加量为水泥、硅粉和微硅质量之和的0.5％～1.0％。
本发明的有益效果是：
(1)能够解决AMPS类聚合物降失水剂或缓凝剂引起水泥浆在120-150℃温度范围内稠化曲线异常、“包心”、“鼓包”等问题，保证稠化曲线正常。
(2)打破了AMPS类降失水剂、缓凝剂在高温水泥浆体系中的应用限制。
(3)油井水泥用胶凝调节剂对120℃-150℃温度范围内的水泥浆初始稠度、水泥浆稠化时间和水泥石抗压强度等综合性能无不良影响，满足固井工程施工要求。
(4)油井水泥用胶凝调节剂具有加量小、原料采购方便和生产加工成本低的优势。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
下面实施例制备的油井水泥用胶凝调节剂用来配制水泥浆。
实施例1
按重量百分数称取25％的硅粉，30％的硅酸钠，18％的硫酸钠和27％的硼砂，在研钵中混合均匀并研磨成粉末，得到油井水泥用胶凝调节剂。
实施例2
按重量百分数称取20％的硅粉，35％的硅酸钠，8％的硫酸钠，12％的硫酸钾和25％的硼砂，在研钵中混合均匀并研磨成粉末，得到油井水泥用胶凝调节剂。
实施例3
按重量百分数称取30％的硅粉，25％的硅酸钠，20％的硫酸钾和25％的硼砂，在研钵中混合均匀并研磨成粉末，得到油井水泥用胶凝调节剂。
实施例4
按重量百分数称取35％的硅粉，27％的硅酸钠，12％的硫酸钠，6％的硫酸钾和20％的硼砂，在研钵中混合均匀并研磨成粉末，得到油井水泥用胶凝调节剂。
油井水泥用胶凝调节剂应用效果评价。
实验进行了水泥浆基础配方体系的稠化实验和在水泥浆基础配方体系中加入由实施例1～4所制得的油井水泥用胶凝调节剂所配制的水泥浆体系的稠化实验。其中，配制的水泥浆体系基础配方为：胜潍G级油井水泥+硅粉+微硅+降失水剂BH-F201L+缓凝剂(BH-R101L和HX-36L，二选一)+消泡剂+水。所配制的水泥浆体系水灰比为0.44，密度为1.88g/cm3。其中120～130℃的实验条件下缓凝剂BH-R101L和缓凝剂HX-36L加量均为1.0％(胜潍G级油井水泥重量比)，140～150℃的实验条件下缓凝剂BH-R101L和缓凝剂HX-36L加量均为2.0％(胜潍G级油井水泥重量比)。120～150℃的实验条件下加入的由实施例1～4制得的油井水泥用胶凝调节剂均为1.0％(胜潍G级油井水泥、硅粉和微硅重量之和百分比)。
Figure BDA0002094729060000041
如表1所示，未加入本发明的胶凝调节剂的水泥浆体系在120-150℃范围内的稠化线形都有不同程度的异常，稠化线形表现为鼓包、稠度突变值大、初始稠度高和包心等，在水泥浆体系中加入本发明的胶凝调节剂后，水泥浆稠化线形正常，加入本发明的胶凝调节剂对水泥浆体系稠化时间无不良影响，水泥浆体系稠化时间未出现大幅延长或缩短情况，稠化时间波动范围满足固井施工要求。
水泥浆外加剂之间的配伍性良好是保证水泥浆体系性能稳定的前提，实验测试了由水泥浆基础配方养护24h后的水泥石强度，以及在水泥浆基础配方中加入由本发明所制得的油井水泥用胶凝调节剂所制备的水泥浆养护24h后的水泥石强度。其中，配制的水泥浆体系基础配方为：胜潍G级油井水泥+硅粉+微硅+降失水剂BH-F201L+缓凝剂(BH-R101L和HX-36L，二选一)+消泡剂+水。所配制的水泥浆体系水灰比为0.44，密度为1.88g/cm3。其中120～130℃的实验条件下缓凝剂BH-R101L、缓凝剂HX-36L加量均为1.0％(胜潍G级油井水泥重量比)，140～150℃的实验条件下缓凝剂BH-R101L、缓凝剂HX-36L加量均为2.0％(胜潍G级油井水泥重量比)。120～150℃的实验条件下加入的由本发明所制得的油井水泥用胶凝调节剂均为1.0％(胜潍G级油井水泥、硅粉和微硅重量之和百分比)。制备上述水泥浆后，在双釜增压养护釜OWC-9490A中养护24h，然后在电子压力试验机上测试水泥石抗压强度。
表2水泥石的抗压强度
Figure BDA0002094729060000051
如表2所示，未加入胶凝调节剂和加入本发明制备的胶凝调节剂的水泥浆养护24后形成的水泥石在120-150℃范围内的抗压强度差值很小，无论是采用BH-R101L还是采用HX-36L缓凝剂，24h抗压强度均大于14MPa，满足固井施工要求。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种油井水泥用胶凝调节剂，其特征在于，由硅粉、硅酸钠、硫酸盐和硼砂Na2B4O7·10H2O四种原料复配制得，各组分的重量百分比：硅粉20％～35％、硅酸钠25％～35％、硫酸盐15％～20％、硼砂Na2B4O7·10H2O 20％～30％；所述硫酸盐为工业品级的硫酸钠和工业品级的硫酸钾中的一种或两种的混合物；所述油井水泥用胶凝调节剂加量为水泥和硅粉质量之和的0.5％～1.0％。
2.根据权利要求1所述油井水泥用胶凝调节剂，其特征在于，所述硅粉和硼砂Na2B4O7·10H2O为工业品级。
3.根据权利要求1所述油井水泥用胶凝调节剂，其特征在于，所述硫酸钠与硫酸钾的重量比为20:80～75:25。
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