CN110526637A - 一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋深水固井低温早强水泥浆体系，涉及油井固井材料技术领域。本发明的水泥浆体系其组分及质量分数为：油井水泥75份；低温固井水泥外掺料25份；空心玻璃微珠5‑15份；降失水剂0‑1.5份；分散剂1‑3份；缓凝剂0.2‑0.5份；消泡剂0‑0.3份；本发明的水泥浆体系，在低温下水泥石强度发展快、早期强度高，可以解决海洋深水固中井现有水泥浆体系的不足。

Description

一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系
技术领域
本发明涉及油气资源开发领域所使用的低温固井水泥浆体系,特别适用于海上油气田开发所面临的深水低温环境。更具体地说涉及一种海洋深水固井用低温早强水泥体系。
背景技术
我国海洋油气资源丰富，仅南海盆地群石油地质资源量约230~300亿吨，天然气总地质资源量约16万亿立方米，占我国油气资源总量的1/3，其中70%蕴藏于深海区域。海洋油气资源按照海域深浅可划分为浅海（水深不足500m）、深水（水深超过500m）和超深水（水深超过1500m）。在探明储量中，浅海占主导地位，但随着勘探开发技术的进步，勘探范围逐渐转向深海。
在海洋油气资源的开发过程中，固井是关键工程和难点工程。由于海底地层松软，普遍存在浅流层，海底的低温环境等不利因素都对固井作业提出挑战，加之海上油气田开发的成本高昂，浅海区域平均每天钻井综合作业费用约200~300万元，深水区则高达500万元。因此，海洋油气资源的有效利用需要一种适合海底环境的固井水泥浆体系，能在低温下水泥石的强度发展快、早期强度高，封固海底地层，为井口装置提供有效支撑。
针对海洋深水固井所面临的难题，国内研究人员开展了大量的工作，如专利CN10197317A公开了一种深水固井用硫铝酸盐水泥浆，其组分由硫铝酸盐水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂、促凝剂、混凝剂和水组成，在水泥浆密度1.50，3℃温度21MPa条件下养护24h，水泥石抗压强度为4.2MPa，在15℃温度下养护12h，水泥石抗压强度为3.1MPa。
专利CN104610948A公开一种深水固井防浅流层磷铝酸盐水泥浆，固井水泥为90%的磷铝酸盐水泥和10%的超细活性矿渣组成的调和水泥，在水泥浆密度为1.80，10℃温度21MPa条件下养护24h，水泥石抗压强度为7.8MPa。
专利CN106634899A公开一种液态胶体填充低温固井水泥体系，所述低温固井水泥由硅酸盐水泥100份、超细硅酸盐水泥80~120份、空心玻璃微珠10~30份、微硅10~20份、液态胶体8~12份、水120~150份组成，在水泥浆密度为1.65，7℃温度下养护24h，抗压强度为6.9MPa。
专利CN101054513A公开一种深水低温固井水泥浆体系，所述低温固井水泥的矿物组分和质量百分比为硅酸三钙23~45%、硫铝酸钙12~15%、硅酸二钙15~23%、石膏3~10%、碳酸钙4~8%，在使用过程中加入0~3%的促凝剂、0~1.2%的缓凝剂、15~45%的中空玻璃微珠，在4℃温度下养护12h，水泥石的抗压强度为4.8MPa。
对比现有技术，主要存在以下问题：（1）使用非硅酸盐水泥作为固井水泥，虽然具有较好的低温早期性能，但应用于海上固井时，受作业条件限制，容易与硅酸盐水泥发生混合，发生闪凝造成固井事故；（2）现有技术在本发明申请所使用的环境中，8h水泥石强度要〉3.5MPa的指标不一定能达到。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系。本发明的发明目的在于提供一种在低温下水泥石强度发展快、早期强度高的固井水泥浆体系，以解决海洋深水固井现有水泥浆体系的不足。
为解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：
一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：其组分及质量分数为：油井水泥75份；低温固井水泥外掺料25份；空心玻璃微珠5-15份；降失水剂0-1.5份；分散剂1-3份；缓凝剂0.2-0.5份；消泡剂0-0.3份；
所述低温固井水泥外掺料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%~30%；硬石膏30%~45%；沸石凝灰岩粉40%~50%；
所述煅烧明矾石粉具体是指：明矾石粉在1200℃温度下煅烧30min，待矿物熔融后取出急冷，再将煅烧后的明矾石粉磨至比表面积≥350m2/kg；
所述硬石膏粉的比表面积≥300m2/kg；所述沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m2/kg。
所述油井水泥为G级油井水泥。
所述空心玻璃微珠的密度在0.6-0.6g/cm3，40MPa压力下破损率<10%。
所述降失水剂为AMPS/AM共聚物类降失水剂。
所述分散剂是聚萘磺酸盐或木质素磺酸盐类分散剂。
所述缓凝剂为柠檬酸、葡萄碳酸或葡萄糖酸钠中的一种。
所述消泡剂为有机羟基化合物。
本发明中沸石凝灰岩粉的主要矿物为斜发沸石。
与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明的低温早强水泥浆体系相比于现有技术，水泥石强度达到3.5MPa的时间更短。本发明的外掺料之所以采用煅烧明矾石粉，是因为经过高温煅烧的明矾石急冷后，矿物组分中含有非晶态的铝氧化物，使得煅烧明矾石具有很强的水化活性，与硅酸盐水泥混合能很快反应生成水化硫铝酸钙，提高水泥石的早期强度。沸石凝灰岩是一种经天然煅烧形成的火山灰质铝硅酸盐矿物，含有活性的二氧化硅和三氧化二铝，能与水泥水化产物氢氧化钙反应，生成胶凝物质。本发明特点的选择比表面积≥310m2/kg的沸石凝灰岩粉，其具有很大的内表面和开放性结构，可以改善油井水泥的流变性。
2、本发明的低温早强水泥浆体系相比于现有技术，具有优异的低温早强性能，在8℃的环境温度下，水泥石养护8h抗压强度就能达到3.5MPa以上，实现有快速效封固海底地层，缩短水泥石的侯凝时间，降低海洋油气开发的成本。
3、本发明中外掺料与硅酸盐油井水泥配合使用时，通过外掺料中的活性的非晶态的铝氧化物、二氧化硅和三氧化二铝参与水化反应，促进了硅酸盐水泥的低温水化反应，使得硅酸盐水泥在较低的温度下也能获得较高的早期强度。
4、本发明的外掺料沸石凝灰岩具有很大的内表面和开放性结构，可以改善油井水泥的流动度。
附图说明
图1为G级油井水泥水化产物和G级油井水泥加掺合料水化产物XRD衍射谱图；
图2为G级油井水泥水化产物SEM微观结构图；
图3为G级油井水泥加掺合料水化产物SEM微观结构图。
具体实施方式
试验方法：
按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准制备水泥浆，并测定水泥浆的性能和水泥石的抗压强度，水灰比为44%。
实施例1
嘉华特种水泥股份有限公司生产的G级高抗油井水泥100份、嘉华特种水泥股份有限公司生产的低温固井水泥外掺料0份、中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠8份、乐山嘉华化工有限公司所生产的AMPS/AM共聚物类降失水剂1.5份、聚萘磺酸盐分散剂1.0份、缓凝剂柠檬酸0.5份、消泡剂0.2份。先将液态的有机羟基消泡剂加入水中配制成水溶液，按水灰比44%的比例称取水溶液加入搅拌机浆杯，在15±2S内均匀地加入干混后G级高抗油井水泥、低温固井水泥外掺料、空心玻璃微珠、降失水剂、分散剂、缓凝剂，对于添加空心玻璃微珠减轻材料的水泥浆，继续保持4000±200转/分速率搅拌至50S后制浆完成，按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》检测水泥浆的性能。
实施例2
嘉华特种水泥股份有限公司生产的G级高抗油井水泥75份、嘉华特种水泥股份有限公司生产的低温固井水泥外掺料25份、中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠8份、乐山嘉华化工有限公司所生产的AMPS/AM共聚物类降失水剂1.5份、聚萘磺酸盐分散剂1.0份、缓凝剂柠檬酸0.5份、消泡剂0.2份。先将液态的有机羟基消泡剂加入水中配制成水溶液，按水灰比44%的比例称取水溶液加入搅拌机浆杯，在15±2S内均匀地加入干混后G级高抗油井水泥、低温固井水泥外掺料、空心玻璃微珠、降失水剂、分散剂、缓凝剂，对于添加空心玻璃微珠减轻材料的水泥浆，继续保持4000±200转/分速率搅拌至50S后制浆完成，按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》检测水泥浆的性能。
实施例3
嘉华特种水泥股份有限公司生产的G级高抗油井水泥75份、嘉华特种水泥股份有限公司生产的低温固井水泥外掺料25份、中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠10份、乐山嘉华化工有限公司所生产的AMPS/AM共聚物类降失水剂1.5份、聚萘磺酸盐分散剂1.2份、缓凝剂柠檬酸0.3份、消泡剂0.2份。先将液态的有机羟基消泡剂加入水中配制成水溶液，按水灰比44%的比例称取水溶液加入搅拌机浆杯，在15±2S内均匀地加入干混后G级高抗油井水泥、低温固井水泥外掺料、空心玻璃微珠、降失水剂、分散剂、缓凝剂，对于添加空心玻璃微珠减轻材料的水泥浆，继续保持4000±200转/分速率搅拌至50S后制浆完成，按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》检测水泥浆的性能。
实施例4
嘉华特种水泥股份有限公司生产的G级高抗油井水泥75份、嘉华特种水泥股份有限公司生产的低温固井水泥外掺料25份、中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠12份、乐山嘉华化工有限公司所生产的AMPS/AM共聚物类降失水剂1.5份、聚萘磺酸盐分散剂1.2份、缓凝剂柠檬酸0.3份、消泡剂0.2份。先将液态的有机羟基消泡剂加入水中配制成水溶液，按水灰比44%的比例称取水溶液加入搅拌机浆杯，在15±2S内均匀地加入干混后G级高抗油井水泥、低温固井水泥外掺料、空心玻璃微珠、降失水剂、分散剂、缓凝剂，对于添加空心玻璃微珠减轻材料的水泥浆，继续保持4000±200转/分速率搅拌至50S后制浆完成，按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》检测水泥浆的性能。
实施例5
嘉华特种水泥股份有限公司生产的G级高抗油井水泥75份、嘉华特种水泥股份有限公司生产的低温固井水泥外掺料25份、中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司生产的空心玻璃微珠15份、乐山嘉华化工有限公司所生产的AMPS/AM共聚物类降失水剂1.5份、聚萘磺酸盐分散剂1.3份、缓凝剂柠檬酸0.2份、消泡剂0.2份。先将液态的有机羟基消泡剂加入水中配制成水溶液，按水灰比44%的比例称取水溶液加入搅拌机浆杯，在15±2S内均匀地加入干混后G级高抗油井水泥、低温固井水泥外掺料、空心玻璃微珠、降失水剂、分散剂、缓凝剂，对于添加空心玻璃微珠减轻材料的水泥浆，继续保持4000±200转/分速率搅拌至50S后制浆完成，按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》检测水泥浆的性能。
上述实施例1-5中所使用的外掺料组分为煅烧明矾石粉25%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉45%。
对比表格如下所示：
表1
由表1试验数据可知，实施例1所配制的低密度水泥浆在8℃温度下养护24h水泥石仍未形成有效的强度；实施例2、3、4、5所配置的水泥浆在8℃温度下养护8h后，水泥石的抗压强度均大于3.5MPa，水泥浆体系的游离液、滤失量等性能优异，适用于海洋油气井固井的低温环境，实现海洋油气资源的经济有效开发。
实施例6
掺合料不同比例对G级油井水泥低温性能的影响如下所示：
低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%、硬石膏35%；沸石凝灰岩粉50%，代号为DZ-1-1；
低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉20%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉50%，代号为DZ-1-2；
低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉25%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉45%，代号为DZ-1-3；
低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉30%、硬石膏20%、沸石凝灰岩粉50%，代号为DZ-1-4；
低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%、硬石膏45%、沸石凝灰岩粉40%，代号为DZ-1-5；
本发明中沸石凝灰岩粉的主要矿物为斜发沸石。
按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准制备水泥浆，水灰比为44%，测定水泥浆的流动度和稠化时间，在不同温度下养护8h后测定水泥石的抗压强度，其中低温掺合料与G级油井水泥的比例为25份低温掺合料和75份G级油井水泥，并与相同养护条件下的G级油井水泥浆的抗压强度进行比较，结果见表2。试验结果表明，在试验温度下，加入低温掺合料的G级油井水泥的抗压强度显著增大，在4℃条件下8h强度就能达到3.5MPa以上，且水泥浆的流动度较纯G级油井水泥浆更好，掺入低温掺合料后水泥浆的稠化时间变短，在实际施工中可以通过缓凝剂进行调节。
对比结果如下表2所示：
表2
实施例7
本申请中低温掺合料中各组分的比表面积对硅酸盐水泥低温抗压强度的影响对比如下：
根据实施例6的试验结果，固定低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉25%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉45%，改变低温掺合料的比表面积，考察低温掺合料比表面积变化对G级油井水泥浆性能和低温强度的影响。
低温早强掺合料成分的比表面积为：煅烧明矾石粉250m2/kg、硬石膏300m2/kg；沸石凝灰岩粉310m2/kg，代号为DZ-2-1；
低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉350m2/kg、硬石膏300m2/kg、沸石凝灰岩粉310m2/kg，代号为DZ-2-2；
低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉400m2/kg、硬石膏300m2/kg、沸石凝灰岩粉360m2/kg，代号为DZ-2-3；
低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉450m2/kg、硬石膏300m2/kg、沸石凝灰岩粉360m2/kg，代号为DZ-2-4；
低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉350m2/kg、硬石膏350m2/kg、沸石凝灰岩粉400m2/kg，代号为DZ-2-5；
按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准制备水泥浆，水灰比为44%，测定水泥浆的流动度和稠化时间，在不同温度下养护8h后测定水泥石的抗压强度，其中低温掺合料与G级油井水泥的比例为25份低温掺合料和75份G级油井水泥，试验结果见表3。试验结果表明，增大煅烧明矾石的表面积有利于提高掺合料的早强性能，但会降低水泥浆的流动度和稠化时间；增大沸石凝灰岩粉的比表面积对掺合料的早强性能影响不大，对水泥浆流动度有所改善；增大硬石膏的比表面积有利于水泥浆稠化时间的延长。根据试验结果，综合考虑外掺料的低温早强性能和水泥浆的性能，选择煅烧明矾石粉磨至比表面积≥350m2/kg，硬石膏粉的比表面积≥300m2/kg，沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m2/kg。
对比结果如下表3所示
表3
如图1所示，图1是G级油井水泥和样品DZ-1-3水化产物的XRD衍射图谱。对比分析可知，低温外掺料加入G级油井水泥后，其水化产物的衍射峰强度显著增加，表明加入低温外掺料促进G级油井水泥的低温水化反应，水化产物中AFt钙矾石的含量也更高。
图2和图3分别为G级油井水泥和样品DZ-1-3水化产物的SEM微观结构图，由图可知，G级油井水泥水化产物呈絮状和针状，其中还存在较多的未水化的水泥颗粒。针状水化产物是水化硫铝酸钙，但这种形态的水化硫铝酸钙对水泥石强度的增长几乎没有贡献，且水泥石的孔隙度大，因此水泥石的抗压强度低。G级油井水泥掺入低温外掺料后的水化产物的结构致密，且水化产物中水化硫铝酸钙是呈柱状或板状结构，这种形态的水化硫铝酸钙能大幅提高水泥石的强度。

Claims (8)

1.一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：其组分及质量分数为：油井水泥75份；低温固井水泥外掺料25份；空心玻璃微珠5-15份；降失水剂0-1.5份；分散剂1-3份；缓凝剂0.2-0.5份；消泡剂0-0.3份；
所述低温固井水泥外掺料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%~30%；硬石膏30%~45%；沸石凝灰岩粉40%~50%；
所述煅烧明矾石粉具体是指：明矾石粉在1200℃温度下煅烧30min，待矿物熔融后取出急冷，再将煅烧后的明矾石粉磨至比表面积≥350m2/kg；
所述硬石膏粉的比表面积≥300m2/kg；所述沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m2/kg。
2.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：所述油井水泥为G级油井水泥。
3.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：所述空心玻璃微珠的密度在0.6-0.6g/cm3，40MPa压力下破损率<10%。
4.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：所述降失水剂为AMPS/AM共聚物类降失水剂。
5.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：所述分散剂是聚萘磺酸盐或木质素磺酸盐类分散剂。
6.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：所述缓凝剂为柠檬酸、葡萄碳酸或葡萄糖酸钠中的一种。
7.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：所述消泡剂为有机羟基化合物。
8.如权利要求1所述的一种海洋深水固井用低温早强水泥浆体系，其特征在于：沸石凝灰岩粉的主要矿物为斜发沸石。
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