CN111019616A - 一种固井作业用低密度水泥浆和固井作业用水泥组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固井作业用低密度水泥浆和固井作业用水泥组合物，属于油井钻井工程技术领域。本发明的固井作业用低密度水泥浆，包括水和以下重量份数的组分：油井水泥70～100份、超细水泥0～30份、减轻材料35～80份、微硅15～20份；所述减轻材料包括漂珠、玻璃微珠中的至少一种。该水泥浆的各组分材料性能好、添加比例适中，通过各组分材料制得的水泥浆密度可达到1.15～1.25g/cm3，且水泥浆的稳定性高、流动性好、强度高，进而可降低固井漏失风险，提高固井质量及顶替效率。

Description

一种固井作业用低密度水泥浆和固井作业用水泥组合物
技术领域
本发明涉及一种固井作业用低密度水泥浆和固井作业用水泥组合物，属于油井钻井工程技术领域。
背景技术
目前，国内各大油田的开发已经进入后期，各大油田都转入复杂低压油藏的开发，但是随着欠平衡钻井技术应用不断扩大，钻井和固井过程中会经常发生严重漏失。国内机构通过各种减轻材料的复合使用以及外加剂的添加配制出了低密度水泥浆并成功应用于多个油田。减轻材料主要有膨润土、火山灰、粉煤灰、漂珠等，目前油田现场应用最广的减轻材料是漂珠，但是漂珠是空心薄壳球体，在高速搅拌下会引起一定量的漂珠球体破碎，进而影响漂珠的减轻作用，使得水泥浆的密度升高，水泥石体积收缩严重。
此外，随着欠平衡钻井技术的深入应用，一般的密度范围在1.33～1.55g/cm3的低密度水泥浆越来越不能满足低破裂压力地层固井的需求。超低密度便可以解决低破裂压力地层固井的需求。目前国内外超低密度水泥浆的制备方法主要有以下两种：一种是加入密度超低、抗压强度较高的中空玻璃微球和微珠；另外一种是泡沫水泥浆，即通过机械充气或自身发气的方式往基浆中充入气体，以此来降低水泥浆的密度。但是这两种水泥浆都存在明显的弊端。玻璃微珠价格昂贵，导致固井成本大幅度提高。泡沫水泥浆密度随压力即井深变化大，尤其是在超深井中，由于地面密度与井下密度相差较大，诱发注水泥过程中薄弱地层井漏，造成固井失败。因此，目前急需研发一种成本相对较低且密度低的水泥浆。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种固井作业用低密度水泥浆，该水泥浆体系的密度较低，能够满足国内外大多数低破裂压力地层固井的需求。
本发明还提供了一种固井作业用水泥组合物，以解决现有水泥组合物和水配制而成的水泥浆体系因密度大不能满足防漏要求的问题。
为了实现上述目的，本发明的固井作业用低密度水泥浆所采用的技术方案是：
一种固井作业用低密度水泥浆，包括水和以下重量份数的组分：油井水泥70～100份、超细水泥0～30份、减轻材料35～80份、微硅15～20份；所述减轻材料包括漂珠、玻璃微珠中的至少一种。
该水泥浆的各组分材料性能好、添加比例适中，通过各组分材料制得的水泥浆密度可达到1.15～1.25g/cm3，且水泥浆的稳定性高、流动性好、强度高，进而可降低固井漏失风险，提高固井质量及顶替效率。
漂珠质轻、绝热、耐酸碱、不吸水，可以降低浆体的加水量，同一密度条件下添加有漂珠的水泥石的强度高于其它类型的水泥；玻璃微珠易润湿、易混合、易拌灰、承受力强、密闭率高，在高压下不易破碎或进水，添加有玻璃微珠的水泥石强度高，渗透率低，在高压条件下密度恒定。漂珠和玻璃微珠按照一定的配比作为减轻材料混合使用可以增强水泥浆的抗压能力和稳定性。优选的，所述减轻材料包括漂珠和玻璃微珠，漂珠和玻璃微珠的质量比为4～7:1。
所述油井水泥为G级油井水泥，所述超细水泥粒径为0.301～9.624μm。G级油井水泥是水泥浆的基础材料，其性能优越，强度大；超细水泥粒径在0.301～9.624μm，其表面积是普通水泥的2～3倍，使得水泥的利用率成倍提高，此外，超细水泥通过窄缝的能力强，有一定的堵漏效果。
微硅的主要成分是SiO2，微硅具有较大的比表面积，可提高水泥的抗压强度和胶结强度、降低水泥的渗透率，提高水泥的耐久性。微硅中的SiO2可以降低水泥浆的游离水和降失水量，提高浆体的稳定性。优选的，所述微硅中SiO2的质量百分比为85～92％。
微硅的平均粒径为0.1～0.15μm。粒径在0.1～0.15μm的微硅颗粒能够填入水泥颗粒之间的空隙，堵塞连通的通道，可有效的防止气窜。
所述漂珠为电厂漂珠，所述电厂漂珠的粒径为31.724～287.748μm，密度为0.7～0.9g/cm3。选择该电厂漂珠，其承压能力强，可避免因在高压下的破碎或进水而导致的水泥浆密度升高。
所述玻璃微珠的粒径为15～125μm。在该粒径下玻璃微珠的密闭性更高，密度恒定，更容易控制环空浆柱的压力，从而有利于实现平衡注水泥。
本发明的固井作业用水泥组合物所采用的技术方案是：
一种固井作业用水泥组合物，包括以下重量份数的组分：油井水泥70～100份、超细水泥0～30份、减轻材料35～80份、微硅15～20份；所述减轻材料包括漂珠、玻璃微珠中的至少一种。
利用该固井作业用水泥组合物配制而成的水泥浆，能够有效降低液柱压力，降低固井漏失风险，提高漏失井固井水泥浆返高率，提高固井质量；相应水泥浆在降低密度的同时提高了水泥石的强度，既能解决漏失问题，又能保证固井质量；同时，相应水泥浆具有良好的流动性，有利于降低施工压力，提高顶替效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明通过对减轻材料进行优选、优化添加剂的剂量、调节水灰比，确定了三种低密度水泥浆配方，用配方A、配方B、配方C表示。
超细水泥、微硅均为市售常规商品，超细水泥的粒径为0.301～9.624μm。微硅中SiO2的质量百分比为85％～92％，平均粒径为0.1～0.15μm。降失水剂、早强剂、减阻剂、低密增强剂均为固井水泥领域的常规外加剂，可通过市售常规渠道获得，以下实施例中，降失水剂XJL-4、早强剂XJQ-2、减阻剂CJZ-1、低密增强剂XJQ-1均购自河南新星建材有限公司。电厂漂珠购自南阳市弘创石油技术开发有限公司、玻璃微珠购自中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司，不经进一步处理直接使用。
相应的固井作业用水泥组合物在和水配制水泥浆时，控制水灰比(水与固井作业用水泥组合物的质量比)为1.0-1.1即可。以下实施例如无特殊说明，“％”均为质量百分比。
固井作业用低密度水泥浆的实施例1
本实施例的固井作业用低密度水泥浆(配方A)，由155重量份水、固井作业用水泥组合物、降失水剂、早强剂和减阻剂组成，固井作业用水泥组合物由以下重量份数的组分组成：G级油井水泥100份、减轻材料35份、微硅20份；降失水剂、早强剂和减阻剂的用量分别为固井作业用水泥组合物的2％、2％、0.2％。
配方A中减轻材料为电厂漂珠，电厂漂珠的粒径为31.724～287.748μm(电厂漂珠为不规则球体，粒径范围由激光测径仪测得)，密度为0.7～0.9g/cm3。该配方A的低密度水泥浆的密度可达到1.25g/cm3。
固井作业用低密度水泥浆的实施例2
本实施例的固井作业用低密度水泥浆(配方B)，由170.5重量份水、固井作业用水泥组合物、降失水剂、早强剂和减阻剂组成，固井作业用水泥组合物由以下重量份数的组分组成：G级油井水泥100份、减轻材料40份、微硅15份；其中减轻材料包括电厂漂珠和玻璃微珠，电厂漂珠和玻璃微珠的重量比为7：1；降失水剂、早强剂和减阻剂的用量分别为固井作业用水泥组合物的2％、2.5％、0.2％。电厂漂珠的粒径为31.724～287.748μm，密度为0.7～0.9g/cm3，玻璃微珠的粒径为15～125μm。该配方B的低密度水泥浆的密度可达到1.20g/cm3。
固井作业用低密度水泥浆的实施例3
本实施例的固井作业用低密度水泥浆(配方C)，由200重量份水、固井作业用水泥组合物、降失水剂、早强剂、减阻剂和低密增强剂组成，固井作业用水泥组合物由以下重量份数的组分组成：G级油井水泥70份、超细水泥30份、减轻材料80份、微硅20份；其中超细水泥的粒径为0.301～9.624μm；减轻材料包括电厂漂珠和玻璃微珠，电厂漂珠和玻璃微珠的重量比为4：1；降失水剂、早强剂、减阻剂和低密增强剂的用量分别为固井作业用水泥组合物的2％、2％、0.2％、3％。
电厂漂珠的粒径为31.724～287.748μm，密度为0.7～0.9g/cm3，玻璃微珠的粒径为15～125μm。该配方C的低密度水泥浆的密度可达到1.15g/cm3。
本发明的固井作业用水泥组合物的实施例1-3，分别与上述固井作业用低密度水泥浆的实施例1-3中固井作业用水泥组合物相同。
在本发明的固井作业用低密度水泥浆的其他实施例中，可根据需要加入缓凝剂、分散剂等固井水泥浆领域的常规辅料，即可根据固井实际情况对水泥浆的稠化时间、分散性等性能进行进一步的适应性调整，以满足实际施工和固井需求。以上辅料可根据需要预先添加到固井作业用水泥组合物中。
实验例1
将固井作业用低密度水泥浆配方A、B、C进行抗压强度测试，测试结果如下表1所示：
表1 抗压强度测试
Figure BDA0002275401500000041
通过表1水泥石抗压强度的实验可知，本发明的固井作业用低密度水泥浆的密度低至1.15-1.25g/cm3，同时24h、36h、48h的抗压强度较强，这样即在降低密度的同时提高了水泥石的强度，既能解决漏失问题，又能保证固井质量。
实验例2
漂珠是从粉煤灰漂浮物中筛选出来的薄壁珠状颗粒，具有质轻、绝热、耐酸碱、无毒、不燃烧和无臭味等特点。使用漂珠配制水泥浆时，漂珠只需少量水湿润其表面，使水泥浆具有一定流动性即可，进而可降低浆体水的加入量。目前油田普遍使用的漂珠分为人工漂珠和电厂漂珠两种，电厂漂珠的承压能力高于人工漂珠。
为了对比人工漂珠和电厂漂珠的承压能力，分别使用人工漂珠和电厂漂珠作为减轻材料制得密度为1.15g/cm3的水泥浆(配方C)，将浆体放置在高温高压稠化仪内养护60min(70℃*30MPa)，养护完毕后将浆体取出，浆体密度变化情况见表2：
表2 人工漂珠与电厂漂珠承压能力对比
浆体类型 养护前密度 养护后密度 实验条件
人工漂珠浆体 1.15g/cm<sup>3</sup> 1.35g/cm<sup>3</sup> 70℃/30MPa
电厂漂珠浆体 1.15g/cm<sup>3</sup> 1.18g/cm<sup>3</sup> 70℃/30MPa
通过上述实验可以看出，在相同的实验条件下电厂漂珠养护前后密度变化更小，即电厂漂珠的承压能力相对于人工漂珠更强，因此本发明优选采用电厂漂珠作为减轻材料之一。
玻璃微珠强度高于电厂漂珠，不溶于水和油，具有不可压缩性，其承压能力高，密闭率高，将玻璃微珠和电厂漂珠按一定重量比例混合作为减轻材料可以解决高压环境下水泥浆密度不稳定的问题，进而更有利于实现平衡注水泥，同时水泥浆的组分、性能更稳定，有利于防止固井事故，提高固井质量。
将配方A、B、C的固井作业用低密度水泥浆分别放置在高温高压稠化仪内养护60min(70℃*30MPa)，测试浆体在高温高压条件下密度的变化情况，具体数据如下表所示。
表3 高温高压条件下浆体密度变化数据
浆体类型 养护前密度 养护后密度 实验条件
配方A 1.25g/cm<sup>3</sup> 1.288g/cm<sup>3</sup> 70℃/30MPa
配方B 1.20g/cm<sup>3</sup> 1.242g/cm<sup>3</sup> 70℃/30MPa
配方C 1.15g/cm<sup>3</sup> 1.16g/cm<sup>3</sup> 70℃/30MPa
通过本实验例的对比结果可以看出，配方A、B、C三种浆体入井前后密度相差分别为0.038g/cm3、0.042g/cm3、0.01g/cm3，而目前杭锦旗区块使用的1.33g/cm3人工漂珠低密度水泥浆入井前后密度差约为0.12g/cm3。通过对比可得，配方A、B、C的固井作业用低密度水泥浆的稳定性较好，有利于防漏。
实验例3
堆积率(PVF)是衡量水泥浆体系紧密堆积程度的主要参数，是指混合固相颗粒所占据的空间体积除以相同干混材料处于最大紧密堆积状态时占据的体积，PVF值越大，堆积效果越明显，水泥石性能越好，堆积率PVF的计算公式如下式(1)所示，水泥浆体系各材料的堆积参数如下表4所示。
Figure BDA0002275401500000051
表4 水泥浆体系各材料的堆积参数
参数 水泥 漂珠 微硅
绝对密度/g/cm<sup>3</sup> 3.15 0.7 2.5
体积密度/g/cm<sup>3</sup> 1.76 0.32 0.25
充填比例/％ 0.56 0.46 0.1
将固井作业用低密度水泥浆的实施例1～3及对比例的水泥浆(除表5所列项目外，其余与低密度水泥浆实施例1一致)的堆积率进行对比，计算结果如下表5所示。
表5 水泥浆堆积率的对比
实验例 水泥占比/％ 减轻材料占比/％ 微硅占比/％ 堆积率
对比例1 42 35 23 0.8714
对比例2 43 35 22 0.8645
对比例3 44 35 21 0.8577
对比例4 50 37 13 0.8108
对比例5 51 37 12 0.8049
对比例6 52 37 11 0.7991
对比例7 53 37 10 0.7933
对比例8 64 31 5 0.7487
实施例1 64.5 22.5 13.0 0.7800
实施例2 64.5 25.8 9.7 0.7670
实施例3 50.0 40.0 10.0 0.8077
通过上述对比结果可知，随着微硅占比的增加，体系的堆积率增大，但是微硅占比增加后浆体变稠，浆体的流动性变差，影响顶替效率，微硅占比控制在10％～15％比较合适(微硅占比是指微硅与固井作业用水泥组合物的质量占比)。目前行业内认为体系堆积率≥0.75就能满足紧密堆积的要求，本发明的固井作业用低密度水泥浆配方A、B、C的堆积率均大于0.75，满足紧密堆积的要求，有坚实的理论支撑。
实验例4
本实验例以东胜气田杭锦旗区块为例说明本发明的水泥浆的实际应用效果。目前杭锦旗区块漏失层位主要为直罗、延长组和刘家沟组。直罗、延长组井深在1300m左右，刘家沟组井深在2500m左右。直罗、延长组漏失当量密度为1.20-1.35g/cm3，刘家沟组漏失当量密度为1.18-1.25g/cm3。目前所用的1.33/1.88g/cm3(1.33g/cm3和1.88g/cm3分别指领浆密度和尾浆密度)双凝水泥浆体系无法满足防漏要求。
将本发明固井作业用低密度水泥浆的实施例2的水泥浆尾浆设计返高至刘家沟组底部100m，领浆封固上部以上井段，配合目前的堵漏工艺和“正注反挤”工艺措施，基本能满足防漏要求，水泥浆返高基本在1300m以上，较1.33/1.88g/cm3双凝水泥浆体提高约1200m。目前该水泥浆体系已经在杭锦旗工区应用7口井，取了5优2良的成绩。经测试，本发明的水泥浆(配方C)48h强度高达9.6MPa，能够在满足防漏的同时保证固井质量，且有望实现杭锦旗区块漏失井固井的一次性全返。

Claims (8)

1.一种固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：包括水和以下重量份数的组分：油井水泥70～100份、超细水泥0～30份、减轻材料35～80份、微硅15～20份；所述减轻材料包括漂珠、玻璃微珠中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：所述减轻材料包括漂珠和玻璃微珠，漂珠和玻璃微珠的质量比为4～7:1。
3.根据权利要求1所述的固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：所述油井水泥为G级油井水泥，所述超细水泥的粒径为0.301～9.624μm。
4.根据权利要求1所述的固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：所述微硅中SiO2的质量百分比为85～92％。
5.根据权利要求1所述的固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：微硅的平均粒径为0.1～0.15μm。
6.根据权利要求1所述的固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：所述漂珠为电厂漂珠，所述电厂漂珠的粒径为31.724～287.748μm，密度为0.7～0.9g/cm3。
7.根据权利要求1或2所述的固井作业用低密度水泥浆，其特征在于：所述玻璃微珠的粒径为15～125μm。
8.一种固井作业用水泥组合物，其特征在于：包括以下重量份数的组分：油井水泥70～100份、超细水泥0～30份、减轻材料35～80份、微硅15～20份；所述减轻材料包括漂珠、玻璃微珠中的至少一种。
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