CN111056784A - 一种用于水合物固井的水泥浆及其制备方法 - Google Patents

一种用于水合物固井的水泥浆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水合物固井的水泥浆及其制备方法，属于固井作业领域。该水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、0～60份减轻增强材料、0.1～1.0份减阻剂、0.5～1.5份膨胀剂、2～7份增强剂和43～80份水；其中，所述减轻增强材料通过以下重量比例的组分制备得到：50份空心微珠、35份超细水泥、5份纳米碳酸钙、10份超细偏高岭土。本发明实施例通过上述各组分之间的协同复配，制备得到的水泥浆可用于温度4～30℃海域水合物的开采固井，该水泥浆的稠化时间在30℃时可满足安全施工要求，在低温4℃下强度发展较快，减少候凝时间；且水泥浆凝固后可满足支撑井口装置和环空密封要求。

Description

一种用于水合物固井的水泥浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及固井作业领域，特别涉及一种用于水合物固井的水泥浆及其制备方法。
背景技术
水合物开采时的固井作业是水合物资源勘探开发有效进行的前提条件和重要保障。水合物固井环空大，一般采用塞流或者近塞流顶替，施工时间长，需要水泥浆有足够的科泵时间满足安全施工，这就需要水泥浆在较高温度(例如30℃)下具有较长的稠化时间，并在低温(例如4℃)下强度发展快。
目前有多种可用于水合物固井的水泥浆，例如，申请号201710010738.X的专利公开的一种深水表层固井用低密度水泥浆体系，该低密度水泥浆体系包括以下重量份的组分：水泥100份、液体悬浮剂5-40份、液体增强剂5-40份、液体降失水剂4-10份、液体早强剂2-10份、消泡剂0.05-1.5份，淡水或海水50-250份；申请号201210348971.6专利公开了一种基于矿渣激活的深水固井水泥浆体系，各组份以及重量比例如下：水泥100份、中空微珠0～80份、超细颗粒0～12份、激发剂2.0～6.0份、减阻剂0.3～2.0份、降失水剂2.0～4.5份、水60～120份；申请号201210348971.6的专利公开了一种基于矿渣激活的深水固井水泥浆体系，各组份以及重量比例如下：水泥100份、中空微珠0～80份、超细颗粒0～12份、激发剂2.0～6.0份、减阻剂0.3～2.0份、降失水剂2.0～4.5份、水60～120份；公开号CN105462571A专利提供了一种低温固井水泥浆体系，该低温水泥浆体系各组份以及重量比例为：油井水泥100份、油井超细水泥62～175份、纳米二氧化硅7.3～23份、活性硅酸钙10～32份、中空玻璃微球15～50份、早强剂3.6～10份、降失水剂3.2～8.6份、减阻剂0.8～2.0份、水120～195份；等等。
上述水泥浆均在低温下有较好的强度发展，但不能保证在较高温度30℃下的具有较长稠化时间。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆及其制备方法，该水泥浆的稠化时间在30℃时可满足安全施工要求，且在低温4℃下强度发展较快。
具体而言，包括以下的技术方案：
第一方面，提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、0～60份减轻增强材料、0.1～1.0份减阻剂、0.5～1.5份膨胀剂、2～7份增强剂和43～80份水；
其中，所述减轻增强材料通过以下重量比例的组分制备得到：50份空心微珠、35份超细水泥、5份纳米碳酸钙、10份超细偏高岭土；所述超细偏高岭土为粒径小于5微米的偏高领土。
在一种可能的设计中，所述减阻剂为醛酮聚合物。
在一种可能的设计中，所述膨胀剂为UEA型膨胀剂。
在一种可能的设计中，所述增强剂通过以下重量比例的组分制备得到：
5份羧酸醇胺酯、5份氯化钾、20份硝酸钙、20份亚硝酸钠、50份水。
在一种可能的设计中，所述水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、10份减轻增强材料、0.3份减阻剂、1.5份膨胀剂、2份增强剂和45份水。
在一种可能的设计中，所述水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、20份减轻增强材料、0.7份减阻剂、1.0份膨胀剂、4份增强剂和52份水。
在一种可能的设计中，所述水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、30份减轻增强材料、1.0份减阻剂、1.2份膨胀剂、6份增强剂和63份水。
在一种可能的设计中，所述水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、50份减轻增强材料、0.4份减阻剂、0.9份膨胀剂、7份增强剂和77份水。
在一种可能的设计中，所述水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、60份减轻增强材料、0.8份减阻剂、0.6份膨胀剂、7份增强剂和80份水。
另一方面，提供了一种根据第一发明所提及的任一种用于水合物固井的水泥浆的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤a、将油井水泥、减轻增强材料、减阻剂、膨胀剂混拌均匀形成干混料，
步骤b、将增强剂和水混合形成混拌液；
步骤c、将所述干混料和所述混拌液均匀混合，形成所述水泥浆。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例通过上述各组分之间的协同复配，制备得到的水泥浆可用于温度4～30℃海域水合物的开采固井，该水泥浆的稠化时间在30℃时可满足安全施工要求，在低温4℃下强度发展较快，减少候凝时间；且水泥浆凝固后可满足支撑井口装置和环空密封要求。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，该水泥浆通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、0～60份减轻增强材料、0.1～1.0份减阻剂、0.5～1.5份膨胀剂、2～7份增强剂和43～80份水；
其中，所述减轻增强材料通过以下重量比例的组分制备得到：50份空心微珠、35份超细水泥、5份纳米碳酸钙、10份超细偏高岭土。
本发明实施例通过上述各组分之间的协同复配，制备得到的水泥浆可用于温度4～30℃海域水合物的开采固井，该水泥浆的稠化时间在30℃时可满足安全施工要求，在低温4℃下强度发展较快，减少候凝时间；且水泥浆凝固后可满足支撑井口装置和环空密封要求。
油井水泥用于形成水泥浆并固化形成水泥石，可以是API油井G级水泥、油井A级水泥、油井C级水泥中的任一种。优选地，油井水泥为符合GB/T 10238的G级高抗硫油井水泥，之所以选择G级高抗硫油井水泥，是因为G级高抗硫油井水泥是目前固井行业最常用、最成熟的水泥。
减轻增强材料用于调整水泥浆的密度，提高水泥浆强度和致密性，可以是空心微珠、超细水泥及超细偏高岭土中的任一种或者它们的任意混合。优选地，减轻增强材料可通过以下重量比例的组分制备得到：50份空心微珠、35份超细水泥、5份纳米碳酸钙、10份超细偏高岭土。其中，空心微珠可以降低水泥浆的密度；超细水泥可以是油井G级水泥、油井A级水泥或油井C级水泥中的一种经过精细研磨而成的超细材料，其平均粒径为3.5-8.7μm；纳米碳酸钙可以为改善水泥浆的稳定性并提高水泥石的结构；超细偏高岭土为粒径小于5微米的偏高领土，可以加快低温下水泥石强度发展；之所以选择该减轻增强材料，是因为该减轻增强材料可与油井水泥形成颗粒级配，形成颗粒的紧密堆积，改善水泥浆的性能。
减阻剂用于改善水泥浆的流变性能，可以是萘系、羧酸类及醛酮聚合物中的任一种。优选地，减阻剂可以为醛酮聚合物，例如，USZ，之所以选择醛酮聚合物作为减阻剂，是因为其在低温下仍然保持较好的性能。
膨胀剂用于减少水泥石收缩，可以是UEA类、碱金属氧化物及发气类中的任一种。优选地，膨胀剂可以为UEA型膨胀剂，例如，UEA低碱膨胀剂，之所以选择UEA型膨胀剂作为膨胀剂，是因为该膨胀剂既可减少水泥石收缩，又可提高低温下水泥石的强度发展。
增强剂用于加快低温条件下水泥石的强度发展，可以是氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钠、硫酸钠及醇胺类中的任一种。优选地，增强剂可以为醇胺和无机盐的混合物，优选地，增强剂可通过以下重量比例的组分制备得到：5份羧酸醇胺酯、5份氯化钾、20份硝酸钙、20份亚硝酸钠、50份水。之所以选择该增强剂，是因为加入该增强剂后，可以使得水泥浆在30℃下满足稠化时间大于180分钟的条件下，在4℃下24小时强度大于3.5MPa。
可以理解的是，以上组分均可通过市场购得。
第二方面，本发明实施例还提供了一种第一方面所涉及的用于水合物固井的水泥浆的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤a、将油井水泥、减轻增强材料、减阻剂、膨胀剂混拌均匀形成干混料，
步骤b、将增强剂和水混合形成混拌液；
步骤c、将所述干混料和所述混拌液均匀混合，形成水泥浆。
本发明实施例提供的方法制备得到的水泥浆，通过上述各组分之间的协同复配，可使其用于温度4～30℃海域水合物的开采固井，该水泥浆的稠化时间在30℃时可满足安全施工要求，在低温4℃下强度发展较快，减少候凝时间。且该制备方法工艺简单，便于实施和应用。
以下通过具体实施例来进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、0.5份减阻剂、0.5份膨胀剂、3份增强剂和43份水。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.90g/cm3。
实施例2
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、10份减轻增强材料、0.3份减阻剂、1.5份膨胀剂、2份增强剂和45份水。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.80g/cm3。
实施例3
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、20份减轻增强材料、0.7份减阻剂、1.0份膨胀剂、4份增强剂和52份水。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.70g/cm3。
实施例4
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、30份减轻增强材料、1.0份减阻剂、1.2份膨胀剂、6份增强剂和63份水组成。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.60g/cm3。
实施例5
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、40份减轻增强材料、0.1份减阻剂、0.8份膨胀剂、5份增强剂和69份水组成。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.55g/cm3。
实施例6
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、50份减轻增强材料、0.4份减阻剂、0.9份膨胀剂、7份增强剂和77份水组成。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.50g/cm3。
实施例7
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、60份减轻增强材料、0.8份减阻剂、0.6份膨胀剂、7份增强剂和80份水组成。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.47g/cm3。
实施例8(对比实施例)
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、7份空心微珠、4份氯化钙和52份水。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.70g/cm3。
实施例9(对比实施例)
本实施例提供了一种用于水合物固井的水泥浆，通过以下重量比例的组分制备得到：100份油井水泥、20份空心微珠、0.8份减阻剂、5氯化钙和60份水组成。由此配方制备得到的水泥浆的密度为1.50g/cm3。
按照GB/T 19139-2003对以上实施例中的水泥浆的性能进行了测试，测试结果表1和表2所示：
表1为由实施例1-8制备得到的水泥浆的稠化性能
Figure BDA0001832002930000061
Figure BDA0001832002930000071
表2为由实施例1-8制备得到的水泥浆的强度发展情况
Figure BDA0001832002930000072
由表1可明显看出，与实施例8-9制备的水泥浆相比，应用本发明实施例1-7制备得到的水泥浆的稠化时间在30℃时明显延长，4℃时基本不变。
由表2可明显看出，与实施例8-9制备的水泥浆相比，应用本发明实施例1-7制备得到的水泥浆的强度发展快，密度1.60g/cm3的水泥浆24h强度可达到3.5MPa，满足现场工程要求，密度1.50g/cm3的水泥浆40h也可以达到3.5MPa，而常规的密度为1.50g/cm3水泥浆48h时强度才为0.3MPa。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、0～60份减轻增强材料、0.1～1.0份减阻剂、0.5～1.5份膨胀剂、2～7份增强剂和43～80份水；
其中，所述减轻增强材料通过以下重量比例的组分制备得到：50份空心微珠、35份超细水泥、5份纳米碳酸钙、10份超细偏高岭土；所述超细偏高岭土为粒径小于5微米的偏高领土。
2.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，所述减阻剂为醛酮聚合物。
3.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，所述膨胀剂为UEA型膨胀剂。
4.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，所述增强剂通过以下重量比例的组分制备得到：
5份羧酸醇胺酯、5份氯化钾、20份硝酸钙、20份亚硝酸钠、50份水。
5.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、10份减轻增强材料、0.3份减阻剂、1.5份膨胀剂、2份增强剂和45份水。
6.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、20份减轻增强材料、0.7份减阻剂、1.0份膨胀剂、4份增强剂和52份水。
7.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、30份减轻增强材料、1.0份减阻剂、1.2份膨胀剂、6份增强剂和63份水。
8.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、50份减轻增强材料、0.4份减阻剂、0.9份膨胀剂、7份增强剂和77份水。
9.根据权利要求1所述的用于水合物固井的水泥浆，其特征在于，通过以下重量比例的组分制备得到：
100份油井水泥、60份减轻增强材料、0.8份减阻剂、0.6份膨胀剂、7份增强剂和80份水。
10.一种根据上述任一项权利要求所述的用于水合物固井的水泥浆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤a、将油井水泥、减轻增强材料、减阻剂、膨胀剂混拌均匀形成干混料，
步骤b、将增强剂和水混合形成混拌液；
步骤c、将所述干混料和所述混拌液均匀混合，形成所述水泥浆。
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