CN111072350A - 一种抗高温固井水泥浆体系 - Google Patents

一种抗高温固井水泥浆体系 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗高温固井水泥浆体系，涉及水泥浆体系技术领域。本发明包括以下组分：硅酸盐水泥：60‑75%；抗强度衰退剂：15‑25%；晶型稳定剂：2‑8%；高温缓凝剂：0.5‑6%；高温降失水剂：3‑8%；所述硅酸盐水泥为D级油井水泥或低热水泥中的一种，比表面积为280‑350m2/kg；所述抗强度衰退剂中SiO2含量＞90%，目数≥150目；所述晶型稳定剂中SiO2含量＞30%，目数≥600目。本申请的通过加入晶型稳定剂，在水泥将水化时参与水化反应，金属离子进入水化硅酸钙的结构中，起到阻止水化产物中雪硅钙石转向硬硅钙石的转变，使水泥石保持致密结构，从而具有良好的高温稳定性。

Description

一种抗高温固井水泥浆体系
技术领域
本发明涉及水泥浆体系技术领域，更具体地说涉及一种高温固井水泥浆体系。
背景技术
随着我国对深层油气资源的开发，深井及超深井的数量逐年增加。由于地质构造的缘故，井内温度随着井深增加而提高。在部分西部地区，井内静止温度已高达230℃。高温环境对钻完井工程提出了严峻的调整，开发新型高温固井水泥浆体系对我国开发深层油气资源意义重大。
目前高温固井水泥面临诸多问题，大多数的高温缓凝剂在温度高于170℃后容易失效，难以控制水泥浆的稠化时间，对固井作业造成困难。此外，当静止温度高于160℃后，水泥石强度呈现衰退现象，衰退速度随着养护温度的升高而加快。常用的高温固井水泥为G级油井水泥加30-40%的石英砂。G级油井水泥是一种基本油井水泥，主要矿物组分为C3S、C2S、C3A和C4AF。由于含量最高的矿物C3S水化速度快，利于提高早期强度，但不利于在高温环境下稠化时间的控制，故G级油井水泥的C3S控制在中等水平，适用温度范围较为广泛。在超高温环境下时，G级油井水泥的适应性降低。
根据水化机理及水化产物热力学分析可知，当养护温度超过160℃后，G级加砂水泥的水化产物由雪硅钙石转向硬硅钙石。由于硬硅钙石网架结构相对较粗大，削弱了其强度，因此比能形成针状网络结构的雪硅钙石组成的水泥石的强度低。160℃后加砂水泥石强度产生降低的原因正是由于晶型转变引起的孔隙率和渗透率增大等综合因素导致。
为了提高高温固井水泥的性能，大多数技术路线都是通过改变硅质材料的含量、细度（CN201610053575.9、CN201710179424.2）及改变高温缓凝剂的性能（CN201710505577.1、CN201310733606.1）来实现。很少有从水泥组分及水化产物的角度来改善高温固井水泥浆性能的技术思路。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种抗高温固井水泥浆体系，本发明的发明目的在于解决现有技术中当养护温度超过160℃后，G级加砂水泥的水化产物由雪硅钙石转向硬硅钙石的问题，本申请的通过加入晶型稳定剂，在水泥将水化时参与水化反应，金属离子进入水化硅酸钙的结构中，起到阻止水化产物中雪硅钙石转向硬硅钙石的转变，使水泥石保持致密结构，从而具有良好的高温稳定性。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：包括以下组分：
硅酸盐水泥：60-75%；
抗强度衰退剂：15-25%；
晶型稳定剂：2-8%；
高温缓凝剂：0.5-6%；
高温降失水剂：3-8%；
所述硅酸盐水泥为D级油井水泥或低热水泥中的一种，比表面积为280-350m2/kg；所述抗强度衰退剂中SiO2含量＞90%，目数≥150目；所述晶型稳定剂中SiO2含量＞30%，目数≥600目。
优选的，所述抗强度衰退剂为石英砂、微硅、珍珠岩、硅藻土中的一种或几种的组合。
优选的，所述晶型稳定剂为硅酸锆、硅酸铝或硅酸镁中的一种或几种的组合。
优选的，所述硅酸锆为粉体，ZrO2含量≥65%，SiO2含量＞30%。
优选的，所述硅酸铝为粉体，Al2O3含量≥8%，SiO2含量＞70%。
优选的，所述硅酸镁为粉体，MgO ≥20.0％，SiO2≥45.0％。
优选的，所述高温缓凝剂为AMPS聚合物类缓凝剂或有机膦酸类缓凝剂中的一种或几种的组合。
优选的，所述高温降失水剂为AMPS类阴离子类降失水剂。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本申请采用硅酸盐水泥中的D级油井水泥或低热水泥中的一种，相对于G级油井水泥，D级水泥和低热水泥中的C3S、C3A等水化速度快的矿物含量更低，而C2S含量更高，在高温条件下水化速度更慢，有利于在高温条件下稠化时间的调节；对抗强度衰退剂的要求和掺量更低，利于扩大原材料来源，改善浆体稳定性。
2、为了降低水泥浆中的钙硅比，需要在水泥浆中的加入15-25%的石英砂，且对石英砂的二氧化硅含量要求高。必须大于90%；由于石英砂的比重与水泥颗粒不同，在高温条件下易出现分层现象，因此石英砂的细度小，不利于硅质原材料的生产；因此本申请限定抗强度衰退剂的目数≥150目。
3、与现有技术相比，本申请加入晶型稳定剂，在水泥浆水化时参与水化反应，金属离子进入水化硅酸钙的结构中，起到阻止水化产物中雪硅钙石转向硬硅钙石的转变，使水泥石保持致密结构，从而具有良好的高温稳定性。
4、本申请通过优化固井水泥材料在高温条件的稳定性，降低对缓凝剂的性能要求，达到降低固井工艺调整的难度，降低固井作业风险的目的。
附图说明
图1为本发明实施例1水泥浆体系150℃稠化时间曲线；
图2为本发明实施例2水泥浆体系150℃稠化时间曲线；
图3为本发明实施例3水泥浆体系180℃稠化时间曲线；
图4为本发明实施例4水泥浆体系210℃稠化时间曲线；
图5为本发明实施例4的样品SEM图；
图6为本发明实施例5的样品SEM图。
具体实施方式
通过结合以下实例，对本发明进一步阐述说明，本发明包括但不限于以下实例内容。水泥为嘉华特种水泥股份有限公司提供，高温缓凝剂和高温降失水剂均为濮阳市正合石油工程技术有限公司提供，抗强度衰退剂和晶型稳定剂为市售产品。实例中无特殊说明，均为重量百分比。
实施例1
采用低热水泥水泥为基础水泥，抗衰退剂为石英砂，晶型稳定剂为硅酸锆，高温缓凝剂为有机膦酸类缓凝剂（T611），高温降失水剂为APMS类缓凝剂（M89L）。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施案例2
采用D级油井水泥为基础水泥，抗衰退剂为硅藻土和微硅，晶型稳定剂为硅酸镁，高温缓凝剂为有机膦酸类缓凝剂（T611）和AMPS类缓凝剂（T613）的混合物，高温降失水剂为APMS类缓凝剂（M89L）。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
实施例3
实施案例3
采用低热水泥水泥为基础水泥，抗衰退剂为珍珠岩粉和微硅，晶型稳定剂为硅酸镁，高温缓凝剂为有机膦酸类缓凝剂（T611）和AMPS类缓凝剂（T613）的混合物，高温降失水剂为APMS类缓凝剂（M89L）。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
实施例4
采用D级油井水泥为基础水泥，抗衰退剂为石英粉和微硅，晶型稳定剂为硅酸铝，高温缓凝剂为AMPS类缓凝剂（T613），高温降失水剂为APMS类缓凝剂（M89L）。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
实施例5
采用G级高抗油井水泥为基础水泥。
Figure DEST_PATH_IMAGE010
由上述实施例1-5的组分所调配的水泥将体系，其水泥浆体系性能如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
由上述实施例1-5的对比实验可知，本申请采用硅酸盐水泥中的D级油井水泥或低热水泥中的一种，相对于G级油井水泥，D级水泥和低热水泥中的C3S、C3A等水化速度快的矿物含量更低，而C2S含量更高，在高温条件下水化速度更慢，有利于在高温条件下稠化时间的调节；对抗强度衰退剂的要求和掺量更低，利于扩大原材料来源，改善浆体稳定性；为了降低水泥浆中的钙硅比，需要在水泥浆中的加入15-25%的石英砂，且对石英砂的二氧化硅含量要求高。必须大于90%；由于石英砂的比重与水泥颗粒不同，在高温条件下易出现分层现象，因此石英砂的细度小，不利于硅质原材料的生产；因此本申请限定抗强度衰退剂的目数≥150目；与现有技术相比，本申请加入晶型稳定剂，在水泥浆水化时参与水化反应，金属离子进入水化硅酸钙的结构中，起到阻止水化产物中雪硅钙石转向硬硅钙石的转变，使水泥石保持致密结构，从而具有良好的高温稳定性；本申请通过优化固井水泥材料在高温条件的稳定性，降低对缓凝剂的性能要求，达到降低固井工艺调整的难度，降低固井作业风险的目的。

Claims (8)

1.一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：包括以下组分：
硅酸盐水泥：60-75%；
抗强度衰退剂：15-25%；
晶型稳定剂：2-8%；
高温缓凝剂：0.5-6%；
高温降失水剂：3-8%；
所述硅酸盐水泥为D级油井水泥或低热水泥中的一种，比表面积为280-350m2/kg；所述抗强度衰退剂中SiO2含量＞90%，目数≥150目；所述晶型稳定剂中SiO2含量＞30%，目数≥600目。
2.如权利要求1所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述抗强度衰退剂为石英砂、微硅、珍珠岩、硅藻土中的一种或几种的组合。
3.如权利要求1所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述晶型稳定剂为硅酸锆、硅酸铝或硅酸镁中的一种或几种的组合。
4.如权利要求3所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述硅酸锆为粉体，ZrO2含量≥65%，SiO2含量＞30%。
5.如权利要求3所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述硅酸铝为粉体，Al2O3含量≥8%，SiO2含量＞70%。
6. 如权利要求3所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述硅酸镁为粉体，MgO ≥20.0％，SiO2≥45.0％。
7.如权利要求1所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述高温缓凝剂为AMPS聚合物类缓凝剂或有机膦酸类缓凝剂中的一种或几种的组合。
8.如权利要求1所述的一种抗高温固井水泥浆体系，其特征在于：所述高温降失水剂为AMPS类阴离子类降失水剂。
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