CN112125699A - 低密度油井水泥浆及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种低密度油井水泥浆及其制备方法和应用，该低密度油井水泥浆，按重量份数计，其原料包括：油井水泥57‑82份；硅灰10‑15份；沉珠5‑25份和早强剂2‑3份；水灰比为0.68‑0.9。本发明以普通油井水泥为基材料，采用沉珠作为减轻材料，并添加硅灰和少量的早强剂，通过合理的粒级搭配以得到高性能低密度高强油井水泥浆，充分发挥减轻材料、超细材料、外加剂间的物理化学作用。本发明的低密度油井水泥浆的密度在约1.30g/cm³‑1.70g/cm³之间，可以依据地层条件调整选择合适密度，在使用时沉珠不易破裂，可以保证水泥浆的性能稳定，适用于多种复杂油气固井需求，可在一定密度范围内使用沉珠代替漂珠制备低密高强水泥浆。

Description

低密度油井水泥浆及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种低密度油井水泥浆，特别是涉及一种用于油田固井领域的非漂珠低密度高强油井水泥及其制备方法。

背景技术

随着石油勘探开发力度的加大，固井作业中遭遇的特殊井、疑难井、天然气井越来越多，如低压易漏井、长封固段井等固井质量的提高，都是急待解决的问题。

采用低密度水泥浆平衡固井是防漏、提高固井质量和保护油气层的有效措施之一。目前最常用的是漂珠粉煤灰低密度水泥浆体系，其优点是具有较低的密度和较高的抗压强度，但是这种水泥浆存在以下缺点：1、漂珠为空心玻璃体，漂珠壁薄、强度低，所以其在一定压力下，水将通过漂珠上的细孔进入空心球内，这使得融有多种化学外加剂的液体进入漂珠内，易使浆体密度升高，造成水泥浆不能保持设计密度，随着压力的升高，破碎的漂珠逐渐增多，使水泥浆的密度增大、流动性变差，给固井施工带来不安全因素，甚至压漏地层，失去原有的效果，严重的使固井失败；2、漂珠价格昂贵，生产成本高；3、漂珠密度低于水密度，在配制水泥浆时漂珠上浮，影响浆体稳定性。尽管目前已经有相关技术能够生产高性能的人造空心玻璃漂珠，但由于其价格昂贵，导致固井成本大幅度提高。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种低密度油井水泥浆及其制备方法和应用，其使用沉珠代替漂珠，解决了现有技术中使用漂珠制得的低密度油井水泥浆存在稳定性差、浆体流动性不好及生产成本高等问题。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种低密度油井水泥浆，其包括以下组分的原料制备而得：各组分按重量份数计：

水灰比为0.68-0.9。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中所述沉珠的密度为1.0-1.3g/cm³，粒度分布为D50小于15μm，D97小于30μm，堆积密度为0.5-0.65g/cm³。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中所述沉珠的化学成分包括：SiO₂ 55-65％，Al₂O₃ 20-30％，Fe₂O₃ 4-7％，CaO 6-9％和MgO 1-2％。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中所述油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中所述硅灰中SiO₂的质量含量≥90％，平均粒径为100-200nm。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中所述早强剂为三乙醇胺、甲酸钙、硝酸钙、硫酸钠和偏铝酸钠中的至少一种。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中所述低密度水泥浆的密度为1.30g/cm³-1.70g/cm³。

优选的，前述的低密度油井水泥浆，其中按重量份数计，其原料包括：

G级油井水泥72份；硅灰15份；沉珠10份和早强剂3份；

水灰比为0.8；所述低密度水泥浆的密度为1.50±0.03g/cm³；

或，

G级油井水泥57份；硅灰15份；沉珠25份和早强剂3份；

水灰比为0.9；所述低密度水泥浆的密度为1.40±0.03g/cm³；

或，

G级油井水泥82份；硅灰10份；沉珠5份和早强剂3份；

水灰比为0.68；所述低密度水泥浆的密度为1.60±0.03g/cm³。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种低密度油井水泥浆的制备方法，其包括：

步骤1、按重量份数计，分别称取油井水泥57-82份、硅灰10-15份、沉珠5-25份和早强剂2-3份；并按0.68-0.9的水灰比称取纯净水；

步骤2、先将油井水泥与硅灰、沉珠和早强剂混合，搅拌均匀，得到混合物；然后将所述混合物加入到纯净水中，搅拌混合均匀，得到低密度油井水泥浆。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种前述的低密度油井水泥浆在油气井固井中的应用。

借由上述技术方案，本发明提出的低密度油井水泥浆及其制备方法和应用至少具有下列优点：

1、本发明的低密度油井水泥浆采用沉珠作为减轻材料，沉珠的密度约为1.0-1.3g/cm³，略高于水的密度，在现场施工加水时沉珠不会浮出水面，也就不会出现水泥浆体分层现象，解决了漂珠在配制水泥浆时漂珠易上浮，影响浆体稳定性的技术问题，且沉珠的壁厚大于漂珠的壁厚，在使用时沉珠不易破裂，因此，使用沉珠作为减轻材料可以保证水泥浆的性能稳定。同时沉珠的“滚珠效应”对水泥浆有极佳的润滑改善作用，这种特性使得水泥浆具有较高的流动度。在实验中也发现，使用沉珠形成的水泥浆沉降稳定性好，均匀不分层，而是用漂珠形成的水泥浆，会出现分层现象，影响水泥浆的稳定性。本发明使用沉珠得到的水泥浆的密度在约1.30g/cm³-1.70g/cm³之间，优选1.40g/cm³-1.60g/cm³，因此，在这个范围内的水泥浆，使用沉珠代替漂珠，可以提高水泥浆的稳定性和流动性，保证水泥的强度，同时降低生产成本。

2、本发明的低密度油井水泥浆采用沉珠作为减轻材料，沉珠壳体主要由硅酸玻璃体质组成，能与水泥水化产物Ca(OH)₂和矿物中的CaSO₄反应，生成具有胶凝特性的产物，有利于水泥石强度的发展和渗透率的降低。

3、本发明以普通油井水泥为基材料，采用沉珠作为减轻材料，仅需添加硅灰和少量的早强剂就可以得到低密度油井水泥浆，所用的组分少，且沉珠价格比于漂珠价格低很多，漂珠的市场价格约为8000-10000元/吨，而沉珠的市场价格约为800-1000元/吨，每吨沉珠的价格仅为漂珠的十分之一左右。因此，本发明使用沉珠作为减轻材料可大幅降低水泥浆的生产成本。

4、本发明以普通油井水泥为基材料，充分发挥减轻材料、超细材料、外加剂间的物理化学作用，经过机械混拌、均化制成。本发明的低密度水泥浆除了在油井水泥中添加沉珠作为减轻材料外，还添加硅灰和早强剂，通过合理的粒级搭配以得到高性能低密度高强油井水泥浆，符合基材颗粒级配紧密堆积原理以及混凝土设计技术。其中硅灰的比表面积为18-25m²/g，吸水性能强且能提高水泥浆体稳定性，加入硅灰可调节水泥浆体流动度，减少自由水含量，并且利用其高活性，能使低密度水泥浆抗压强度形成加快，提高水泥浆中的S/C摩尔比，防止水泥石在高温下强度衰退；早强剂提高水泥浆的早期强度，对后期强度无显著影响，同时还能降低水泥浆的密度。

5、本发明的低密度水泥浆具有强度高，浆体密度低，流动性强，在堵漏、充填微小空隙等作业中效果好等特点，适用于多种复杂油气固井需求，可代替部分漂珠低密高强水泥浆体系。

6、本发明的低密度水泥浆的密度在约1.30g/cm³-1.70g/cm³之间，可以依据地层条件调整选择合适密度，因而可以适用不同的压力地层。水泥浆密度的确定主要依据地层破裂压力和地层孔隙压力而定，水泥浆的密度决定了水泥浆的静液柱压力，而静液柱压力通常要保持在地层破裂压力和地层孔隙压力之间。水泥浆密度过高会压漏或压破地层；水泥浆密度过低可能会发生井涌或井喷等重大事故。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的低密度油井水泥浆及其制备方法和应用其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明提出的一种低密度油井水泥浆，其包括以下组分的原料制备而得：各组分按重量份数计：

水灰比为0.68-0.9。

本发明中的沉珠是指粉煤灰沉珠，其为具有连续粒径分布的超细、具有正球状的粉体。沉珠的“滚珠效应”对水泥浆有极佳的润滑改善作用，这种特性使得水泥浆具有较高的流动度。沉珠的粒径小，比表面积大，需要吸附一定的自由水润湿表面，减少了水泥浆中的自由水，同时沉珠的加入增加了固相堆积密度，吸附了更多的自由水，控制了水泥浆的游离水，并且在使用时沉珠不易破裂，提高了浆体的稳定性。

本发明的低密度水泥浆除了采用沉珠作为减轻材料外，还搭配合适粒级的硅灰和少量的早强剂，加入沉珠作为减轻材料，可以保证水泥浆的性能稳定。硅灰能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体；加入硅灰可调节水泥浆体流动度，减少自由水含量，并且利用其高活性，能使低密度水泥浆抗压强度形成加快，提高水泥浆中的S/C摩尔比，防止水泥石在高温下强度衰退。加入早强剂提高水泥浆的早期强度，对后期强度无显著影响。充分发挥减轻材料、超细材料、外加剂间的物理化学作用，符合颗粒级配紧密堆积原理以及混凝土设计要求，得到水泥浆具有强度高，浆体密度低，流动性强，在堵漏、充填微小空隙等作业中效果好等特点，适用于多种复杂油气固井需求，可在一定密度范围内使用沉珠代替漂珠制备低密度高强水泥浆。

在一些实施方式中，所述沉珠的化学成分包括：SiO₂ 55-65％，Al₂O₃ 20-30％，Fe₂O₃ 4-7％，CaO 6-9％和MgO 1-2％。进一步优选，所述沉珠的化学成分包括：SiO₂58.5％，Al₂O₃ 22.5％，Fe₂O₃ 5.4％，CaO 7.4％和MgO 1.4％，由于沉珠型号的不同，还可能含有少量的Na₂O、K₂O、SO₃等的至少一种，优选碳含量<1。

沉珠中含有大量的活性氧化硅和氧化铝等，将参与水泥熟料的水化反应。沉珠可提高水泥石的强度：其一是沉珠中的这些氧化物与水泥接触后，将参与水泥熟料的水化反应，从而提高水泥石的抗压强度；其二是由水泥熟料水化时产生的游离氢氧化钙和沉珠中活性氧化硅和氧化铝之间的二次反应所产生的附加水化产物所提供，以及由熟料水化反应所产生的高碱性水化物与沉珠中活性氧化物反应后转化为低碱性水化物，使胶凝性能提高，从而提高水泥石的抗压强度。综上所述，沉珠的加入可显著提高水泥石的抗压强度。

在一些实施方式中，所述沉珠的密度为1.0-1.3g/cm³，粒度分布为D50小于15μm，D97小于30μm，堆积密度为0.5-0.65g/cm³。

本发明的低密度水泥浆是以普通油井水泥为基材料，采用沉珠作为减轻材料，沉珠的密度约为1.0-1.3g/cm³，略高于水的密度，在现场施工加水时沉珠不会浮出水面，也就不会出现水泥浆体分层现象，解决了漂珠在配制水泥浆时漂珠易上浮，影响浆体稳定性的技术问题，且沉珠的壁厚大于漂珠的壁厚，在使用时沉珠不易破裂，因此，使用沉珠作为减轻材料可以保证水泥浆的性能稳定。且沉珠的价格比漂珠要低得多，大大降低了生产成本。

在一些实施方式中，所述油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。

在一些实施方式中，所述硅灰中SiO₂的质量含量≥90％，优选≥92％，更优选95％，平均粒径为100-200nm，硅灰的比表面积大于20000m²/kg。

本发明的早强剂选自本领域技术人员熟知的早强剂，原则上能够提高水泥浆的早期强度，并且对后期强度无显著影响的早强剂都可以选择，早强剂的主要作用在于加速水泥水化速度，促进混凝土早期强度的发展；既具有早强功能，又具有一定减水增强功能。在使用时需要严格控制早强剂的用量，需要注意的是，不同厂家的产品用量会有差异。在一些实施方式中，优选所述早强剂为三乙醇胺、甲酸钙、硝酸钙、硫酸钠和偏铝酸钠中的至少一种。

在一些实施方式中，所述低密度水泥浆的密度为1.30g/cm³-1.70g/cm³；优选1.40g/cm³-1.60g/cm³。

本发明的低密度水泥浆的密度在约1.30g/cm³-1.70g/cm³之间，可以依据地层条件调整选择合适密度，因而可以适用不同的压力地层。水泥浆密度的确定主要依据地层破裂压力和地层孔隙压力而定，水泥浆的密度决定了水泥浆的静液柱压力，而静液柱压力通常要保持在地层破裂压力和地层孔隙压力之间。水泥浆密度过高会压漏或压破地层；水泥浆密度过低可能会发生井涌或井喷等重大事故。

在一些实施方式中，按重量份数计，其原料包括：

G级油井水泥72份；硅灰15份；沉珠10份和早强剂3份；水灰比为0.8；所述低密度水泥浆的密度为1.50±0.03g/cm³。

G级油井水泥57份；硅灰15份；沉珠25份和早强剂3份；水灰比为0.9；所述低密度水泥浆的密度为1.40±0.03g/cm³；

在一些实施方式中，G级油井水泥82份；硅灰10份；沉珠5份和早强剂3份；水灰比为0.68；所述低密度水泥浆的密度为1.60±0.03g/cm³。

本发明以普通油井水泥为基材料，添加沉珠作为减轻材料，还添加硅灰和早强剂，充分发挥减轻材料、超细材料、外加剂间的物理化学作用，通过合理的粒级搭配以得到高性能低密度高强油井水泥浆，符合颗粒级配紧密堆积原理以及混凝土设计技术。

本发明的低密度水泥浆具有强度高，浆体密度低，流动性强，在堵漏、充填微小空隙等作业中效果好等特点，适用于多种复杂油气固井需求，可在一定密度范围内使用沉珠代替漂珠制备低密高强水泥浆。

本发明还提出一种低密度油井水泥浆的制备方法，其包括：

步骤1、按重量份数计，分别称取油井水泥57-82份、硅灰10-15份、沉珠5-25份和早强剂2-3份；并按0.68-0.9的水灰比称取纯净水；

步骤2、先将油井水泥与硅灰、沉珠和早强剂混合，搅拌均匀，得到混合物；然后将所述混合物缓缓加入到纯净水中，打开恒速搅拌机，以3000-5000r/min的转速搅拌40-60s，优选4000r/min的转速搅拌50s，混合均匀，得到低密度油井水泥浆。

本发明的低密度油井水泥浆所采用的原材料少，制备方法简单易操作，可用于油田固井，尤其是用于低压易漏地层和地层水腐蚀严重的表层固井。

本发明还提出一种低密度油井水泥浆在油气井固井中的应用。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明以下实施例中，若没有特殊说明，所用试剂皆可在市场上购买得到，若没有特殊说明，所涉及的方法皆为常规方法。

本发明以下实施例中，G级油井水泥选自大连水泥集团有限公司的高抗硫型G级油井水泥；沉珠选自河南铂润铸造材料有限公司；硅灰选自鞍山意通硅业新材料有限公司；早强剂选自大连瑞安建筑材料有限公司，型号Ra-6。

实施例1

一种低密度油井水泥浆的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、分别称取G级油井水泥246g、硅灰30g、沉珠15g、早强剂9g和纯净水204g；

步骤2、将步骤1的G级油井水泥、硅灰、沉珠和早强剂混合均匀，缓缓加入到纯净水中，以5000r/min的转速搅拌40s，混合均匀后，按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法配制水泥浆，得到低密度油井水泥浆1。

按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法对得到的低密度油井水泥浆1进行性能测试，得到的结果如表1所示。

实施例2

一种低密度油井水泥浆的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、分别称取G级油井水泥216g、硅灰45g、沉珠30g、早强剂9g和纯净水240g；

步骤2、将步骤1的G级油井水泥、硅灰、沉珠和早强剂混合均匀，缓缓加入到纯净水中，以4000r/min的转速搅拌50s，混合均匀后，按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法配制水泥浆，得到低密度油井水泥浆2。

按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法对得到的低密度油井水泥浆2进行性能测试，得到的结果如表1所示。

实施例3

一种低密度油井水泥浆的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、分别称取G级油井水泥171g、硅灰45g、沉珠75g、早强剂9g和纯净水270g；

步骤2、将步骤1的G级油井水泥、硅灰、沉珠和早强剂混合均匀，缓缓加入到纯净水中，以3000r/min的转速搅拌60s，混合均匀后，按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法配制水泥浆，得到低密度油井水泥浆3。

按照GB/T 19139-2012油井水泥试验方法对得到的低密度油井水泥浆3进行性能测试，得到的结果如表1所示。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3
				G级油井水泥	82％	72％	57％
硅灰	10％	15％	15％
				沉珠	5％	10％	25％
早强剂	3％	3％	3％
				水灰比	0.68	0.8	0.9
水泥浆密度(g/cm<sup>3</sup>)	1.60±0.03	1.50±0.03	1.40±0.03
				流动度(mm)	240	210	180
初始稠度(Bc)	14.8	11.8	8.4
				稠化时间(min)	262	252	235
48h，75℃强度(MPa)	17.2	13.2	11.3

由表1可见，在实施例1-3中，水泥浆密度约为1.40-1.60g/cm³，流动度均大于180mm，初始稠度小于20Bc，稠化时间大于120min，曲线平滑无波动，同时48h，75℃强度大于10MPa。因此，上述实施例1-3均满足低压力地层油田固井对水泥性能的要求。

从实施例1-3可看出，随着沉珠添加量的增大，水泥浆密度逐渐减小。同时随着沉珠添加量的增大，水泥浆的流动度也不断减小，但是其对流动度的影响较小，这是由于沉珠为正球状，其“滚珠效应”对水泥浆有极佳的润滑改善作用，这种特性使得水泥浆在具有较高的流动度，提高了浆体的稳定性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种低密度油井水泥浆，其特征在于，按重量份数计，其原料包括：

水灰比为0.68-0.9。

2.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，

所述沉珠的密度为1.0-1.3g/cm³，粒度分布为D50小于15μm，D97小于30μm，堆积密度为0.5-0.65g/cm³。

3.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，

所述沉珠的化学成分包括：SiO₂ 55-65％，Al₂O₃ 20-30％，Fe₂O₃ 4-7％，CaO 6-9％和MgO 1-2％。

4.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，

所述油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。

5.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，

所述硅灰中SiO₂的质量含量≥90％，平均粒径为100-200nm。

6.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，

所述早强剂为三乙醇胺、甲酸钙、硝酸钙、硫酸钠和偏铝酸钠中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，

所述低密度水泥浆的密度为1.30g/cm³-1.70g/cm³。

8.根据权利要求1所述的低密度油井水泥浆，其特征在于，按重量份数计，其原料包括：

G级油井水泥72份；硅灰15份；沉珠10份和早强剂3份；

水灰比为0.8；所述低密度水泥浆的密度为1.50±0.03g/cm³；

或，

G级油井水泥57份；硅灰15份；沉珠25份和早强剂3份；

水灰比为0.9；所述低密度水泥浆的密度为1.40±0.03g/cm³；

或，

G级油井水泥82份；硅灰10份；沉珠5份和早强剂3份；

水灰比为0.68；所述低密度水泥浆的密度为1.60±0.03g/cm³。

9.一种低密度油井水泥浆的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、按重量份数计，分别称取油井水泥57-82份、硅灰10-15份、沉珠5-25份和早强剂2-3份；并按0.68-0.9的水灰比称取纯净水；

步骤2、先将油井水泥与硅灰、沉珠和早强剂混合，搅拌均匀，得到混合物；然后将所述混合物加入到纯净水中，搅拌混合均匀，得到低密度油井水泥浆。

10.一种如权利要求1-8中任一项所述的低密度油井水泥浆在油气井固井中的应用。