CN112390659A - 一种水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水泥浆体系，其组分包括油井水泥、微珠、硅粉、微硅、膨胀剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水。所述水泥浆体系的密度为1.35至1.5g/cm3，耐受温度范围为100至150℃；承压能力在90至110MPa之间。

Description

一种水泥浆体系
技术领域
本发明提供了一种水泥浆体系，特别涉及一种低密度水泥浆体系。
背景技术
随着石油工业勘探开发技术的进步，深部油气资源为今后勘探开发的重点领域。但在深层勘探开发过程中面临的地质特征更为复杂。诸如地层埋藏深、地层压力低、裂缝发育，导致在钻井与固井作业中漏失现象频发；同时，地层温度高，对水泥浆稳定性提出较高要求。针对于该地质特征，常采用分级注水泥工艺和降低水泥浆密度两种方法，以改善固井作业中由于井漏引起的固井质量差，水泥石密封效果难以保证等技术难题。然而，分级注水泥工艺工序复杂、且存在分级箍打不开的风险，从而增加了建井周期与成本。而近年来研制的低密度水泥浆体系，虽然具备较小的静液柱压力，但其抗温性、沉降稳定性、降失水性及其形成的水泥石抗压性等未能完全满足低压易漏地层低成本固井的特性。
目前市场上在用的低密度水泥浆体系主要分为如下几类：
1)粉煤灰低密度水泥浆体系，根据粉煤灰掺量的不同，其密度范围为1.55-1.70g/cm3。
2)膨润土低密度水泥浆体系，根据膨润土掺量不同，其密度范围为1.53-1.58g/cm3。
3)水玻璃低密度水泥浆体系，根据水玻璃掺量不同，其密度范围为1.45-1.55g/cm3。
4)微珠低密度水泥浆体系，根据微珠掺量不同，其密度范围为1.08-1.45g/cm3。
从上述可知已有的粉煤灰、膨润土及水玻璃低密度水泥浆体系最小密度为1.45g/cm3，为了能满足更低地层漏失压力的要求封固要求，涉及的四种水泥浆体系中仅微珠低密度水泥浆体系能满足要求。而微珠低密度水泥浆体系在流变性、沉降稳定性、低失水量等特性方面存在不足。
发明内容
本发明提供了一种水泥浆体系，其组分包括油井水泥、微珠、硅粉、微硅、膨胀剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水。
在一个具体实施方式中，所述水泥浆体系的密度为1.35至1.5g/cm3。
在一个具体实施方式中，所述水泥浆体系的耐受温度范围为100至150℃。
在一个具体实施方式中，所述水泥浆体系的承压能力在90至110MPa之间。
在一个具体实施方式中，以100质量份油井水泥计，微珠20至35质量份、硅粉15至30质量份、微硅15至25质量份、膨胀剂2.5至4质量份、降失水剂4至6质量份、分散剂1.5至2质量份、缓凝剂1.5至2质量份、消泡剂0.5至1质量份和水80至100质量份。
在一个具体实施方式中，所述微珠为空心玻璃微珠，所述空心玻璃微珠的密度为0.45至0.6g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。该空心玻璃微珠的国产微珠制备工艺可以为：1)选用高纯度石英砂等原材料，按一定的配比，将石英砂与钠、钙、铝及硼的氧化物在高温(大于等于1400℃)下进行熔融，经过骤冷制得玻璃料；2)将制得的玻璃料经过粉碎、筛分，优选出不同粒径范围的玻璃颗粒；3)将优选出的玻璃颗粒在不同的高温(1000-1400℃)、气氛条件下进行微珠成型及空心化工艺，制得空心的玻璃微珠；4)将制得的空心玻璃微珠经过精炼设备，提高空心玻璃微珠的物理性能。
在一个具体实施方式中，所述硅粉的密度为2.55至2.65g/cm3，粒径74至125μm。
在一个具体实施方式中，所述微硅的密度为2.2至2.3g/cm3，粒径在0.1至0.3μm。所述微硅中含有二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁和氧化镁。
在一个具体实施方式中，所述微硅中含有SiO2 92.46wt％、Al2O3 0.29wt％，Fe2O30.88wt％，CaO 1.78wt％，以及MgO 0.3wt％。
在一个具体实施方式中，所述膨胀剂的粒径为0.15至0.18mm，所述膨胀剂为成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。其也可以由氯化钠、硫代硫酸钠、拉开粉BX(二异丁基萘磺酸钠)、减水剂JN(萘磺酸甲醛缩合物钠盐)、氯化铵、铝粉和铁粉构成。
在一个具体实施方式中，氯化钠：硫代硫酸钠：拉开粉BX(二异丁基萘磺酸钠)：减水剂JN(萘磺酸甲醛缩合物钠盐)：氯化铵：铝粉：铁粉的质量比为(1-2)：(1-2)：(0.25-1)：(0.5-1)：(1-1.5)：(0.005-0.01)：(100-160)。
在一个具体实施方式中，所述降失水剂为抗高温降失水剂。
在一个具体实施方式中，优选所述降失水剂成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。其也可以为由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酰胺(AM)形成的聚合物、由马来酸酐(MA)与N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)形成的聚合物、由2-丙烯酰胺-2—甲基丙磺酸(AMPS)与N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)形成的聚合物、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酰胺(AM)形成的聚合物、丙烯酸(AA)聚合物中的至少一种。
在一个具体实施方式中，所述分散剂为成都聚博科技发展有限公司的KF-1。其也可以为聚苯乙烯磺酸盐，密胺磺酸盐(PMS)，聚萘磺酸盐，甲醛与丙酮缩聚物中的至少一种。
在一个具体实施方式中，所述缓凝剂为成都聚博科技发展有限公司的KH-2。其也可以为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与衣康酸(IA)形成的共聚物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酸(AA)形成的共聚物、木质素磺酸盐中的至少一种。
在一个具体实施方式中，所述消泡剂为成都聚博科技发展有限公司的KP-100。其也可以为聚醚酯和/或磷酸三丁酯。
在一个具体实施方式中，所述油井水泥为G级水泥。
在一个具体实施方式中，所述油井水泥的密度为3.1至3.2g/cm3；粒径分布为5至100μm。其中，所述油井水泥中含有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。
在一个具体实施方式中，水可以为淡水、海水或矿化度水。
本发明的有益效果：
本发明针对于已有配方应用限制，经过大量前期调研与前期室内实验，调配出一种固井成本低、货源广泛、调配简单、性能稳定的满足低压易漏地层固井的低密度水泥浆体系。本发明的低密度水泥浆体系具有以下几个方面的功能：
1.微珠破碎率小，满足深井、井底压力高于70MPa条件下的承压要求；
2.具备良好流变性，沉降稳定性及低失水的效果；
3.该浆体稠化时间在4-6h范围内可调，且满足大温差固井工况要求；
4.形成水泥石其抗压强度均大于14MPa；
5.水泥浆中外加剂种类少，调配工艺简单方便；
附图说明
图1为水泥浆沉降稳定性测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明实施例仅为示例性的说明，该实施方式无论在任何情况下均不构成对本发明的限定。
如无特别说明，以下实施例中使用的试剂均可市售获得。
实施例1
油井水泥100质量份，微珠35质量份、硅粉30质量份、微硅25质量份、膨胀剂4质量份、降失水剂6质量份、分散剂2.0质量份、缓凝剂2.0质量份、消泡剂1质量份，水100质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.1g/cm3，粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.45g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.55g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.20g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：粒径为0.16mm，成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
混配过程：
1)将水泥、微珠、微硅、硅粉及膨胀剂按要求比例混合均匀后得到固相；
2)秤取外加剂：将降失水剂、分散剂及缓凝剂倒入烧杯中得到液相；
3)将固相和液相混合，添加要求比例的水，搅拌均匀后，再添加要求比例的消泡剂。
密度采用钻井液密度计来测定。
流动度采用阿玆圆锥来测定。
API(美国石油标准学会)失水采用失水仪来测定。
游离液用玻璃量筒来测定。
稠化时间采用高温高压稠化仪来测定。
48h抗压强度采用抗压强度试验机来测定。
结果见表1。
沉降稳定性采用沉降管来测定。结果见图1。
实施例2
油井水泥100质量份，微珠28质量份、硅粉22质量份、微硅20质量份、膨胀剂3.5质量份、降失水剂5.5质量份、分散剂1.8质量份、缓凝剂1.7质量份、消泡剂0.8质量份和水93质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.15g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.50g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.58g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.25g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：粒径为0.15mm，成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100
其他同实施例1。
结果见表1。沉降稳定性结果见图1。
实施例3
油井水泥100质量份，微珠25质量份、硅粉19质量份、微硅18质量份、膨胀剂3.0质量份、降失水剂5质量份、分散剂1.6质量份、缓凝剂1.6质量份、消泡剂0.7质量份和水87质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.15g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.50g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.55g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.28g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：粒径为0.18mm，成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
其他同实施例1。
结果见表1。沉降稳定性结果见图1。
实施例4
油井水泥100质量份，微珠20质量份、硅粉15质量份、微硅15质量份、膨胀剂2.5质量份、降失水剂4质量份、分散剂1.5质量份、缓凝剂1.5质量份、消泡剂0.5质量份和水80质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.2g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.60g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.65g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.30g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：粒径为0.17mm，成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
混配过程同实施例1。
结果见表1。沉降稳定性结果见图1。
对比例1
油井水泥100质量份，微珠20质量份、硅粉15质量份、微硅15质量份、膨胀剂2.0质量份、降失水剂4.0质量份、分散剂1.5质量份、缓凝剂1.5质量份、消泡剂0.5质量份和水80质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.2g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.60g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.65g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.30g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
混配过程同实施例1。
结果见表1。
对比例2
油井水泥100质量份，微珠20质量份、硅粉15质量份、微硅15质量份、膨胀剂2.5质量份、降失水剂3.0质量份、分散剂1.5质量份、缓凝剂1.7质量份、消泡剂0.5质量份和水80质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.2g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.60g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.65g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.30g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
混配过程同实施例1。
结果见表1。
对比例3
油井水泥100质量份，微珠20质量份、硅粉15质量份、微硅15质量份、膨胀剂2.5质量份、降失水剂4.0质量份、分散剂1.0质量份、缓凝剂1.5质量份、消泡剂0.5质量份和水80质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.2g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.60g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.65g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.30g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
混配过程同实施例1。
结果见表1。
对比例4
油井水泥100质量份，微珠20质量份、硅粉15质量份、微硅15质量份、膨胀剂2.5质量份、降失水剂4.0质量份、分散剂1.5质量份、缓凝剂1.0质量份、消泡剂0.5质量份和水80质量份。
油井水泥为G级油井水泥，新疆青松建材化工(集团)股份有限公司，密度为3.2g/cm3粒径分布为5至100μm。
空心玻璃微珠：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，密度为0.60g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm。
硅粉：密度为2.65g/cm3，粒径74至125μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
微硅：密度为2.30g/cm3，粒径0.1至0.3μm，新疆库尔勒华晟化工有限责任公司。
膨胀剂：成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
降失水剂：成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
分散剂：成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
缓凝剂：成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
消泡剂：成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
混配过程同实施例1。
结果见表1。
表1
实施例 密度g/cm<sup>3</sup> 流动度cm API失水ml 游离液ml 稠化时间min 48h抗压强度MPa
实施例1 1.35 24.3 28 0 396 14.16
实施例2 1.40 24.5 32 0 330 14.86
实施例3 1.45 25 33.2 0 360 15.83
实施例4 1.50 25.1 35.0 0 340 16.00
对比例1 1.50 24.9 35 0 342 13.5
对比例2 1.50 22.0 68 0.5 349 12.8
对比例3 1.50 21.6 62 0.2 331 12.4
对比例4 1.50 24.3 34.5 0 225 15.80
从表1中可知，该低密度水泥浆流变性很好，其流动度均大于24cm，API失水均小于35.0ml，游离液均为0，稠化时间大于330min，抗压强度均大于14.16MPa。其性能良好。
此外，从图1中可以看出，该水泥浆浆体的稳定性很好，水泥石最大差为0.008g/cm3。
但是，以密度1.5g/cm3的水泥浆为例，通过分别改变膨胀剂、降失水剂、分散剂及缓凝剂加量时，水泥浆的性能未满足生产要求。
虽然本发明已经参照具体实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解在没有脱离本发明的真正的精神和范围的情况下，可以进行的各种改变。此外，可以对本发明的主体、精神和范围进行多种改变以适应特定的情形、材料、材料组合物和方法。所有的这些改变均包括在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种水泥浆体系，其组分包括油井水泥、微珠、硅粉、微硅、膨胀剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水。
2.根据权利要求1所述的水泥浆体系，其特征在于，所述水泥浆体系的密度为1.35至1.5g/cm3。
3.根据权利要求1或2所述的水泥浆体系，其特征在于，所述水泥浆体系的耐受温度范围为100至150℃；优选所述水泥浆体系的承压能力在90至110MPa之间。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，以100质量份油井水泥计，微珠20至35质量份、硅粉15至30质量份、微硅15至25质量份、膨胀剂2.5至4质量份、降失水剂4至6质量份、分散剂1.5至2质量份、缓凝剂1.5至2质量份、消泡剂0.5至1质量份和水80至100质量份。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述微珠为空心玻璃微珠，所述空心玻璃微珠的密度为0.45至0.6g/cm3，粒径为2至100μm，壁厚为0.5至2μm；
优选所述硅粉的密度为2.55至2.65g/cm3，粒径74至125μm；
优选所述微硅的密度为2.2至2.3g/cm3，粒径在0.1至0.3μm。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述膨胀剂的粒径为0.15至0.18mm，所述膨胀剂为成都聚博科技发展有限公司的SNP-2。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述降失水剂为成都聚博科技发展有限公司的KT-5A。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述分散剂为成都聚博科技发展有限公司的KF-1。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述缓凝剂为成都聚博科技发展有限公司的KH-2。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的水泥浆体系，其特征在于，所述消泡剂为成都聚博科技发展有限公司的KP-100。
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