CN113429163A - 一种用于固井作业的水泥组合物、水泥浆体系及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于固井作业的水泥组合物、水泥浆体系及其制备方法，属于石油钻井技术固井领域。本发明的水泥组合物，主要由以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂85～90份、改性二氧化硅纳米材料5～9份、纤维2～3份；改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为20～70nm。本发明的水泥组合物，利用纳米材料尺寸小、比表面积大及反应活性高的优点，保持低密度水泥浆在较大水灰比下良好的稳定性；利用各组分间的颗粒级配和紧密堆积原理，使小颗粒填充在大颗粒空隙间形成悬浮结构，提高低密度水泥石的抗压强度，降低了水泥石的渗透率；利用纤维能够进入漏失性地层，搭桥成网，增加流动阻力，达到堵漏目的，满足固井施工要求。

Description

一种用于固井作业的水泥组合物、水泥浆体系及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于固井作业的水泥组合物、水泥浆体系及其制备方法，属于石油钻井技术固井领域。
背景技术
随着钻井新技术研究应用，各大油田逐渐向复杂油气藏勘探开发。河南油田春光油田及渭北油田绿色开发，为保护地表水，要求水泥浆返至地面。春光油田稀油井区油气层埋藏深，地层胶结疏松，承压能力低，封固井段长，固井水泥浆漏失严重，部分井水泥浆全部漏失，井筒环空无水泥；渭北油田深层系油藏埋藏深，封固井段长，地层裂缝发育，固井水泥浆漏失严重，制约油气藏开发。目前，油田常用的低密度水泥浆，减轻材料一般选用漂珠，漂珠与水泥密度差较大，水泥浆密度小于1.50g/cm3，随着水泥浆密度逐渐降低，漂珠加量逐渐增大，漂珠低密度水泥浆体系稳定性变差，水泥浆分层严重；同时，漂珠低密度水泥浆低温下水泥石强度发展慢、水泥石抗压强度低等问题，难以满足固井施工需求，固井质量无法保证。如现有技术中，授权公告号为CN102585790B的中国发明专利公开了一种适合于长封固段固井作业的水泥浆体系，该水泥浆体系中各组分以及重量比例如下：水泥100份、微细胶凝材料27～33份、漂珠40～85份、微硅24～29份、降失水剂2～4份、分散剂1～2份、缓凝剂9～16份、水99～137份；所述的水泥为嘉华G级水泥，粒径范围为20～60μm。该水泥浆体系现场施工方便、成本低，能够满足中高温长封固段条件下固井，但是低温条件下水泥石强度发展慢、水泥石早期抗压强度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于固井作业的水泥组合物，可解决现有技术中用于固井作业的油井低密度水泥浆低温条件下水泥石强度发展慢，水泥石早期强度低的问题。
本发明还提供了一种采用上述水泥组合物的水泥浆体系及其制备方法。
为了实现以上目的，本发明的用于固井作业的水泥组合物所采用的技术方案是：
一种用于固井作业的水泥组合物，主要以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂85～90份、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料5～9份、纤维2～3份；所述减轻增强剂为微硅粉和超细水泥的混合物；所述表面活性剂改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为20～70nm。
本发明的用于固井作业的水泥组合物，利用纳米材料具有极小的尺寸、较大的比表面积及高的反应活性，可保持低密度水泥浆在较大水灰比下良好的稳定性；利用油井水泥、微硅、超细水泥和纤维之间的颗粒级配和紧密堆积原理，使小颗粒填充在大颗粒空隙间形成悬浮结构，提高低密度水泥石的抗压强度，降低了水泥石的渗透率；利用纤维材料能够进入漏失性地层，搭桥成网，增加流动阻力，达到堵漏目的，满足固井施工要求。本发明的用于固井作业的水泥组合物主要用于水泥浆易漏失地层固井。
表面活性剂改性二氧化硅纳米材料可以采用现有技术中表面活性剂改性的纳米二氧化硅，如所述表面活性剂改性二氧化硅纳米材料为天津中油渤星工程科技有限公司生产的型号为BCE-680S的产品；也可以是采用现有技术的改性方法制备的得到的表面活性剂改性的纳米二氧化硅，如其中一种改性方法是：配制一定浓度及pH的表面活性剂溶液，然后混入纳米二氧化硅，高速搅拌后高温烘干，即得表面活性剂改性二氧化硅纳米材料。
采用减轻增强剂可以降低水泥浆的密度且增加水泥石抗压强度。微硅是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时的副产物，细度小于1μm的占80％以上，平均粒径为0.1～0.3μm，可与水泥的水化产物氢氧化钙发生反应生成低碱度的含水硅酸钙水化物。超细水泥中位粒径D50可细至1μm以下。优选的，所述微硅粉和超细水泥的质量比为0.1～0.3:1。控制减轻增强剂中微硅粉和超细水泥的质量为上述范围，能够在增加水灰比降低水泥浆密度的同时提高水泥石强度的效果。
优选的，所述水泥组合物还包括助剂。所述助剂包括降失水剂。所述降失水剂与所述油井水泥的质量比为2～3:100。所述助剂还包括消泡剂。所述消泡剂与所述油井水泥的质量比为0.1～0.2:100。
优选的，所述超细水泥的平均粒径不大于5μm。
进一步优选的，所述超细水泥中颗粒的最大粒径不超过18μm，颗粒的粒径在5μm以下的占80％以上，平均粒径为1～5μm。
纤维能提高水泥浆防漏能力的同时增加低密度水泥浆体系的稳定性，并提高水泥石的韧性。为了进一步提高水泥浆的稳定性以及水泥浆对易漏失地层的封堵，提高水泥浆的防漏失能力，所述纤维的长度优选为1～15mm，直径优选为10～60μm。所述纤维为无机纤维。如所述纤维为山东金诚石化集团有限公司生产的型号为F27A的油井水泥防漏增韧剂。
优选的，所述油井水泥的平均粒径为20～100μm。该粒径的油井水泥与水泥外加剂配伍性能佳，水泥浆性能稳定好，水泥石抗压强度高渗透率低。所述油井水泥为G级油井水泥。所述G级油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。G级油井水泥是一种油水井常用水泥，与各种水泥外加剂配伍效果好。
优选的，所述微硅粉的平均粒径为0.1～0.3μm。该粒径的微硅粉能够填充水泥及超细水泥间的缝隙，提高水泥浆的稳定性及水泥石强度。
降失水剂能够降低水泥滤失量。优选的，所述降失水剂为聚合物降失水剂。所述降失水剂为G303油井水泥降失水剂或G33S油井水泥抗高温抗盐降失水剂中的一种。
消泡剂可以控制水泥浆配制过程产生的泡沫。优选的，所述消泡剂为酯类消泡剂、有机硅类消泡剂中的至少一种。如有机硅类消泡剂可以采用卫辉市化工有限公司生产的XP-I油井水泥消泡剂和/XP-Ш油井水泥消泡剂。
本发明的水泥浆体系所采用的技术方案为：
一种采用上述的水泥组合物的水泥浆体系。
本发明的水泥浆体系，通过调整水灰比，可控制密度为1.35g/cm3～1.40g/cm3，水泥浆稠化时间可调，45℃×24h抗压强度可达13.9MPa，低温强度高、沉降稳定性好，水泥石上下密度差为0g/cm3，水泥石渗透率≤0.015×10-3μm2，满足固井施工要求，并且成本低廉。
本发明的水泥浆体系可实现在较低密度下，保持水泥浆体系稳定，并具有优良的流变性，可减小固井环空液柱压力，降低或避免固井过程漏失风险，提高固井质量并有效的保护套管。
所述水泥浆体系包括所述水泥组合物和水；优选的，水与所述水泥组合物中油井水泥的质量比为165～180:100。
本发明的水泥浆体系的制备方法所采用的技术方案为：
一种上述水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
提供由油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、纤维和降失水剂组成的混合料A；提供由水和消泡剂组成的混合料B；将混合料A和混合料B混合均匀，即得。
本发明的水泥浆体系的制备方法，工艺简单，操作简便，制得的水泥浆体系的性能更稳定，使用时可以边将混合物A与混合物B混合均匀，边注入井内。
优选的，所述混合料A是将油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、纤维和降失水剂在室温下干混3～5min得到。
优选的，所述混合料B是将消泡剂和水在室温下，以150～250r/min的转速搅拌5～10min得到。
优选的，将混合料A和混合料B混合均匀是在室温下，将混合料A和混合料B混合后以4000～12000r/min的转速搅拌45～60s。
优选的，将混合料A和混合料B混合均匀是在15s内将混合料A加入混合料B中，再调整转速为12000r/min搅拌45s。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
具体实施方式的实施例1～5中采用的油井水泥为四川嘉华企业(集团)股份有限公司生产的G级高抗硫酸盐油井水泥；所采用的超细水泥中颗粒的最大粒径不超过18μm，颗粒的粒径在5μm以下的占80％以上；所采用的降失水剂为卫辉市化工有限公司生产的G33S油井水泥抗高温抗盐降失水剂；所采用的消泡剂为卫辉市化工有限公司生产的XP-I油井水泥消泡剂；所采用纤维为山东金诚石化集团有限公司生产的F27A油井水泥防漏增韧剂，F27A油井水泥防漏增韧剂为长度为1～15mm，直径为10～60μm的不同尺寸混杂的无机纤维材料。
实施例1～4中采用的表面改性剂改性二氧化硅纳米材料为天津中油渤星工程科技有限公司生产的型号为BCE-680S的产品。
实施例1
本实施例的用于固井作业的水泥组合物，由以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂90份、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料9份、降失水剂3份、纤维3份、消泡剂0.2份；减轻增强剂由微硅粉和超细水泥组成，微硅粉和超细水泥的质量比为0.1:1；油井水泥的平均粒径为32μm；微硅粉的平均粒径为0.15μm；超细水泥的平均粒径为5μm；表面活性剂改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为20nm。
本实施例的水泥浆体系由水和本实施例的水泥组合物组成；水和水泥组合物中油井水泥的质量比为180:100。
本实施例的水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、降失水剂、纤维放入干混器中，在室温下搅拌5min混匀，得到混合料A；
取配方量的消泡剂和水，将消泡剂加入水中，在室温下以250r/min的转速搅拌10min混匀，得混合料B；
2)将混合料B置于恒速搅拌器中，设定转速为4000r/min开始搅拌，在搅拌的同时将混合料A用15s的时间匀速加入恒速搅拌器中，然后调整转速为12000r/min搅拌45s，即得。
实施例2
本实施例的用于固井作业的水泥组合物，由以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂88份、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料7份、降失水剂2.5份、纤维2份、消泡剂0.1份；减轻增强剂由微硅粉和超细水泥组成，微硅粉和超细水泥的质量比为0.3:1；油井水泥的平均粒径为20μm；微硅粉的平均粒径为0.3μm；超细水泥的平均粒径为1μm；表面活性剂改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为50nm。
本实施例的水泥浆体系由水和本实施例的水泥组合物组成；水和水泥组合物中油井水泥的质量比为174:100。
本实施例的水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、降失水剂、纤维放入干混器中，在室温下搅拌5min混匀，得到混合料A；
取配方量的消泡剂和水，将消泡剂加入水中，在室温下以150r/min的转速搅拌10min混匀，得混合料B；
2)将混合料B置于恒速搅拌器中，设定转速为4000r/min开始搅拌，在搅拌的同时将混合料A用15s的时间匀速加入恒速搅拌器中，然后调整转速为12000r/min搅拌45s，即得。
实施例3
本实施例的用于固井作业的水泥组合物，由以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂87份、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料6份、降失水剂2份、纤维2份、消泡剂0.1份；减轻增强剂由微硅粉和超细水泥组成，微硅粉和超细水泥的质量比为0.2:1；油井水泥的平均粒径为70μm；微硅粉的平均粒径为0.2μm；超细水泥的平均粒径为3μm；表面活性剂改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为70nm。
本实施例的水泥浆体系由水和本实施例的水泥组合物组成；水和水泥组合物中油井水泥的质量比为169:100。
本实施例的水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、降失水剂、纤维放入干混器中，在室温下搅拌5min混匀，得到混合料A；
取配方量的消泡剂和水，将消泡剂加入水中，在室温下以250r/min的转速搅拌10min混匀，得混合料B；
2)将混合料B置于恒速搅拌器中，设定转速为4000r/min开始搅拌，在搅拌的同时将混合料A用15s的时间匀速加入恒速搅拌器中，然后调整转速为12000r/min搅拌45s，即得。
实施例4
本实施例的用于固井作业的水泥组合物，由以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂85份、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料5份、降失水剂2份、纤维2份、消泡剂0.1份；减轻增强剂由微硅粉和超细水泥组成，微硅粉和超细水泥的质量比为0.15:1；油井水泥的平均粒径为100μm；微硅粉的平均粒径为0.2μm；超细水泥的平均粒径为4μm；表面活性剂改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为40nm。
本实施例的水泥浆体系由水和本实施例的水泥组合物组成；水和水泥组合物中油井水泥的质量比为165:100。
本实施例的水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、降失水剂、纤维放入干混器中，在室温下搅拌5min混匀，得到混合料A；
取配方量的消泡剂和水，将消泡剂加入水中，在室温下以250r/min的转速搅拌10min混匀，得混合料B；
2)将混合料B置于恒速搅拌器中，设定转速为4000r/min开始搅拌，在搅拌的同时将混合料A用15s的时间匀速加入恒速搅拌器中，然后调整转速为12000r/min搅拌45s，即得。
对比例1
本对比例的水泥浆体系与实施例1的区别仅在于：所采用的表面活性剂改性二氧化硅纳米材料比例为0份，其制备方法完全同实施例1。
对比例2
本对比例的水泥浆体系与实施例1的区别仅在于：所采用的表面活性剂改性二氧化硅纳米材料比例为2份，其制备方法完全同实施例1。
对比例3
本对比例的水泥浆体系参照授权公告号为CN102585790B的中国发明专利的实施例1，由以下重量分数的组分组成：油井水泥100份、超细水泥27份、漂珠40份、微硅24.5份、缓凝剂13.5份、分散剂1.2份，降失水剂1.6份，水99份。所采用的油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥，超细水泥为水泥颗粒最大粒径不超过18μm，颗粒的粒径在5μm以下的占80％以上，平均粒径为1～5μm；漂珠为主要成分是二氧化硅、三氧化二铁及三氧化二铝的空心微球；微硅粉为铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时的副产物，细度小于1μm的占80％以上，平均粒径为0.1～0.3μm；缓凝剂为卫辉市化工有限公司生产的GH-1油井水泥中温缓凝剂；分散剂为卫辉市化工有限公司生产的USZ油井水泥抗高温减阻剂；降失水剂为卫辉市化工有限公司生产的G33S油井水泥抗高温抗盐降失水剂。
本对比例的水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的G级油井水泥、超细水泥、漂珠、微硅、缓凝剂、降失水剂和减阻剂放入干混器中，在室温下混拌5min，混合均匀，得混合料A；
取配方量的消泡剂和水，将消泡剂加入水中，在室温下以250r/min的转速搅拌10min混匀，得混合料B；
2)将步骤1)所得的混合料B置于恒速搅拌器上，设定转速为4000r/min，将步骤1)所得的混合料A用15s的时间匀速加入混合料B中，搅拌60s，即得。
实验例1
分别对实施例1～5及对比例1～3的水泥浆体系的各项性能指标测试：
测试标准方法：实验标准参照GB/T19139《油井水泥试验方法》、SY/T5546《油井水泥应用性能试验方法》、API RP 10B《油井水泥试验推荐做法》，测试结果见表1。
表1实施例1～5及对比例1～3的水泥浆体系的性能测试结果
Figure BDA0003119743210000071
由表1的性能测试结果可知，相较于对比例1～3，本发明得到的低密度防漏水泥浆在较低温度45℃条件下水浴养护24h强度均大于9.2MPa，且沉降稳定性好，流变性好、失水量低，满足固井施工要求，施工性能良好。

Claims (10)

1.一种用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：主要由以下重量份数的组分组成：油井水泥100份、减轻增强剂85～90份、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料5～9份、纤维2～3份；所述减轻增强剂为微硅粉和超细水泥的混合物；所述表面活性剂改性二氧化硅纳米材料的平均粒径为20～70nm。
2.根据权利要求1所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：还包括助剂；所述助剂包括降失水剂，所述降失水剂与所述油井水泥的质量比为2～3:100。
3.根据权利要求2所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：所述助剂还包括消泡剂；所述消泡剂与所述油井水泥的质量比为0.1～0.2:100。
4.根据权利要求1所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：所述微硅粉和超细水泥的质量比为0.1～0.3:1。
5.根据权利要求1所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：所述超细水泥的平均粒径不大于5μm。
6.根据权利要求5所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在：所述超细水泥中颗粒的最大粒径不超过18μm，颗粒的粒径在5μm以下的占80％以上，平均粒径为1～5μm。
7.根据权利要求1所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：所述纤维的长度为1～15mm，直径为10～60μm。
8.根据权利要求1所述的用于固井作业的水泥组合物，其特征在于：所述油井水泥的平均粒径为20μm～100μm。
9.一种采用如权利要求1所述的用于固井作业的水泥组合物的水泥浆体系。
10.一种如权利要求9所述的水泥浆体系的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
提供由油井水泥、减轻增强剂、表面活性剂改性二氧化硅纳米材料、纤维和降失水剂组成的混合料A；
提供由水和消泡剂组成的混合料B；
将混合料A和混合料B混合均匀，即得。
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