CN113800832B - 一种低摩阻高密度水泥浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低摩阻高密度水泥浆及制备方法，该低摩阻高密度水泥浆，以质量份计，包括以下组分：100份G级油井水泥，30‑240份加重材料，10‑30份增强材料，0.3‑3份早强型稳定剂，0.5‑2份聚羧酸分散剂，0.5‑4份降失水剂，0.2‑2份缓凝剂；该水泥浆密度范围2.1‑3.0g/cm3，具有摩阻低、流变性和稳定性好、强度高的特点，可用于深井、超深井、小间隙等复杂高压油气井固井提高固井质量；加重材料为微纳米球形颗粒加重剂，其不仅能起到加重的作用，还能起到“滚珠”润滑作用，有效降低摩阻；采用对铁加重剂具有螯和作用的早强型稳定剂提高稳定性，采用紧密堆积理论合理设计组成，有效提高强度。

Description

一种低摩阻高密度水泥浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及石油工程技术领域，特别是涉及深井、超深井、小井眼窄间隙等固井中所需的一种低摩阻高密度水泥浆及其制备方法。
背景技术
随着油气资源勘探开发的深入，深层、超深层已成为油气增储上产的重要领域，深井或超深井固井数量的越来越多，经常钻遇高压油气层，在高压油气井工程作业中，为平衡地层压力，保障施工安全，需要采用高密度或超高密度水泥浆，因此，高密度或者超高密度水泥浆的使用愈加普遍。目前的高密度水泥浆性能还不能满足高温高压等复杂井的固井质量要求，尤其小井眼窄间隙固井要求摩阻低、流变性和稳定性好、强度高，难以实现。加重材料是改善高密度、超高密度水泥浆和高密度、超高密度钻井液的流变性能、降低其摩阻、提高其稳定性的主要外掺料，对保障钻井作业安全和提高固井质量具有非常重要的作用。然而，常规加重剂多是通过粉碎研磨而制备出的产品，结构不规则，级配性能差，导致加重剂的比表面低，在配制钻井、固井液时，配伍设计困难，配制出的常规高密度水泥浆摩阻大，流变性、稳定性较差，无法满足钻井、固井液的作业要求。
目前固井液作业中使用的高密度加重剂密度一般在4.5-7.3g/cm3(GB/T5005-2001)，该些高密度加重剂以重晶石、铁矿粉、GM-1还原铁粉为主，使用该类产品的水泥浆主要存在以下问题：(1)高密度水泥浆需要掺入大量加重材料，水泥浆固相含量高，摩阻大，流变性差，影响高密度水泥浆固井施工安全；(2)高密度水泥浆各材料之间密度、颗粒大小差别较大，容易产生小颗粒轻质材料上浮、大颗粒重质材料下沉的现象，高密度水泥浆体系沉降稳定性差，增加高密度水泥浆作业风险，固井安全和固井质量无法保障；(3)高密度水泥石由于含有大量惰性材料，水泥石强度发展慢强度低，影响水泥环有效密封，高密度水泥浆密度越高，水泥石强度越低。
针对上述问题，国内外相关研究机构研发了高密度水泥浆用高性能加重剂，如CN113060993 A公开了一种精细控压固井用减阻材料及减阻水泥浆，控压固井用减阻材料由减阻剂、减阻颗粒、聚合物活性剂、氨基磺酸钠和磷酸酯组成。由水泥和控压固井用减阻材料可制备控压固井用减阻水泥，控压固井用减阻材料的质量为水泥质量的10～18％。由控压固井用减阻水泥、水与降失水剂、缓凝剂、消泡剂、悬浮稳定剂和加重剂中至少一种能够制备控压固井用减阻水泥浆。但是该水泥浆密度偏低，在配制超高密度钻井液或固井液时加重剂掺量太大，影响流体的流变性。
CN 112500840 A公开了一种以铁精矿粉为原料制备微米级球形加重材料的方法，所述方法具体包括：选择密度≥4.5g/cm3的铁精矿粉作为原材料，经过磨矿-分级-分选制得高品位铁精矿粉，然后经过粉碎-气流分级后得到粒径为2-20μm的微粉颗粒；再于1400-1800℃时对微粉颗粒进行熔融处理，从而得到球形加重材料，其密度为4.8g/cm3-5.6g/cm3，粒径分布D90为2-20μm。但是该加重剂密度偏低，在配制超高密度钻井液或固井液时加重剂掺量太大，影响流体的流变性。
周仕明等人(周仕明，李根生，王其春.超高密度水泥浆研制[J].石油勘探与开发，2013，40(01):107-110)选择颗粒呈球形的加重剂MicroMAX，并优选了加重剂组合(还原铁粉、铁矿粉、MicroMAX)，优化高密度水泥颗粒粒度分布，通过紧密堆积设计了密度为2.70-3.00g/cm3的超高密度水泥浆，提高了水泥石强度，但是该水泥浆稠度较高，尽管采取了部分MicroMAX球形加重剂，但MicroMAX属于进口材料，成本较高，用量不高，水泥浆摩阻依然较大。
从上述现有技术中可以看出，目前高密度水泥浆摩阻普遍较高，高密度水泥浆稳定性和流变性难以调控，因此，研制高性能、低摩阻的高密度水泥浆体系具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种低摩阻高密度水泥浆及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，本发明采用微纳米球形加重剂和聚羧酸分散剂，二者协同作用有效降低高密度水泥浆的摩阻，采用对铁加重剂具有螯和作用的早强型稳定剂提高高密度水泥浆稳定性，同时采用紧密堆积设计提高水泥石强度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种低摩阻高密度水泥浆，以质量份计，包括以下组分：
100份G级油井水泥，30-240份加重材料，10-30份增强材料，0.3-3份早强型稳定剂，0.5-2份聚羧酸分散剂，0.5-4份降失水剂，0.2-2份缓凝剂。
进一步地，所述加重材料为微纳米球形颗粒加重剂，密度为7.0-8.0g/cm3，粒径分布在50nm-5μm之间，比表面积在3000-12000cm2/g之间，球形度>95％。其制备方法为：选取密度为7.0-8.0g/cm3的市售还原铁粉为原料；采用高速气流粉碎机对还原铁粉原材料进行气流粉碎处理，使得其细度小于30μm；再于温度为700-900℃的条件下对粉碎后的还原铁粉进行高温处理，以通过高温氧化还原技术去除其中所含的杂质；然后在惰性气氛保护及超高温(1800-2200℃)、高压(150-350个大气压)条件下，使高温处理后的还原铁粉雾化，得到微纳米铁蒸汽雾珠；再采用液氨喷淋对所述微纳米铁蒸汽雾珠进行快速冷却后，即制得密度为7.2g/cm3的高稳定型微纳米球形加重剂；所述雾化及所述快速冷却的参数还包括：雾珠冷却距离：70-150mm，雾化气流速度：1000-10000g/min，气氛结晶控制：360°喷淋冷却结晶。所述微纳米球形颗粒加重剂具有以下优点：①该加重剂在水泥浆中不仅能起到加重的作用，其球形度≥95％，球形度好，在水泥浆中还能起到“滚珠”润滑作用，有利于降低水泥浆的初稠和改善水泥浆的流变性，从而降低水泥浆的摩阻。②该加重剂的粒径分布在50nm～5μm之间，粒径属于微纳米级，粒径很小，单个金属颗粒相对较轻，金属颗粒在水泥浆中具有较高的稳定性；加重剂的比表面积在3000-12000cm2/g之间，较常规加重剂提高10倍，表面张力大，胶凝材料水泥在水化过程中对其吸附也加强，进一步提高水泥浆稳定性。③加重剂很细，和胶凝材料胶结的更好，更有利于高密度水泥石强度发展。
进一步地，所述微纳米球形颗粒加重剂为使经粉碎、高温处理后的还原铁粉在惰性气氛保护及超高温、高压条件下得到微纳米铁蒸汽雾珠，再对所述微纳米铁蒸汽雾珠进行快速冷却后制得。
进一步地，所述增强材料包括石英砂、偏高岭土、活性硅粉和氧化铝中的一种或几种，粒度分布在40-200μm。
优选的，所述增强材料为质量比1:1的石英砂和活性硅粉的混合物。
优选的，所述增强材料为质量比4:2:2:2的石英砂、偏高岭土、活性硅粉和氧化铝的混合物。
进一步地，所述早强型稳定剂包括乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠和硅酸镁铝中的一种或几种，粒度分布在5-15μm。该稳定剂对铁金属加重剂具有螯和效果，有利于提高水泥浆的稳定性，同时参与水泥水化反应，能促进水泥浆早期强度发展。
优选的，所述早强型稳定剂包括质量比1:5的乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠；或，所述早强型稳定剂包括质量比为1:1:5:3的乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠和硅酸镁铝。
进一步地，所述聚羧酸分散剂为市售，如山东华伟银凯建材科技股份有限公司的聚羧酸分散剂标准型，该分散剂是通过引入含有长侧链的大单体和带电单体，增加活性吸附位点，利用静电稳定机制和空间位阻效应提高水泥浆体的分散性能，从而降低水泥浆的摩阻。
进一步地，所述降失水剂为中国石油集团工程技术研究院有限公司开发的抗高温降失水剂(中国专利CN112300346A)。
所述缓凝剂为中国石油集团工程技术研究院有限公司开发的耐高温共聚物油井水泥缓凝剂(中国专利CN 104403056 B)。
本发明还提供一种上述的低摩阻高密度水泥浆的制备方法，取各原料和水，搅拌混匀，制得所述低摩阻高密度水泥浆。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明的低摩阻高密度水泥浆采用微纳米球形颗粒加重剂，该加重剂的球形度＞95％，球形度好，不仅起到加重提高水泥浆密度作用，在水泥浆中能起到“滚珠”润滑作用，有利于降低水泥浆的摩阻。
(2)本发明采用紧密堆积设计加重剂的粒度和增强材料、早强型稳定剂的粒度分布，同时该加重剂粒度小和水泥的胶结更好，有利于水泥石强度发展。
(3)本发明采用螯和型早强稳定剂，对铁金属类加重剂具有螯和效果有利于低摩阻高密度水泥浆体系的悬浮稳定性，同时该加重剂粒径小，比表面积大，表面张力大，更容易和水泥吸附进一步采用该加重剂有利于低摩阻高密度水泥浆体系的悬浮稳定性，保障固井施工安全。
(4)低摩阻高密度水泥浆体系中采用聚羧酸聚羧酸分散剂替代传统醛酮聚羧酸分散剂，通过引入含有长侧链的大单体和带电单体，增加活性吸附位点，利用静电稳定机制和空间位阻效应提高水泥浆体的分散性能，从而降低水泥浆的摩阻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中的所用微纳米球形加重剂的粒径分布图；
图2为实施例1中的所用微纳米球形加重剂的扫描电镜图；
图3为对比例1中还原铁粉加重剂的粒径分布图；
图4为对比例1中还原铁粉加重剂的扫描电镜图；
图5为对比例6中2.6g/cm3常规高密度水泥浆的稠化曲线；
图6为实施例2中2.6g/cm3低摩阻高密度水泥浆的稠化曲线。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
密度为2.1g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，30份微纳米球形加重剂，10份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，0.3份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠按质量比1:5组成)、0.5份聚羧酸分散剂，1份降失水剂，0.8份缓凝剂，55份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
低摩阻高密度水泥浆体系的制备方法：取100份阿克苏G级油井水泥、30份微纳米球形加重剂、10份增强材料、0.3份早强型稳定剂和0.5份聚羧酸分散剂，将干粉混合均匀；称取水55份，将1份降失水剂和0.8份缓凝剂混入水中，倒入搅拌器，搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的干粉混合物，盖上搅拌器的盖子，高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，即得2.1g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系。
所述微纳米球形加重剂制备方法：选取密度为7.2g/cm3的市售还原铁粉为原料；采用高速气流粉碎机(设置气流压力为20MPa，粉碎时间为30min)对还原铁粉原材料进行气流粉碎处理，使得其细度小于30μm；再于温度为800℃的条件下对粉碎后的还原铁粉进行高温处理，以通过高温氧化还原技术去除其中所含的杂质；在惰性气氛保护及超高温(2000℃)、高压(300大气压)条件下，使高温处理后的还原铁粉雾化，得到微纳米铁蒸汽雾珠；再采用液氨喷淋对所述微纳米铁蒸汽雾珠进行快速冷却后，即制得密度为7.2g/cm3的高稳定型微纳米球形加重剂；所述雾化及所述快速冷却的参数还包括：雾珠冷却距离：100mm，雾化气流速度：5000g/min，气氛结晶控制：360°喷淋冷却结晶。该微纳米球形加重剂的粒径分布结果以及扫描电镜图分别如图1和图2所示。
对比例1
密度为2.1g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，30份还原铁粉加重剂(密度7.2g/cm3，其粒径分布测试以及扫描电镜分析如图3和图4所示)，10份增强材料(石英砂和活性硅粉等按1:1比例组成)，0.5份醛酮缩合物分散剂，1份降失水剂，0.8份缓凝剂，55份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例2
密度为2.2g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，55份微纳米球形加重剂，12份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，0.6份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠按质量比1:5组成)、0.8份聚羧酸分散剂，1.2份降失水剂，1.0份缓凝剂，58份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例2
密度为2.2g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，55份还原铁粉加重剂，12份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，0.8份醛酮缩合物分散剂，1.2份降失水剂，1.0份缓凝剂，58份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例3
密度为2.3g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，80份微纳米球形加重剂，15份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，0.8份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠按质量比1:5组成)、1.0份聚羧酸分散剂，1.4份降失水剂，1.0份缓凝剂，60份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例3
密度为2.3g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，80份还原铁粉加重剂，15份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.0份醛酮缩合物分散剂，1.4份降失水剂，1.0份缓凝剂，60份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例4
密度为2.4g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，110份微纳米球形加重剂，15份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.0份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠按质量比1:5组成)、1.0份聚羧酸分散剂，1.5份降失水剂，1.2份缓凝剂，60份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例4
密度为2.4g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，110份还原铁粉加重剂，15份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.0份醛酮缩合物分散剂，1.5份降失水剂，1.2份缓凝剂，60份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例5
密度为2.5g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，135份微纳米球形加重剂，18份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.5份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠按质量比1:5组成)、1.5份聚羧酸分散剂，1.5份降失水剂，1.2份缓凝剂，64份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例5
密度为2.5g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，135份还原铁粉加重剂，18份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.5份醛酮缩合物分散剂，1.5份降失水剂，1.2份缓凝剂，64份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例6
密度为2.6g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，160份微纳米球形加重剂，18份增强材料(石英砂、偏高岭土、活性硅粉、氧化铝按质量比4:2:2:2组成)，2份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸四钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠、硅酸镁铝按质量比1:1:5:3组成)、1.5份聚羧酸分散剂，1.2份降失水剂，1.0份缓凝剂，68份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例6
密度为2.6g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，160份还原铁粉加重剂，18份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)1.5份醛酮缩合物分散剂，1.2份降失水剂，1.0份缓凝剂，68份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例7
密度为2.7g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，188份微纳米球形加重剂，18份增强材料(石英砂、偏高岭土、活性硅粉、氧化铝按质量比4:2:2:2比例组成)，2份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠、硅酸镁铝按质量比1:1:5:3组成)、1.5份聚羧酸分散剂，2.0份降失水剂，1.2份缓凝剂，70份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例7
密度为2.7g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，188份还原铁粉加重剂，18份增强材料(石英砂、偏高岭土、活性硅粉、氧化铝按质量比4:2:2:2组成)1.5份醛酮缩合物分散剂，2.0份降失水剂，1.2份缓凝剂，70份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例8
密度为2.8g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，205份微纳米球形加重剂，25份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，2.2份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠、硅酸镁铝按质量比1:1:5:3组成)、1.8份聚羧酸分散剂，2.5份降失水剂，1.5份缓凝剂，72份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例8
密度为2.8g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，205份还原铁粉加重剂，25份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.8份醛酮缩合物分散剂，2.5份降失水剂，1.5份缓凝剂，72份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例9
密度为2.9g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，225份微纳米球形加重剂，25份增强材料(石英砂、偏高岭土、活性硅粉、氧化铝按质量比4:2:2:2组成)，2.2份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠、硅酸镁铝按质量比1:1:5:3组成)、1.8份聚羧酸分散剂，3.0份降失水剂，2.0份缓凝剂，72份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例9
密度为2.9g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，225份还原铁粉加重剂，25份增强材料(石英砂和活性硅粉按质量比1:1组成)，1.8份醛酮缩合物分散剂，3.0份降失水剂，2.0份缓凝剂，72份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
实施例10
密度为3.0g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，240份微纳米球形加重剂，25份增强材料(石英砂、偏高岭土、活性硅粉、氧化铝按质量比4:2:2:2组成)，3.0份早强型稳定剂(乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠、硅酸镁铝按质量比1:1:5:3组成)、2.0份聚羧酸分散剂，3.5份降失水剂，2.0份缓凝剂，75份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
所述微纳米球形加重剂制备方法和实施例1相同。
对比例10
密度为3.0g/cm3的常规高密度水泥浆体系，该体系组成包括100份阿克苏G级油井水泥，240份还原铁粉加重剂，25份增强材料(石英砂、偏高岭土、活性硅粉、氧化铝按质量比4:2:2:2组成)，2.0份醛酮缩合物分散剂，3.5份降失水剂，2.0份缓凝剂，75份水。水泥浆的制备和性能测试采用GB19139-2012《油井水泥试验方法》。
依据GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》，对实施例1-10和对比例1-10所得水泥浆的下灰时间、稠化曲线、悬浮稳定性/高温稳定性、流变性和强度性能进行测试，所得结果如表1和图5-6所示。
表1.2.1-3.0g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系性能
Figure BDA0003268604320000101
Figure BDA0003268604320000111
表2.2.1-3.0g/cm3的常规高密度水泥浆体系性能
Figure BDA0003268604320000112
(1)下灰时间
根据表1和表2实验结果，2.1-3.0g/cm3的低摩阻高密度水泥浆体系的下灰时间可以控制在60s以内。2.1-3.0g/cm3的常规高密度水泥浆体系的下灰时间很长，尤其是密度在2.6g/cm3以上的常规高密度水泥浆体系下灰时间在65-121s，影响水泥浆泵送。由于常规高密度水泥浆中还原铁粉加重剂的棱角比较多，低摩阻高密度水泥浆体系采用微纳米球形加重剂及高分散型聚羧酸分散剂，水泥浆的下灰时间降低明显。
(2)稠化曲线
测试了低摩阻高密度水泥浆体系和常规高密度水泥浆体系两种水泥浆体系的稠化曲线，总体来说低摩阻高密度水泥浆体系稠化曲线良好，稠度在10-20Bc之间且较稳定；常规高密度水泥浆体系稠度超过30Bc，会影响固井水泥浆泵送。以2.6g/cm3高密度水泥浆为例，养护条件为205℃*30MPa*100min，图5为对比例6中2.6g/cm3常规高密度水泥浆的稠化曲线，稠度32Bc；图6为实施例6中2.6g/cm3低摩阻高密度水泥浆的稠化曲线，稠度仅为10-15Bc，有利于固井水泥浆现场施工泵送。其根本原因是低摩阻高密度水泥浆体系采用微纳米球形加重剂及高分散型聚羧酸分散剂，有效降低水泥浆稠度。
(3)悬浮稳定性
水泥浆的悬浮稳定性直接影响固井施工安全，高密度水泥浆悬浮稳定性很难控制，尤其是高温超高温条件下水泥浆的悬浮稳定性难以调控。比较低摩阻高密度水泥浆体系和常规高密度水泥浆体系两种水泥浆体系的高温稳定性，高温稳定性测试采用如下方法：100min升温至205℃，恒温30min，搅拌冷却降温，拆出浆体搅匀后，倒入250mL量筒，放入90℃水浴箱静置2h，将量筒上部100mL的水泥浆和量筒下部的100mL的水泥浆取出，分别测量二者的密度，并计算上部水泥浆和下部水泥浆的密度差。
水泥浆安全施工对水泥浆的悬浮稳定性有要求，一般要求高温水泥浆的上下密度差≤0.05g/cm3。从表2可以看出，对比例1-5制得的常规高密度水泥浆上下密度差为≥0.05g/cm3，对比例6-10制得的常规高密度水泥浆上下密度差为≥0.08g/cm3，不利于水泥浆安全施工。实施例1-5制得的低摩阻高密度水泥浆上下密度差≤0.02g/cm3，实施例6-10制得的低摩阻高密度水泥浆上下密度差≤0.05g/cm3，有效提高了水泥浆的高温悬浮稳定性。其主要原因是本发明采用螯和型早强稳定剂，对铁金属类加重剂具有螯和效果有利于低摩阻高密度水泥浆体系的悬浮稳定性，同时微纳米球形加重剂粒径小，比表面积大，表面张力大，更容易和水泥吸附进一步采用该加重剂有利于低摩阻高密度水泥浆体系的悬浮稳定性，保障固井施工安全。
(3)流变性
比较对比例和实施例的水泥浆的流变性，流变参数测试方法是采用六速旋转仪测试φ3，φ6，φ100，φ200，φ300和φ600，并根据φ300和φ100的实测值计算流性指数和稠度系数。
流性指数和稠度系数的计算公式分别为：
流性指数n＝2.096[lg(φ300/φ100)]；
稠度系数K＝0.511(φ300/511n)。
如表1、表2中的流变性结果显示，实施例1-10的低摩阻高密度水泥浆的流性指数＞0.9，对比例1-10的常规高密度水泥浆流性指数＜0.75，相当于对比例，实施例1-10的低摩阻高密度水泥浆流性指数大大提高，稠度降低明显，主要原因是本发明中的微纳米球形加重剂在水泥浆中能起到“滚珠”润滑作用，同时聚羧酸分散剂对提高水泥浆的流变性有较好的效果。
(5)摩阻系数
为了直观了解该低摩阻高密度水泥浆在现场施工的摩阻情况，参考SY/T 5480-2007《固井设计规范》中摩阻系数的计算方法计算对比例和实施例的摩阻系数。以7寸套管固井为例，水泥浆的流速一般设定1.4m/s，基于套管内径、水泥浆密度及水泥浆的流性指数和稠度系数，可以计算水泥浆的雷诺数。然后进一步计算水泥浆的摩阻系数。
雷诺数
Figure BDA0003268604320000131
取1；
摩阻系数
Figure BDA0003268604320000132
A、B取值根据SY/T 5480-2007中表A.13确定；
以上公式涉及的参数：n为水泥浆的流性指数，k为水泥浆的稠度系数，Di为套管内径，ρ为水泥浆密度，Re为雷诺数。
要做到安全施工，一般要求水泥浆摩阻系数＜0.4，如表1、表2中的摩阻系数结果显示，实施例1-10的低摩阻高密度水泥浆的摩阻系数＜0.375，对比例1常规高密度水泥浆摩阻系数接近0.4，对比例2-10的常规高密度水泥浆摩阻系数＞0.4，相当于对比例，实施例1-10的低摩阻高密度水泥浆摩阻系数降低明显，主要原因是本发明中的微纳米球形加重剂在水泥浆中能起到“滚珠”润滑作用，同时聚羧酸分散剂对提高水泥浆的流变性有较好的效果。
(5)强度
根据表1、表2中的强度测试结果，低摩阻高密度水泥浆采用微纳米球形加重剂作为加重材料更有利于水泥石强度发展，48h强度提高24.4％，7天强度提高26.5％，主要原因是本发明采用紧密堆积设计加重剂的粒度和增强材料、早强型稳定剂的粒度分布，同时该加重剂粒度小和水泥的胶结更好，有利于水泥石强度发展。
由上述结果可以看出，采用实施例1-10制得的低摩阻高密度水泥浆均具有优异的性能。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低摩阻高密度水泥浆，其特征在于，以质量份计，组分如下：
100份G级油井水泥，30-240份加重材料，10-30份增强材料，0.3-3份早强型稳定剂，0.5-2份聚羧酸分散剂，0.5-4份降失水剂，0.2-2份缓凝剂；
所述加重材料为微纳米球形颗粒加重剂，密度为7.2g/cm3，粒径分布在50nm-5μm之间，比表面积在3000-12000cm2/g之间，球形度>95％；
所述微纳米球形颗粒加重剂为使经粉碎、高温处理后的还原铁粉在惰性气氛保护及超高温、高压条件下得到微纳米铁蒸汽雾珠，再对所述微纳米铁蒸汽雾珠进行快速冷却后制得；
所述增强材料包括石英砂、偏高岭土、活性硅粉和氧化铝中的一种或几种，粒度分布在40-200μm；
所述早强型稳定剂包括乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠和硅酸镁铝中的一种或几种；
所述微纳米球形颗粒加重剂制备方法：选取密度为7.2g/cm3的市售还原铁粉为原料；采用高速气流粉碎机，设置气流压力为20MPa，粉碎时间为30min，对还原铁粉原材料进行气流粉碎处理，使得其细度小于30μm；再于温度为800℃的条件下对粉碎后的还原铁粉进行高温处理，以通过高温氧化还原技术去除其中所含的杂质；在惰性气氛保护及超高温2000℃、高压300大气压条件下，使高温处理后的还原铁粉雾化，得到微纳米铁蒸汽雾珠；再采用液氨喷淋对所述微纳米铁蒸汽雾珠进行快速冷却后，即制得密度为7.2g/cm3的高稳定型微纳米球形颗粒加重剂；所述雾化及所述快速冷却的参数还包括：雾珠冷却距离：100mm，雾化气流速度：5000g/min，气氛结晶控制：360°喷淋冷却结晶。
2.根据权利要求1所述的低摩阻高密度水泥浆，其特征在于，所述增强材料为质量比1:1的石英砂和活性硅粉的混合物。
3.根据权利要求1所述的低摩阻高密度水泥浆，其特征在于，所述增强材料为质量比4:2:2:2的石英砂、偏高岭土、活性硅粉和氧化铝的混合物。
4.根据权利要求1所述的低摩阻高密度水泥浆，其特征在于，所述早强型稳定剂包括质量比1:5的乙二胺四乙酸四钠和偏硅酸钠；或，所述早强型稳定剂包括质量比为1:1:5:3的乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、偏硅酸钠和硅酸镁铝。
5.根据权利要求1所述的低摩阻高密度水泥浆，其特征在于，所述降失水剂为2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。
6.一种权利要求1-5任一项所述的低摩阻高密度水泥浆的制备方法，其特征在于，取各原料和水，搅拌混匀，制得所述低摩阻高密度水泥浆。
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