CN114075049A - 一种超低密度水泥浆用复合减轻材料以及低压漏失井用超低密度水泥浆 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固井用水泥浆领域，具体涉及一种超低密度水泥浆用复合减轻材料以及低压漏失井用超低密度水泥浆。该超低密度水泥浆用复合减轻材料由天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠按质量比1:1～2:2～3:3:1～2组成。本发明提供的超低密度水泥浆用复合减轻材料，利用不同材质的球状原料形成一种新的复合减轻体系，经证实在水泥浆中的耐压性更好，而且该体系的稳定性优异，可有效保证水泥浆在井筒内的上下密度一致性。
Description
技术领域
本发明属于固井用水泥浆领域，具体涉及一种超低密度水泥浆用复合减轻材料以及低压漏失井用超低密度水泥浆。
背景技术
近年来，油气资源在勘探开发过程中遇到的地层情况愈来愈复杂，低压易漏井、深井、超深井、长封固段、欠平衡钻井的固井作业也越来越多，为保证固井施工安全，防止污染，保护油气层，高强低密度水泥浆体系的应用越来越广泛。
目前，漂珠作为高强低密度水泥浆中主要的减轻材料，存在的主要问题是在高压情况下不能保持其设计密度，随着压力的升高，漂珠逐渐破碎，水泥浆密度升高，水泥浆的流动性也随之变差，对固井施工作业带来不安全因素。玻璃微珠是一种密度小、耐压性好的减轻剂，其克服了漂珠的高压易破碎等问题，可应用于密度低于1.3g/cm3的超低密度水泥浆体系中，但因玻璃微珠的价格昂贵，不适合大规模应用，只限于实验室进行实验。
罗杨等(一种超低密度高强度水泥浆配方的优选，钻井液与完井液，2009年5月第26卷第3期)对超低密度高强度水泥浆的配方进行了优选，其是以漂珠和玻璃微珠的复配作为水泥浆的减轻材料，玻璃微珠在减轻材料中的占比达到10-30％。水泥浆的密度达到1.15g/cm3。
在低压漏失井的固井过程中，不仅要求水泥浆的密度处于较低水平，而且要求在加压前后的密度差小(漂珠等减轻材料的破碎比例小)，以及水泥浆凝固后的上下密度一致性好，否则容易在长封固段中发生固井漏失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低密度水泥浆用复合减轻材料，其改善了传统减轻材料在水泥浆中的耐压性，并具有良好的沉降稳定性。
本发明的第二个目的在于提供一种低压漏失井用超低密度水泥浆。
为实现上述目的，本发明的超低密度水泥浆用复合减轻材料的技术方案是：
一种超低密度水泥浆用复合减轻材料，由天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠按质量比1:1～2:2～3:3:1～2组成。
本发明提供的超低密度水泥浆用复合减轻材料，利用不同材质的球状原料形成一种新的复合减轻体系，经证实在水泥浆中的耐压性更好，而且该体系的稳定性优异，可有效保证水泥浆在井筒内的上下密度一致性，从而避免在长封固段中发生固井漏失。该复合减轻材料中，玻璃微珠的含量较少，能够降低成本，适合大规模生产应用。
优选的，天然漂珠的粒径为31.724-287.748μm，闭孔珍珠岩的粒径为26.716-475.067μm，人造空心玻璃微珠0.644-19.921μm，微硅的表面积为15-25mm2/g，超细微珠的粒径为18-26μm。以上原料均为市售产品，采用以上颗粒级配方式，可使颗粒之间的堆积更加紧密，增加水泥石的强度。同时可有效降低各类减轻组分在高压下的破碎率，进而降低水泥浆在高压下的密度差。
本发明的低压漏失井用超低密度水泥浆的技术方案是：
一种超低密度水泥浆，主要由水、油井水泥和上述复合减轻材料组成，油井水泥与所述复合减轻材料的重量比为100：(70-100)。
本发明提供的超低密度水泥浆，将油井水泥与上述复合减轻材料进行配比，既可以使密度范围可调，又可以改善水泥石的孔隙结构，获得具有一定强度及低渗透性的水泥石结构。该水泥浆降低了复合减轻材料中各组分在高压下受压破碎；而且体系的稳定性好，避免减轻材料的过度上浮，水泥浆上下密度一致性好，能完全满足低压易漏地层的深井长封固或全封固的固井要求。
所述油井水泥和复合减轻材料的质量总和与水的质量比为100:100-120。采用以上配比可配置密度低至1.15-1.25g/cm3的超低密度水泥浆，稳定性高，尤其适用于在地层承压能力较低的地层条件下使用。
除了以上主要成分，水泥浆中的其他外加助剂，如降失水剂、缓凝剂、增强剂的使用可参考相关现有技术，其品种和用量均可以依据现场的施工条件进行灵活选择。
所述超低密度水泥浆包括降失水剂4-6份。降失水剂优选为水溶性降失水剂。更优选的，所述降失水剂为聚乙烯醇类成膜型降失水剂。
所述超低密度水泥浆包括缓凝剂0.2-0.5份。优选的，所述缓凝剂为木质素磺酸盐、木质素磺酸盐衍生物、羟基羧酸、羟基羧酸盐中的一种。
优选的，所述油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。G级高抗硫酸盐油井水泥的成本较低，而且固井效果较好。
上述超低密度水泥浆可采用以下方法进行制备：
1)取配方量的油井水泥、复合减轻材料、微硅、降失水剂、缓凝剂、增强剂进行干混，得到混合干粉；
2)将步骤1)得到的混合干粉加入水中进行混合，混合均匀，即得。
步骤2)中，混合干粉是在15s内加入水中的。在将混合干粉加入水中的同时要不断进行搅拌，搅拌的速率为2800-3200r/min，对混合料搅拌120s。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠均为市售产品。
天然漂珠的化学成份以二氧化硅和三氧化二铝为主，颗粒密度为0.75/cm3，粒径31.724μm-287.748μm。
闭孔珍珠岩的粒径为26.716-475.067μm。
人造空心玻璃微珠的颗粒密度为0.59g/cm3，粒径为0.644μm-19.921μm。
微硅的主要成分是SiO2，颗粒直径为0.15×10-3mm。表面积为15-25mm2/g。
超细微珠是从白度达到一定标准的粉煤灰中的提取物，粒径分布在18-26μm，由郑州圣莱特空心微珠新材料有限公司生产。
油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。
降失水剂为聚乙烯醇类成膜型降失水剂，型号为G309，购自卫辉化工有限公司。
缓凝剂型号为XJH-2，购自河南新星建材有限公司。
一、本发明的超低密度水泥浆用复合减轻材料的具体实施例
实施例1
本实施例的超低密度水泥浆用复合减轻材料，由天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠按质量比1:2:2:3:2组成。
实施例2
本实施例的超低密度水泥浆用复合减轻材料，由天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠按质量比1:1:2.5:3:1组成。
实施例3
本实施例的超低密度水泥浆用复合减轻材料，由天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠按质量比1:1:3:3:1组成。
二、本发明的低压漏失井用超低密度水泥浆的具体实施例
实施例4
本实施例的低压漏失井用超低密度水泥浆，由以下重量份的组分组成：油井水泥100份，实施例1的复合减轻材料70份，降失水剂5份、缓凝剂0.4份、水170份。
本实施例的超低密度水泥浆采用以下方法进行制备：
1)取配方量的油井水泥、复合减轻材料、多功能降失水剂、缓凝剂进行干混，得到混合干粉；
2)将步骤1)得到的混合干粉加入水中进行混合，混合均匀，即得。
实施例5
本实施例的低压漏失井用超低密度水泥浆，由以下重量份的组分组成：油井水泥100份，实施例2的复合减轻材料80份，降失水剂6份、缓凝剂0.5份、水200份。
实施例6
本实施例的低压漏失井用超低密度水泥浆，由以下重量份的组分组成：油井水泥100份，实施例3的复合减轻材料80份，降失水剂6份、缓凝剂0.3份、水200份。
实施例5、实施例6的超低密度水泥浆的制备方法与实施例4相同。
三、对比例
对比例1
对比例的超低密度水泥浆，由以下重量份的组分组成：油井水泥100份，减轻材料70份，降失水剂6份，缓凝剂0.3份，水200份；减轻材料中，人造空心玻璃微珠20份、天然漂珠30份、微硅20份。参考实施例4的制备方法，最终制得密度为1.15g/cm3的水泥浆。
对比例2
对比例的超低密度水泥浆，由以下重量份的组分组成：由以下重量份的组分组成：油井水泥100份，减轻材料70份，降失水剂6份，缓凝剂0.3份，水200份；减轻材料中人造空心玻璃微珠15份、闭孔珍珠岩30份、微硅25份。参考实施例4的制备方法，最终制得密度为1.20g/cm3的水泥浆。
四、实验例
实验例1
将实施例4-6的超低密度水泥浆进行性能测试，按照中国石油天然气行业标准SY_T6544-2010《油井水泥浆性能要求》进行相关测试，结果如下表1所示。
表1各实施例的水泥浆的性能测试结果
由表1的实验结果可知，利用本实施例的复合减轻材料可配置成密度为1.15-1.25g/cm3的超低密度水泥浆，而且具有强度高、API失水量少、游离液少、体系稳定性好等特点。
实验例2
2.1水泥浆耐压测试
分别取实施例4-6、对比例的水泥浆，按照高温高压稠化仪操作规程开展耐压测试，高温高压稠化仪升温升压程序设定为目标温度70℃，目标温度30MPa，升温、升压时间30min，达到目标温度、压力后，保持30min，取出测试水泥浆密度，对比压力、温度条件前后的密度变化。
表2各实施例、对比例的超低密度水泥浆的耐压性能测试
| 项目 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例2 | 实施例6 | 对比例1 |
| 加压前密度，g/cm<sup>3</sup> | 1.247 | 1.206 | 1.20 | 1.155 | 1.15 |
| 加压后密度，g/cm<sup>3</sup> | 1.279 | 1.229 | 1.26 | 1.169 | 1.195 |
| 密度差，g/cm<sup>3</sup> | 0.032 | 0.023 | 0.06 | 0.014 | 0.045 |
由表2的实验结果可知，对比例的超低密度水泥浆体系耐压性较差，在一定温度、压力条件下，存在球状颗粒破碎的情况，造成加压后密度增幅较大；而采用实施例的复合减轻材料的超低密度水泥浆，加压前后的密度差小，表明减轻材料的受压破碎比例更小，这样可保证水泥浆在井内和地面的密度一致性，防止减轻材料破碎造成水泥浆密度突然升高，减少固井漏失、水泥浆返高不够等施工问题。
2.2水泥浆上下密度一致性测试
将实施例4-6、对比例的水泥浆，分别倒入沉降管(沉降管长度20cm，直径2cm)，70℃水浴静置24h，待其完全凝固后，切成3段测量凝固后水泥石的密度(三段的长度分别为6cm、7cm、7cm)，评价水泥浆体系的沉降稳定性。测试结果如表3所示。
表3各实施例、对比例的超低密度水泥浆的上下密度一致性测试
由表3的实验数据可知，对比例的在一定温度条件下静置后，存在减轻材料上浮的现象，造成水泥浆体系分层，上部密度小，下部密度高，无法满足深井长封固段固井要求。而实施例的低密度水泥浆体系沉降稳定性优良，静置至凝固后，水泥浆的上下密度差小于0.15g/cm3(水泥浆密度等级-1.15g/cm3)，有效保证水泥浆在井筒内的上下密度一致性，避免低密度水泥浆体系因轻组分上浮造成下部密度较高，能够满足低压易漏地层的深井长封固或全封固的固井要求，提高低漏失压力井固井质量，保证固井水泥浆一次上返全井封固。
Claims (9)
1.一种超低密度水泥浆用复合减轻材料，其特征在于，由天然漂珠、闭孔珍珠岩、人造空心玻璃微珠、微硅、超细微珠按质量比1:1-2:2-3:3:1-2组成。
2.如权利要求1所述的超低密度水泥浆用复合减轻材料，其特征在于，天然漂珠的粒径为31.724-287.748μm，闭孔珍珠岩的粒径为26.716-475.067μm，人造空心玻璃微珠0.644-19.921μm，微硅的表面积为15-25mm2/g，超细微珠的粒径为18-26μm。
3.一种低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，主要由水、油井水泥和如权利要求1或2所述的复合减轻材料组成，油井水泥与所述复合减轻材料的重量比为100：(70-100)。
4.如权利要求3所述的低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，所述油井水泥和复合减轻材料的质量总和与水的质量比为100:100-120。
5.如权利要求3或4所述的低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，所述超低密度水泥浆包括降失水剂4-6份。
6.如权利要求5所述的低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，所述降失水剂为聚乙烯醇类成膜型降失水剂。
7.如权利要求3或4所述的低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，所述超低密度水泥浆包括缓凝剂0.2-0.5份。
8.如权利要求7所述的低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，所述缓凝剂为木质素磺酸盐、木质素磺酸盐衍生物、羟基羧酸、羟基羧酸盐中的一种。
9.如权利要求3所述的低压漏失井用超低密度水泥浆，其特征在于，所述油井水泥为G级高抗硫酸盐油井水泥。
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2020
- 2020-08-11 CN CN202010802809.1A patent/CN114075049A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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