CN114381249B - 一种耐高温高密度固井水泥浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温高密度固井水泥及其制备方法，涉及油气田开发固井材料技术领域。本发明耐高温高密度固井水泥浆，由以下原料按重量份组成：油井水泥100份；高温增强材料30份；悬浮稳定剂1‑3份；密度调节剂60‑120份；分散剂1‑2份；降失水剂3‑8份；缓凝剂1‑3份；消泡剂0.2份；水60‑70份；所述悬浮稳定剂由以下原料按重量份组成：气相二氧化硅35‑50份；聚合氯化铝铁15‑20份；凹凸棒粉35‑45份。本发明制备的水泥浆常温稠度较低，稠度不会随着温度的升高而降低，水泥浆稠化曲线平稳，且能够有效的保证水泥石高温强度，满足现场施工需求。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发固井材料技术领域，更具体地说涉及一种耐高温高密度固井水泥浆及其制备方法。
背景技术
随着油田开采进入了开发中后期，浅层资源大幅度减少，为了满足日益增长的工业需要，各国近年来都加大了深层勘探开发的力度。深井、超深井的钻井投入巨大，固井的成败直接关系到勘探成果，必须从固井工艺到固井材料做深入细致的研究工作，性能良好而且稳定的固井水泥浆体系是高温高压固井成功的关键因素。在高温环境下，高密度水泥浆中的加重剂由于密度高、加量大，使浆体极易发生沉降失稳，加重剂固相颗粒沉降聚集甚至结块，造成桥堵、析出大量自由液或形成油气水窜流通道等，导致固井施工风险大，固井质量合格率低，甚至危及高温高压油气井生产和安全。因此，保证高温高密度水泥浆良好的沉降稳定性至关重要。
公开日为2015年11月11日，公开号为CN105038743A，名称为“一种适用于页岩气固井的高密度水泥浆及其制备方法”的发明专利申请公开文本，公开了一种适用于页岩气固井的高密度水泥浆，它含有以下重量份的原料：水泥100份，淡水44~57份，加重剂15~120份，加重稳定剂0~30份，高温强度稳定剂30~40份，弹塑剂3~5份，降失水剂4~7份，缓凝剂1~2.5份，分散剂0.5~2.5份；其制备方法是：按比例称取水泥，淡水，加重剂，加重稳定剂，高温强度稳定剂，填充剂，弹塑剂，降失水剂，缓凝剂，分散剂，消泡剂；将上述成分混合、搅拌，即制备得到所述一种适用于页岩气固井的高密度水泥浆。
公开日为2020年10月23日，公开号为CN111807748A，名称为“高密度水泥浆用高温稳定剂及其制备方法”的发明专利申请公开文本，公开了一种高密度水泥浆用高温稳定剂及其制备方法，其中高温稳定剂包括以重量份计的76～84份的膨润土、10～14重量份的改性定优胶、6～10重量份的交联共聚物；改性定优胶采用苯乙烯磺酸钠和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸对定优胶进行接枝共聚得到；交联共聚物由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵、N-乙烯基己内酰胺和二乙烯基苯共聚而成的交联共聚物，其分子量为7×105～9×105。
公开日为2018年5月1日，公开号为CN107973546A，名称为“一种固井用油井水泥悬浮剂及其制备方法和固井用水泥浆”的发明专利申请公开文本，公开了一种固井用油井水泥悬浮剂及其制备方法和固井用水泥浆。所述的一种固井用油井水泥悬浮剂，由包括以下步骤在内的方法制成：(1)由氯化硅在空气和氢气的混合气中经过高温水解生成物质A，物质A带有羟基；(2)物质A与物质B反应，在主体中引入羧基，得到物质C；(3)物质C磨碎后，得到悬浮剂，该悬浮剂粒径为90～600nm。
公开日为2018年10月26日，公开号为CN108706927A，名称为“一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆”的发明专利申请公开文本，公开了一种高温水泥浆用悬浮稳定剂及其制备的抗高温水泥浆，该悬浮稳定剂由以下各组分按重量份组成：0.5～4份纤维类材料，1～5份表面活性剂类粉体材料，0.5～2份絮凝剂类粉体材料；纤维类材料为晶须、海泡石、陶瓷纤维、玄武岩纤维、水镁石纤维中的一种或两种材料的混合物；表面活性剂类粉体材料为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十六烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠、白糊精、黄糊精中的一种；絮凝剂类粉体材料为聚合硫酸铁、聚合氯化铝、聚合硅酸铝铁中的一种。
目前针对油井水泥浆的高温沉降稳定性差的问题提出了各种解决方法如：降低水灰比、颗粒优化级配、加入聚合物悬浮剂等。但仍然存在超高温环境下效果不理想，材料成本高昂等不足。因此对水泥浆高温沉降稳定性问题进行研究和改善具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种耐高温高密度固井水泥浆及其制备方法，本发明的发明目的在于解决水泥浆出现沉降现象，高温环境下稳定性差，稠度高的问题。本发明提供的耐高温高密度固井水泥浆包括油井水泥、高温增强材料、悬浮稳定剂、密度调节剂、分散剂、降失水剂、缓凝剂、消泡剂和水，将油井水泥、高温增强材料、密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂、降失水剂、缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T19139进行制备水泥浆。本发明制备得到的水泥浆，可以保证高密度水泥浆的悬浮稳定性，防止水泥浆出现沉降现象，且能够显著改善水泥浆在高温环境下稳定性差，稠度高的问题，本发明制备的水泥浆常温稠度较低，稠度不会随着温度的升高而降低，水泥浆稠化曲线平稳，且能够有效的保证水泥石高温强度，满足现场施工需求。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明第一方面提供了一种耐高温高密度固井水泥浆，该固井水泥浆由以下原料按重量份组成：
油井水泥100份；
高温增强材料30份；
悬浮稳定剂1-3份；
密度调节剂60-120份；
分散剂1-2份；
降失水剂3-8份；
缓凝剂1-3份；
消泡剂0.2份；
水60-70份；
所述悬浮稳定剂由以下原料按重量份组成：
气相二氧化硅35-50份；
聚合氯化铝铁15-20份；
凹凸棒粉35-45份。
更进一步的，所述气相二氧化硅为白色粉末，SiO2含量＞90%，粒径＞1200目，且为亲水型。
所述聚合氯化铝铁为红褐色固体粉末，经二次球磨，目数＞325目，有效物质含量≥98%。
所述凹凸棒粉具有较强的吸附性，呈针状，纤维状或纤维集合状。
所述悬浮稳定剂是将气相二氧化硅、聚合氯化铝铁和凹凸棒粉按照其比例进行干混，干混均匀后得到的。
更进一步的，所述油井水泥为G级油井水泥。
所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。
所述密度调节剂为微锰矿粉和赤铁矿粉。
所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。
所述消泡剂为磷酸三丁酯。
所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物。
所述缓凝剂为AMPS类聚合物。
本发明第二方面提供了一种耐高温高密度固井水泥浆的制备方法，该制备方法具体为：
将油井水泥、高温增强材料、密度调节剂和悬浮稳定剂按照上述比例混合均匀；将分散剂、降失水剂、缓凝剂和消泡剂与水按照上述比例进行湿混，按照GB/T19139标准制备水泥浆，即得所述耐高温高密度固井水泥浆。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明固井水泥浆中使用的悬浮稳定剂具有较好的水溶性，与水泥浆之间具有较好的适应性。
2、本发明的固井水泥浆中使用的悬浮稳定剂中亲水型气相二氧化硅具有粒径小、比表面积大、表面活性高（其表面含有高活性Si-OH基团）的特点，气相二氧化硅表面存在大量硅醇键，可自身或与基材形成氢键，形成三维网状结构；聚合氯化铝铁极易溶于水，絮凝效果强，能够大大减少悬浮剂用量，凹凸棒粉由于特殊的晶体结构，具有很强的吸附作用。
3、气相二氧化硅可形成均匀的三维网状结构，使得体系中颗粒物质能够有着力点依托，防止颗粒下沉及结块；而凹凸棒粉由于其针状及纤维状的结构，穿插于三维网状结构之中，进一步加强了结构的稳定性及防止颗粒下沉的悬浮能力；聚合氯化铝铁极易溶于水，快速出现絮凝现象，提高浆体的黏度，使得浆体颗粒得以悬浮，并与之前的网状结构相结合增强本发明的悬浮稳定性；且三者的耐温性能好，提高了本发明的耐温能力，使其在高温下不会出现稀释及分解的现象。依据协同增效的作用原理，三者按照本申请特定的比例混合而成的悬浮稳定剂具有耐高温、用量小、高效用、成本低的特点。
4、本发明的固井水泥浆中使用的悬浮稳定剂加入本申请的水泥浆体后，对浆体性能无不良影响，可以保证水泥浆的高温稳定性，防止水泥浆出现沉降现象，且能够显著改善水泥浆在高温环境下稳定性差，稠度高等问题。与固井水泥其他外加剂之间具有良好的配伍性，满足现场施工需求。
5、本发明的固井水泥浆中，油井水泥和密度调节剂、高温增强材料这些组分材料的颗粒组合在一起，具有一定粒度级配效应，大小颗粒合理分布，小颗粒进入大颗粒孔隙中；一方面改善了高密度水泥浆的易沉降性，另一方面提高了水泥石的致密度，从而增强高温下水泥石强度及防治水泥石强度衰退。
6、本发明的耐高温高密度水泥浆具有沉降稳定性好，失水小，初稠低，稠化曲线平稳等特点；且高温环境下水泥石强度高不衰退，满足固井施工要求。
附图说明
图1为本发明中实施例1制备的水泥浆进行停机实验的性能结果示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
对比实施例1
本对比实施例公开的固井水泥浆具体组分如下所示：
油井水泥100份，高温增强材料30份，悬浮稳定剂3份，密度调节剂120份，分散剂2份，降失水剂8份，缓凝剂3份，消泡剂0.2份，水60份。按上述具体成分比例取原料，将油井水泥，高温增强材料，密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂，降失水剂缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T 19139进行制备水泥浆，得耐高温水泥浆体系。其中，密度调节剂为80份赤铁矿粉和40份微锰矿粉的混合物，赤铁矿粉的密度4.9-5.3g/cm3，微锰矿粉的密度7.2-7.5 g/cm3；悬浮稳定剂温轮胶。所述油井水泥为嘉华G级油井水泥。所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。
对比实施例2
本对比实施例公开的固井水泥浆具体组分如下所示：
油井水泥100份，高温增强材料30份，悬浮稳定剂2份，密度调节剂95份，分散剂1.5份，降失水剂5份，缓凝剂2份，消泡剂0.2份，水65份。按上述具体成分比例取原料，将油井水泥，高温增强材料，密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂，降失水剂缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T 19139进行制备水泥浆，得耐高温水泥浆体系。其中，密度调节剂为90份赤铁矿粉和5份微锰矿粉的混合物，赤铁矿粉的密度4.9-5.3g/cm3，微锰矿粉的密度7.2-7.5 g/cm3；悬浮稳定剂温轮胶。所述油井水泥为嘉华G级油井水泥。所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。
对比实施例3
本对比实施例公开的固井水泥浆具体组分如下所示：
油井水泥100份，高温增强材料30份，悬浮稳定剂1份，密度调节剂60份，分散剂1份，降失水剂3份，缓凝剂1份，消泡剂0.2份，水70份。按上述具体成分比例取原料，将油井水泥，高温增强材料，密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂，降失水剂缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T 19139进行制备水泥浆，得耐高温水泥浆体系。其中，密度调节剂为55份赤铁矿粉和5份微锰矿粉的混合物，赤铁矿粉的密度4.9-5.3g/cm3，微锰矿粉的密度7.2-7.5 g/cm3；悬浮稳定剂温轮胶。所述油井水泥为嘉华G级油井水泥。所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。
实施例1
作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了一种耐高温高密度固井水泥浆，该固井水泥浆具体组成如下所示：
油井水泥100份，高温增强材料30份，悬浮稳定剂3份，密度调节剂120份，分散剂2份，降失水剂8份，缓凝剂3份，消泡剂0.2份，水60份。按上述具体成分比例取原料，将油井水泥，高温增强材料，密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂，降失水剂缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T 19139进行制备水泥浆，得耐高温水泥浆体系。其中，密度调节剂为80份赤铁矿粉和40份微锰矿粉的混合物，赤铁矿粉的密度4.9-5.3g/cm3，微锰矿粉的密度7.2-7.5 g/cm3。所述油井水泥为嘉华G级油井水泥。所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。所述悬浮稳定剂组成为：气相二氧化硅35份，聚合氯化铝铁20份，凹凸棒粉45份。所述气相二氧化硅为白色粉末，SiO2含量＞90%，粒径＞1200目，且为亲水型。所述聚合氯化铝铁为红褐色固体粉末，经二次球磨，目数＞325目，有效物质含量≥98%。所述凹凸棒粉具有较强的吸附性，呈针状。所述悬浮稳定剂是将气相二氧化硅、聚合氯化铝铁和凹凸棒粉按照其比例进行干混，干混均匀后得到的。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种耐高温高密度固井水泥浆，该固井水泥浆具体组成如下所示：
油井水泥100份，高温增强材料30份，悬浮稳定剂2份，密度调节剂95份，分散剂1.5份，降失水剂5份，缓凝剂2份，消泡剂0.2份，水65份。按上述具体成分比例取原料，将油井水泥，高温增强材料，密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂，降失水剂缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T 19139进行制备水泥浆，得耐高温水泥浆体系。其中，密度调节剂为90份赤铁矿粉和5份微锰矿粉的混合物，赤铁矿粉的密度4.9-5.3g/cm3，微锰矿粉的密度7.2-7.5 g/cm3。所述油井水泥为嘉华G级油井水泥。所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。所述悬浮稳定剂组成为：气相二氧化硅43份，聚合氯化铝铁17份，凹凸棒粉40份。所述气相二氧化硅为白色粉末，SiO2含量＞90%，粒径＞1200目，且为亲水型。所述聚合氯化铝铁为红褐色固体粉末，经二次球磨，目数＞325目，有效物质含量≥98%。所述凹凸棒粉具有较强的吸附性，呈纤维状。所述悬浮稳定剂是将气相二氧化硅、聚合氯化铝铁和凹凸棒粉按照其比例进行干混，干混均匀后得到的。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种耐高温高密度固井水泥浆，该固井水泥浆具体组成如下所示：
油井水泥100份，高温增强材料30份，悬浮稳定剂1份，密度调节剂60份，分散剂1份，降失水剂3份，缓凝剂1份，消泡剂0.2份，水70份。按上述具体成分比例取原料，将油井水泥，高温增强材料，密度调节剂和悬浮稳定剂混合均匀，将分散剂，降失水剂缓凝剂和消泡剂与水进行湿混，最后按照GB/T 19139进行制备水泥浆，得耐高温水泥浆体系。其中，密度调节剂为55份赤铁矿粉和5份微锰矿粉的混合物，赤铁矿粉的密度4.9-5.3g/cm3，微锰矿粉的密度7.2-7.5 g/cm3。所述油井水泥为嘉华G级油井水泥。所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物。所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物。所述消泡剂为磷酸三丁酯。所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。所述悬浮稳定剂组成为：气相二氧化硅50份，聚合氯化铝铁15份，凹凸棒粉35份。所述气相二氧化硅为白色粉末，SiO2含量＞90%，粒径＞1200目，且为亲水型。所述聚合氯化铝铁为红褐色固体粉末，经二次球磨，目数＞325目，有效物质含量≥98%。所述凹凸棒粉具有较强的吸附性，呈纤维集合状。所述悬浮稳定剂是将气相二氧化硅、聚合氯化铝铁和凹凸棒粉按照其比例进行干混，干混均匀后得到的。
实施例4
本实施例是将上述对比实施例1-3和实施例1-3中得到的水泥浆工程性能进行考察。水泥浆基础稳定性测试结果如下表1所示，水泥浆抗压强度及稠化时间等综合性能见下表1所示。
表1为水泥浆基础稳定性测试结果。
根据上表1的实验数据，可以得出对比实施例1-3水泥浆体上下密度差远大于实施例1-3水泥浆体的上下密度差，表明实施例1-3中水泥浆的稳定性远优于对比实施例1-3中案例。实施例1-3配置的浆体上下密度差小于0.02g/cm3，流动度及失水量均能够满足各项高温环境下性能要求，满足施工要求。
表2为水泥浆抗压强度及稠化时间综合性能表
由上表2的数据可知，实施例1-3在210℃下，稠化曲线平稳，稠度未随着温度的升高而降低，表明该高温悬浮稳定剂具有良好的悬浮稳定性，加入其后的水泥浆体也具有良好的高温沉降稳定性；210℃环境下水泥浆养护一定的龄期后，抗压强度并未出现衰退的现象。本发明中的技术方案所提供的水泥浆体系，抗温材料性能好。
进一步，如图1所示，图1为实施例1制备的高密度水泥浆进行停机实验的性能结果示意图。从测试结果可以看出，在停机20min后，重新打开电机，水泥浆稠度升至34Bc，后又降低与开始稠度基本相同，表明浆体具有良好的稳定性，停机过程中未发生沉降。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种耐高温高密度固井水泥浆，其特征在于：该固井水泥浆由以下原料按重量份组成：
油井水泥100份；
高温增强材料30份；
悬浮稳定剂1-3份；
密度调节剂60-120份；
分散剂1-2份；
降失水剂3-8份；
缓凝剂1-3份；
消泡剂0.2份；
水60-70份；
所述悬浮稳定剂由以下原料按重量份组成：
气相二氧化硅35-50份；
聚合氯化铝铁15-20份；
凹凸棒粉35-45份，所述凹凸棒粉具有较强的吸附性，呈针状，纤维状或纤维集合状；所述气相二氧化硅为白色粉末，SiO2含量＞90%，粒径＞1200目，且为亲水型；所述聚合氯化铝铁为红褐色固体粉末，经二次球磨，目数＞325目，有效物质含量≥98%；所述油井水泥为G级油井水泥；所述高温增强材料为超细石英砂和碳化硅按照2:1的质量比混合所形成的固体混合物；所述分散剂为磺化丙酮-甲醛聚合物；所述消泡剂为磷酸三丁酯；所述降失水剂为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类聚合物；所述缓凝剂为AMPS类聚合物。
2.如权利要求1所述的一种耐高温高密度固井水泥浆，其特征在于：所述悬浮稳定剂是将气相二氧化硅、聚合氯化铝铁和凹凸棒粉按照其比例进行干混，干混均匀后得到的。
3.如权利要求1所述的一种耐高温高密度固井水泥浆，其特征在于：所述密度调节剂为微锰矿粉和赤铁矿粉。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种耐高温高密度固井水泥浆的制备方法，其特征在于：该制备方法具体为：
将油井水泥、高温增强材料、密度调节剂和悬浮稳定剂按照上述比例混合均匀；将分散剂、降失水剂、缓凝剂和消泡剂与水按照上述比例进行湿混，按照GB/T19139标准制备水泥浆，即得所述耐高温高密度固井水泥浆。
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