CN114516737A - 一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，按质量份计，包括：高抗硫酸盐型G级油井水泥与外掺料共100份；所述G级油井水泥：外掺料＝100:0～40:60；聚合物降滤失剂0.5‑5份；交联剂0.5～2.5份；延时剂0.5‑5份；缓凝剂0.5～4份；分散剂0.1‑1.5份；消泡剂0.05‑0.1份；水35～50份。本发明提供的水泥浆泵送性能好、成胶时间可控、耐温可达150℃以上，施工工艺简单，可适用于老区调整井固井和含高压水层的深井固井作业。

Description

一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆及其制备方法。
背景技术
水泥浆候凝期间因自身胶凝失重和抗水侵能力弱导致的地层水侵入水泥基体，水泥环结构破坏，是老区调整井和含高压水层深井固井作业面临的常见难题。水侵发生后，水泥环因结构破坏会造成层间封隔能力下降，在水泥基体内形成窜流通道，导致油、气、水沿通道发生层间互窜，或者环空窜流。提高水泥浆抗水侵能力是老区调整井和含高压水层固井亟待解决的关键问题。目前，学者和工业界研究人员虽针对水窜问题开展了部分研究，也取得了一定成果，但由于受防水窜机理、防水窜材料及防水窜评价方法等的限制，水窜问题仍是普遍面临的技术难题。
目前现有技术当中，提高水泥浆抗水侵能力的途径主要是两大类：一是采用无机材料提高水泥浆触变性，改善水泥浆凝结速度，让水泥具备早强速凝特征，缩短水侵发生的持续时间；二是采用大分子聚合物类材料，通过分子链上带有的羟基与不同分子链以及拌合水分子之间形成氢键，相互缠联形成网状结构，将水泥颗粒包裹起来，提高抗水侵能力。但上述方法还存在一定不足：无机类材料的加入会导致浆体触变性增强，注水泥作用中途若短暂停泵后再继续作业，会导致泵压增大，存在压漏地层风险。部分无机材料虽然能提高早期强度，但会导致后期强度衰退。聚合物类抗水侵剂能显著改善水泥浆抗水侵能力，但水泥浆配浆后即形成絮凝结构，具有较高的稠度，会导致泵送压力高，尤其对于易漏失地层，易导致注替过程中井漏的发生。因此开发一种适用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，具备在配浆和注替过程中浆体维持正常水泥浆稠度，候凝过程中能迅速形成胶凝结构，抵抗地层水冲刷和窜流的能力具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种适用于含水地层固井的抗水侵水泥浆。本发明提供的水泥浆泵送性能好、成胶时间可控、耐温可达150℃以上，施工工艺简单，可适用于老区调整井固井和含高压水层的深井固井作业。
本发明的另一目的在于提供该抗水侵水泥浆的制备方法，该制备方法操作简便，对于油气井固井作业具有广泛的实用性。
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，质量份计，包括：
高抗硫酸盐型G级油井水泥与外掺料共100份；所述G级油井水泥：外掺料＝100:0～40:60；
聚合物降滤失剂0.5-5份；
交联剂0.5～2.5份；
延时剂0.5-5份；
缓凝剂0.5～4份；
分散剂0.1-1.5份；
消泡剂0.05-0.1份；
水35～50份。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述外掺料为石英砂、微硅粉、重晶石、磁铁矿粉、粉煤灰中的一种或多种的混合物。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述聚合物降滤失剂为含酰胺基团的聚合物。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述含丙烯酰胺基团的聚合物为丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、双丙酮丙烯酰胺的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与N,N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述交联剂为分子量1万～7万的聚乙烯亚胺。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述延时剂为氯化钠、氯化铵、氯化钾中的一种或两种混合物。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述缓凝剂为柠檬酸、葡萄糖酸钠、木质素磺酸钠中的一种或两种混合物。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述分散剂为甲醛-丙酮缩合物。
进一步地，如上所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，所述消泡剂为有机磷酸酯。
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：称取100份高抗硫酸盐型G级油井水泥与外掺料的混合物、0.5～5份延时剂、0.5～4份缓凝剂、0.1-1.5份分散剂，混拌均匀为灰样；
步骤2：称取0.5-5份聚合物降滤失剂，溶解于35～50份水中，然后加入0.5～2.5份交联剂和0.05-0.1份消泡剂，混合为水样；
所述所述聚合物降滤失剂为含丙烯酰胺基团的聚合物；所述交联剂为分子量1万～7万的聚乙烯亚胺；
步骤3：将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
本发明用于含水地层固井的抗水侵水泥浆其技术原理为：采用含酰胺基团的聚合物作为降失水剂，控制水泥浆在泵送过程中的滤失量和悬浮稳定性。在水泥浆中引入多臂结构的交联剂，当水泥浆泵送至设计位置开始候凝时，交联剂分子链端的亚胺氮与降失水剂分子侧链上的酰胺基发生亲核取代反应，形成网架结构进而成胶，将水泥浆颗粒包裹在网架结构中，形成胶凝状结构，增大水泥基体阻力，抵抗高压地层水对水泥基体的破坏。同时，由于交联剂本身为强碱性，促进水泥水化和强度发展，缩短可能发生水侵的时间，协同提高水泥浆候凝过程中抗水侵能力。
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)水泥浆中的聚合物和交联剂需要在井下一定温度下才能发生交联反应，形成较稳定的交联结构，时间可控可调，交联强度不因温度升高而下降，满足中高温深井固井需要。
(2)通过延时剂、交联剂加量控制可实现延迟交联，克服了现有大分子聚合物抗水侵剂加入水泥浆后导致的稠度大、触变性强、泵送压力高、易造成漏失的弊端。
(3)在交联反应前，聚合物降滤失剂起到降滤失和悬浮作用，控制失水量，保证泵送过程中水泥浆稳定性和流动性；交联后聚合物凝胶包裹水泥浆颗粒，形成具有一定强度的胶凝结构，阻止地层水侵入水泥浆基体，达到抗水侵目的。交联剂也可促进水泥水化和强度发展，缩短可能发生水侵的时间，协同提高抗水侵能力。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其制备方法具体如下：
称取100份高抗硫酸盐型G级油井水泥、1份氯化钾、2份木质素磺酸钠缓凝剂、0.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取2.5份丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸的分子量100万～300万的三元共聚物降失水剂，溶解于40份水中，然后加入0.6份分子量3万的聚乙烯亚胺交联剂和0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
对照组1
对照组普通水泥浆，其制备方法具体如下：
称取100份高抗硫酸盐型G级油井水泥、2份木质素磺酸钠缓凝剂、0.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取2.5份丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸的分子量100万～300万的三元共聚物降失水剂，溶解于40份水中，然后加入0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得对照组水泥浆。
实施例2
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其制备方法具体如下：
称取75份高抗硫酸盐型G级油井水泥和25份石英砂、3份氯化钠、2份木质素磺酸钠缓凝剂、0.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取3.5份丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺的分子量100万～300万的三元共聚物降失水剂，溶解于40份水中，然后加入0.7份分子量7万的聚乙烯亚胺交联剂和0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
对照组2
对照组普通水泥浆，其制备方法具体如下：
称取75份高抗硫酸盐型G级油井水泥和25份石英砂、2份木质素磺酸钠缓凝剂、0.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取3.5份丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺的分子量100万～300万的三元共聚物降失水剂，溶解于40份水中，然后加入0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得对照组水泥浆。
实施例3
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其制备方法具体如下：
称取43份高抗硫酸盐型G级油井水泥、14份石英砂、43份磁铁矿粉、4.5份氯化钠、3份柠檬酸和0.5份葡萄糖酸钠缓凝剂、0.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取5份丙烯酰胺与N,N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物降失水剂，溶解于40份水中，然后加入1.0份分子量5万的聚乙烯亚胺交联剂和0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
对照组3
对照组普通水泥浆，其制备方法具体如下：
称取43份高抗硫酸盐型G级油井水泥、14份石英砂、43份磁铁矿粉、3份柠檬酸和0.5份葡萄糖酸钠缓凝剂、0.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取5份丙烯酰胺与N,N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物降失水剂，溶解于40份水中，然后加入0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得对照组水泥浆。
实施例4
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其制备方法具体如下：
称取100高抗硫酸盐型G级油井水泥与微硅粉的混合物、0.5份氯化铵、0.5木质素磺酸钠和柠檬酸的混合物、0.1份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取0.5份丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸的分子量100万～300万的三元共聚物，溶解于35份水中，然后加入0.5份分子量1万～7万的聚乙烯亚胺和0.05份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
实施例5
一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其制备方法具体如下：
称取43份高抗硫酸盐型G级油井水泥、14份石英砂、43份磁铁矿粉、5份氯化钾与氯化钠的混合物、4木质素磺酸钠、1.5份甲醛-丙酮缩合物分散剂，混拌均匀为灰样；
称取5份丙烯酰胺与N,N-二甲基丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物，溶解于50份水中，然后加入2.5份分子量1万～7万的聚乙烯亚胺和0.1份有机磷酸酯消泡剂，混合为水样。
将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
2、实施例性能测试
(1)抗水侵水泥浆流变性测试
根据上述各实施例和对照组配制好水泥浆后，按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》进行流变性测试，水泥浆预制温度90℃。
(2)抗水侵水泥浆沉降稳定性与自由液测试
根据上述各实施例和对照组配制好水泥浆后，按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》进行沉降稳定性与自由液，养护条件90℃，120min。
(3)抗水侵水泥浆稠化时间测试
根据上述各实施例和对照组配制好水泥浆后，按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》进行稠化时间测试。
(4)抗水侵水泥浆抗压强度测试
根据上述各实施例和对照组配制好水泥浆后，按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》进行抗压强度测试，所有试样均在增压养护釜中养护，养护条件：20.7MPa，24h。
(5)抗水侵水泥浆抗水侵测试
将实施例和对照组配制的水泥浆，装入自制的水泥浆水侵能力评价装置釜体中，在设定温度下进行养护。养护过程中，以水模拟地层流体向模拟地层的岩心中施加3.5MPa恒定压力，直至水泥浆终凝，然后泄压。养护24h后，持续加压直至流体窜通，记录压力峰值作为实施例的抗水窜能力，若加压至7MPa时未窜通，即停止加压。
表1抗水侵水泥浆流变性能测试结果
Figure BDA0003565855130000091
表2抗水侵水泥浆工程性能及抗水窜压力测试结果
Figure BDA0003565855130000092
从表1和表2中可以看出，抗水侵水泥浆流变性能与对照组基本相当，在未发生交联前，水泥浆不会出现增稠现象，浆体沉降稳定性较好。稠化时间与对照组水泥稠化时间相近，未出现稠化时间大幅度变化。抗水侵水泥浆体系的抗水窜能力显著提升。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，按质量份计，包括：
高抗硫酸盐型G级油井水泥与外掺料的混合物共100份；所述G级油井水泥：外掺料＝100:0～40:60；
聚合物降滤失剂0.5-5份；
交联剂0.5～2.5份；
延时剂0.5-5份；
缓凝剂0.5～4份；
分散剂0.1-1.5份；
消泡剂0.05-0.1份；
水35～50份。
2.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述外掺料为石英砂、微硅粉、重晶石、磁铁矿粉、粉煤灰中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述聚合物降滤失剂为含酰胺基团的聚合物。
4.根据权利要求3所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述含丙烯酰胺基团的聚合物为：
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、双丙酮丙烯酰胺的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺的分子量100万～300万的三元共聚物；或
丙烯酰胺与N,N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯磺酸钠的分子量100万～300万的三元共聚物。
5.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述交联剂为分子量1万～7万的聚乙烯亚胺。
6.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述延时剂为氯化钠、氯化铵、氯化钾中的一种或两种混合物。
7.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述缓凝剂为柠檬酸、葡萄糖酸钠、木质素磺酸钠中的一种或两种混合物。
8.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述分散剂为甲醛-丙酮缩合物。
9.根据权利要求1所述的用于含水地层固井的抗水侵水泥浆，其特征在于，所述消泡剂为有机磷酸酯。
10.一种用于含水地层固井的抗水侵水泥浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：称取100份高抗硫酸盐型G级油井水泥与外掺料的混合物、0.5～5份延时剂、0.5～4份缓凝剂、0.1-1.5份分散剂，混拌均匀为灰样；
步骤2：称取0.5-5份聚合物降滤失剂，溶解于35～50份水中，然后加入0.5～2.5份交联剂和0.05-0.1份消泡剂，混合为水样；
所述所述聚合物降滤失剂为含丙烯酰胺基团的聚合物；所述交联剂为分子量1万～7万的聚乙烯亚胺；
步骤3：将水样倒入恒速搅拌器中，搅拌速度设定为4000±200r/min，然后在15秒内将混拌好的灰样倒入恒速搅拌器中；然后恒速搅拌器转速升至12000±500r/min，继续搅拌35秒，即制得所述抗水侵水泥浆。
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