CN116023071A - 一种超低密度水泥浆体系及超低密度水泥浆添加剂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田固井技术领域，具体涉及一种超低密度水泥浆体系及超低密度水泥浆添加剂。该超低密度水泥浆体系主要由油井水泥、低密度减轻剂、降失水剂、悬浮稳定剂和水组成；按重量份计，油井水泥的用量为100份，低密度减轻剂的用量为90‑130份，悬浮稳定剂的用量为0.5‑1.5份；所述低密度减轻剂由超细微球和超细硅粉按质量比70‑90:30‑40组成；所述悬浮稳定剂由白炭黑、硅藻土和纳米级黄原胶组成。本发明通过添加低密度减轻剂、悬浮稳定剂得到的超低密度水泥浆体系可实现浆体结构稳定，在高温、一定压力条件下能够保持密度恒定，有利于提高封固质量以及固井防漏效果。
Description
技术领域
本发明属于油田固井技术领域，具体涉及一种超低密度水泥浆体系及超低密度水泥浆添加剂。
背景技术
随着油气资源的日益枯竭，勘探领域不断向深部复杂油气藏拓展，深井和超深井越来越多，深部低压地层要求固井水泥浆密度也越来越低，固井条件要求井底静止温度超过120℃的高温和水泥浆密度小于或近于1.00g/cm3的超低密度水泥浆。
现有超低密度水泥浆设计中，为保证水泥浆的悬浮稳定性，需要加入较大量的微硅或者超细水泥作稳定材料，高微硅加量易导致现场施工混浆难度增加，高超细水泥需要提高用水量，这些都增加了水泥浆体系具有良好综合工程性能的难度。
另一方面，井底静止温度超过100℃的情况下，制备高温水泥浆需采用抗高温降失水剂，市面上广泛应用的油井水泥高温降失水剂均是AMPS聚合物型，通过引入磺酸基团，使其具有耐温能力，但同时具有一定的分散作用，在制备超低密度水泥浆体系时，存在上下分层、体系稳定性无法调整等问题。
现有技术的超低密度水泥浆，如公开号为CN111875315A，名称为“一种小井眼固井用超低密度水泥浆体系及其制备方法和应用”的发明专利，该专利提供的超低密度水泥浆虽然具有较高的抗压强度和沉降稳定性，但是其仅适用于40-90℃的低中温地层，不能满足高温地层条件下的应用。
公开号为CN113234424A的发明专利，公开了一种适用于中高温地层的低密度固井水泥浆体系，该专利提供的低密度水泥浆采用了AMPS聚合物型降失水剂，虽然能够在80-150℃的高温下仍具有较高的抗压强度，但其密度达到了1.50-1.60g/cm3，难以在深部低压地层下应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种超低密度水泥浆体系，具有沉降稳定性好、成本低的优点。
本发明的另一个目的在于提供了一种超低密度水泥浆添加剂，能够方便快速地得到本发明的超低密度水泥浆体系。
本发明的超低密度水泥浆体系的技术方案如下：
一种超低密度水泥浆体系，主要由油井水泥、低密度减轻剂、降失水剂、悬浮稳定剂和水组成；按重量份计，油井水泥的用量为100份，低密度减轻剂的用量为90-130份，悬浮稳定剂的用量为0.5-1.5份。
所述低密度减轻剂由超细微球和超细硅粉按质量比70-90:30-40组成。
所述悬浮稳定剂由以下质量分数的组分组成：白炭黑30％-40％，硅藻土15％-25％，纳米级黄原胶35％-45％。
本发明通过添加低密度减轻剂、悬浮稳定剂得到的超低密度水泥浆体系可实现浆体结构稳定，在高温、一定压力条件下能够保持密度恒定，有利于提高封固质量以及固井防漏效果。其中，低密度减轻剂配合悬浮稳定剂使用，能够降低水泥浆的密度，不易产生上浮问题。悬浮剂的悬浮性能稳定，使用温度范围宽，与其他添加剂配伍性好，有利于保持浆体稳定，维持密度恒定。
所述超低密度水泥浆体系的密度为1.15-1.25g/cm3，能够满足深部低压地层的应用。
在有高温需求的场合，优选的，所述超低密度水泥浆体系耐温为120-150℃。
优选的，所述油井水泥为G级油井水泥，所述降失水剂为抗高温降失水剂。
进一步的，所述降失水剂为AMPS基降失水剂，用量为4-7份。AMPS基降失水剂降失水剂性能稳定，与其他添加剂配伍性好，能有效控制高温条件下水泥浆的失水量，并且对水泥石其他性能无不良影响。
优选的，所述超低密度水泥浆体系包括缓凝剂和早强剂。
优选的，所述缓凝剂为AMPS/AA二元聚合物缓凝剂，用量为0.6-1份，该缓凝剂适用于制备温度大于100℃的水泥浆体系。
进一步的，所述早强剂为有机物与无机物复合早强剂，用量为2-3份。
优选的，所述超低密度水泥浆体系由以下重量份的组分组成：G级油井水泥100份，低密度减轻剂90-130份，降失水剂4-7份，缓凝剂0.6-1份，早强剂2-3份，悬浮稳定剂0.5-1.5份，水200-260份。
本发明的超低密度水泥浆添加剂的技术方案是：
一种超低密度水泥浆添加剂，由以下重量份数的组分组成：低密度减轻剂90-130份，悬浮稳定剂0.5-1.5份；
所述低密度减轻剂由超细微球和超细硅粉按质量比70-90:30-40组成；
所述悬浮稳定剂由以下质量分数的组分组成：白炭黑30％-40％，硅藻土15％-25％，纳米级黄原胶35％-45％
利用该超低密度水泥浆添加剂制备密度在1.25g/cm3以下的超低密度水泥浆，沉降稳定性在0.02g/cm3以下，浆体结构稳定。
具体实施方式
以下实施例和对比例中的原料均为常规市售产品，其中，降失水剂采用市售AMPS基降失水剂，购自河南新星建材有限公司，型号为高温降失水剂XJL-3。此种降失水剂性能稳定，与其他添加剂配伍性好，能有效控制高温条件下水泥浆的失水量，对水泥石其他性能无不良影响。
缓凝剂购自河南新星建材有限公司的AMPS/AA二元聚合物缓凝剂XJH-3，该缓凝剂适用于制备温度大于100℃的水泥浆体系。
早强剂购自河南新星建材有限公司的有机物与无机物复合早强剂XJQ-4。
低密度减轻剂由超细微球和超细硅粉按质量比70-90:30-40组成。
超细微球的粒径在120目以上，主要由硅铝材料组成，表观密度0.62-0.65g/cm3，其化学成分组成：SiO2 56％-62％，Al2O3 33％-38％，Fe2O3 2％-4％，MgO 0.8％-1.2％，CaO0.2％-0.4％。
超细微球采用以下方法制备而成：
1)选取煤粉在热电厂燃烧及迅速冷却过程中产生的高真空的玻璃态空心微珠作为原材料，通过水悬浮法对微珠进行分离，并去除杂质，使原材料漂浮率≥98％；
2)通过烘干处理，使其含水率≤0.2％；
3)通过初选筛分，选取粒径≥60目的空心微珠；
4)通过焙烧去除杂质，再次通过筛分工艺选取粒径≥120目(≤125μm)的微珠。
超细硅粉中的SiO2含量大于95％，粒径小于10μm。
悬浮稳定剂由以下质量分数的组分组成：白炭黑30％-40％，硅藻土15％-25％，纳米级黄原胶35％-45％。
白炭黑为白色粉末状X-射线无定形硅酸和硅酸盐，粒径在10nm以下。
硅藻土为一种硅质岩石，能够很好的起到悬浮作用，提高水泥浆的稳定性。
纳米级黄原胶是悬浮剂的主要成分，粒径在10nm-100nm之间。该悬浮稳定剂性能稳定，使用温度范围广，与其他添加剂配伍性好。纳米级黄原胶是市售产品，生产厂家为河南建昌精细化工有限公司。
一、耐高温超低密度水泥浆体系的实施例
实施例1
本实施例提供了一种耐高温超低密度水泥浆体系，由以下配比组分组成：G级油井水泥100g，低密度减轻剂130g，降失水剂6.8g，缓凝剂0.7g，悬浮稳定剂1g，早强剂2.5g，水260g。其中，低密度减轻剂由以下重量份的原料制备而成：超细微球90份，超细硅粉40份。悬浮稳定剂由以下组分制备而成：白炭黑30％，硅藻土25％，纳米级黄原胶45％。
本实施例的耐高温超低密度水泥浆体系的制备方法，包括以下步骤：
(1)将固体组分G级水泥、低密度减轻剂、降失水剂、早强剂混合，得到固体混料。将液体组分缓凝剂和水混合，得到液体混料。
(2)将液体混料进行低速搅拌(2000r/min)，搅拌过程中混入悬浮稳定剂，搅拌3min后，将固体混料与之混合，并搅拌均匀，得到本实施例的耐高温超低密度水泥浆体系。
实施例2
本实施例的耐高温超低密度水泥浆体系，由以下配比组分组成：G级油井水泥100g，低密度减轻剂108g，降失水剂6g，缓凝剂0.7g，悬浮稳定剂0.8g，早强剂2.5g，水235g。其中，低密度减轻剂由以下重量份的原料制备而成：超细微球83份，超细硅粉36份。悬浮稳定剂由以下组分制备而成：白炭黑35％，硅藻土25％，纳米级黄原胶40％。
本实施例的耐高温超低密度水泥浆体系，采用和实施例1相同的方法制备而成。
实施例3
本实施例的耐高温超低密度水泥浆体系，由以下配比组分组成：G级油井水泥100g，低密度减轻剂90g，降失水剂5.5g，缓凝剂0.6g，悬浮稳定剂0.5g，早强剂2.5g，水200g。其中，低密度减轻剂由以下重量份的原料制备而成：超细微球76份，超细硅粉33份。悬浮稳定剂由以下组分制备而成：白炭黑38％，硅藻土24％，纳米级黄原胶38％。
本实施例的耐高温超低密度水泥浆体系，采用和实施例1相同的方法制备而成。
二、超低密度水泥浆添加剂的具体实施例，对应于实施例1-3中的低密度减轻剂和悬浮稳定剂。
三、对比例
对比例1
对比例1的耐高温超低密度水泥浆体系，与实施例1基本相同，区别仅在于不含悬浮稳定剂。
对比例2
对比例2的耐高温超低密度水泥浆体系，与实施例2基本相同，区别仅在于不含悬浮稳定剂。
对比例3
对比例3的耐高温超低密度水泥浆体系，与实施例3基本相同，区别仅在于不含悬浮稳定剂。
四、试验例
试验例1
按照SY/T 5504.6-2009《油井水泥外加评价方法第6部分减轻剂》、GB/T19139-2012《油井水泥试验方法》，对实施例1-3的耐高温超低密度水泥浆体系的密度、失水、沉降稳定性、不同温度下的抗压强度以及稠化时间进行测定，结果如表1所示：
表1实施例1-3的性能检测结果
由表1的测试结果可知，本发明的耐高温超低密度水泥浆体系的密度在1.25g/cm3以下，失水量均小于58ml，沉降稳定性在0.02g/cm3以下，稠化时间低于290min。
对实施例1-3在不同的高温下进行抗压性能测试，实施例1在120℃的高温下抗压强度达到了6.5MPa，实施例2在130℃的高温下抗压强度为6.8Mpa，实施例3在150℃的高温下抗压强度达到7.3Mpa。
试验例2
将实施例1-3中的低密度水泥浆在150℃、不同压力条件养护下养护60min，测定密度变化情况，结果如表2所示：
表2实施例1-3在150℃、不同压力下的密度测试结果
由表2可知，实施例1-3的耐高温超低密度水泥浆体系在150℃高温下也可以承受30-50MPa压力条件，且不会发生密度明显增大的现象，密度变化在0.02g/cm3以下。由此可见，该耐高温超低密度水泥浆体系在不同压力下密度可以保持稳定，有利于保障浆体稳定、密度恒定，提高封固质量及固井防漏效果。
试验例3
对实施例1-3和对比例1-3在93℃下养护2h的沉降稳定性进行测试，测试结果如表3所示：
表3实施例1-3与对比例1-3的沉降稳定性测试结果
由表3可见，通过加入本发明的悬浮稳定剂可以较好的改善耐高温超低密度水泥浆体系的沉降稳定性，避免减轻剂上浮造成上下密度差较大，有利于浆体结构稳定。
结合以上试验例可知，本发明的超低密度水泥浆体系的密度在1.25g/cm3以下，失水量均小于58ml，沉降稳定性在0.02g/cm3以下，稠化时间可在250-300min之间进行调整。
本发明提供的超低密度水泥浆体系的浆体结构稳定，在120-150℃高温、一定压力条件下能够保持密度恒定，有利于提高封固质量以及固井防漏效果。
Claims (10)
1.一种超低密度水泥浆体系，其特征在于，主要由油井水泥、低密度减轻剂、降失水剂、悬浮稳定剂和水组成；按重量份计，油井水泥的用量为100份，低密度减轻剂的用量为90-130份，悬浮稳定剂的用量为0.5-1.5份；
所述低密度减轻剂由超细微球和超细硅粉按质量比70-90:30-40组成；
所述悬浮稳定剂由以下质量分数的组分组成：白炭黑30％-40％，硅藻土15％-25％，纳米级黄原胶35％-45％。
2.如权利要求1所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述超低密度水泥浆体系的密度为1.15-1.25g/cm3。
3.如权利要求1所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述超低密度水泥浆体系耐温为120-150℃。
4.如权利要求3所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述油井水泥为G级油井水泥，所述降失水剂为抗高温降失水剂。
5.如权利要求4所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述降失水剂为AMPS基降失水剂，用量为4-7份。
6.如权利要求1-5中任一项所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述超低密度水泥浆体系包括缓凝剂和早强剂。
7.如权利要求6所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述缓凝剂为AMPS/AA二元聚合物缓凝剂，用量为0.6-1份。
8.如权利要求6所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：所述早强剂为有机物与无机物复合早强剂，用量为2-3份。
9.如权利要求1所述的超低密度水泥浆体系，其特征在于：由以下重量份的组分组成：G级油井水泥100份，低密度减轻剂90-130份，降失水剂4-7份，缓凝剂0.6-1份，早强剂2-3份，悬浮稳定剂0.5-1.5份，水200-260份。
10.一种超低密度水泥浆添加剂，其特征在于：由以下重量份数的组分组成：低密度减轻剂90-130份，悬浮稳定剂0.5-1.5份；
所述低密度减轻剂由超细微球和超细硅粉按质量比70-90:30-40组成；
所述悬浮稳定剂由以下质量分数的组分组成：白炭黑30％-40％，硅藻土15％-25％，纳米级黄原胶35％-45％。
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2021
- 2021-10-25 CN CN202111243117.9A patent/CN116023071B/zh active Active
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| CN116023071B (zh) | 2024-07-19 |
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