專利名稱：特低密度的水泥漿的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于油井、天然氣井、水井、地熱井等井類的水泥漿。更確切地，本發明涉及具有低密度和低空隙率的水泥漿。
鉆井如鉆油井后，一般將套管沉入到井內并在其整個或部分高度灌注水泥。這特別適用于消除井延伸方向的不同巖層間的流體互換，如阻止氣體通過套管周圍的環隙逸出，或限制水進入產烴井。灌注水泥的另一個目的是鞏固井并保護套管。
當制備水泥漿然后注入井內并置于要注水泥的區域時，水泥漿必須具有相當低的粘度和有效的恒定流變性。一旦置于其位置，理想的水泥快速產生高壓強。
希望能調整水泥的密度以使在井的底部巖層上的水泥所施加的壓力至少能很好補償巖層空隙流體壓力，從而避免任何灌注危險。由水泥柱產生的流體靜壓的上限加上由于泵輸送的流體循環造成的液壓損失必須保持低于正灌注水泥區域中的巖石的斷裂壓力。有些地質巖層非常脆弱，需要低于水密度的水泥密度以避免這種斷裂。
由于灌注危險隨著柱的高度減小，如果使用柱的高度大時，補償孔隙壓力所需的密度就可低一點。另外，以大的高度灌注水泥是有利的，因為這可減少必須注水泥的區域數。
所有這些因素促成了低密度水泥漿的應用。
油井和天然氣井最廣泛使用的水泥漿的密度約為1900kg/m3，約為要避免一些礦床斷裂所需密度的2倍。為生產較輕(較低密度)的水泥漿，最簡單的已知方法是制造與常規水泥漿相比其水含量增加的緩凝水泥漿，同時為了避免顆粒料沉降和/或在漿體表面形成游離水而向漿體中添加穩定劑(通常所說的“緩凝劑”)。但是，這種方法不能用于生產密度接近1000kg/m3的水泥漿。另外，由這種水泥漿形成的硬化水泥的抗壓強度大大降低，滲透性高，并且粘合度差。由于這些原因，這種方法不能用于有效地生產密度低于1300kg/m3且同時仍保持良好區域層隔離并為套管提供足夠增強作用的水泥漿。
另外一種已知方法在于通過在漿體開始產生泡沫前向漿體內注入氣體(一般用空氣或氮氣)使水泥漿變輕。調整空氣或氮氣的加入量以達到所需的漿體密度。由于氣體密度比水低，因而需要加入量較少，所以這種方法提供了比前面所述的緩凝水泥漿稍好的性能。盡管如此，在石油工業應用中，密度實際仍限制在大于1100kg/m3，即使在開始時使用已用水減輕的水泥漿。超過一定的“泡沫程度”，即一定的氣體體積與泡沫漿體體積比，泡沫穩定性就急劇下降，凝固水泥的壓縮強度就變的太低，并且其透氣性變得太高，因而耐久性降低，尤其是在含有對水泥在一定程度上有侵蝕性離子的熱水溶性介質中，這在油井和氣井中是常見的。
因各種原因，前人建議向水泥漿中加入玻璃或陶瓷珠或球。US5571318中建議在水泥漿中包含陶瓷珠以用于失水量的控制。US3804058中建議使用60-325μm和＜40-＞250μm粒度范圍內的玻璃微球以制備低密度水泥漿。WO00/29359中建議在用于低溫或深水井的水泥漿中使用平均粒徑在120-150μm范圍內的煤胞。這些建議中沒有一個描述密度低于水的漿體。
國際專利申請號PCT/EP/00/06459公開了密度在0.9-1.3g/cm3范圍內的低密度水泥漿，并由固體組分和液體組分構成，具有空隙率(液固體積比)在38％-50％范圍內，所述固體組分包括60％-90％(體積)的平均粒徑在20-350μm范圍內的輕質顆粒；10％-30％(體積)的平均粒徑在0.5-5.0μm范圍內的微水泥；0％-20％(體積)的平均粒徑在20-50μm范圍內的波特蘭水泥；及0-30％(體積)的石膏。
本發明的一個目的是提供同時具有低密度和低空隙率并且不用引入氣體就可得到的水泥漿。
本發明提供密度在750kg/m3-1000kg/m3之間的水泥漿，包括占總體積37％-50％數量(體積)的液體組分，和由水泥組分與平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒組分組成的固體組分。
固體組分可為兩元混合物或三元混合物。在兩元形式中，固體組分包括75％-90％(體積)的平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒；10％-25％(體積)的平均粒徑在10-50μm之間的波特蘭水泥或平均粒徑在0.5-5μm之間的微水泥。
在三元形式中，固體組分包括20％-50％(體積)的平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒；10％-25％(體積)的平均粒徑在10-50μm之間的波特蘭水泥或平均粒徑在0.5-5μm之間的微水泥；35％-65％(體積)的平均粒徑在100-200μm之間的輕質顆粒。
平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒優選為密度小于500kg/m3如380kg/m3的玻璃微球。尤其優選平均粒徑大于25μm的原料。
通過使液固相比小于50％、優選小于45％來獲得低空隙率，以達到最佳機械性能和滲透性。通過提供比常規輕化體系好得多的機械性能和低滲透性，超輕質水泥的防漏和粘合性能及這種配方的抗化學腐蝕性大大好于目前使用的低密度體系，即使本發明可能達到異常低的密度特別是明顯低于水的密度時也是如此。另外，本發明的水泥漿不需要使用氣體，這就可能避免生產泡沫水泥還另外需要的補給問題(logistical problems)。
本發明的特征在于顆粒添加劑是混合在水泥漿中，與漿體中的另外一種或其它顆粒組分結合，特別是與水泥、微水泥(或類似水硬性粘合劑)的顆粒結合，這種結合產生了可大大改善水泥漿性能的粒度分布。顆粒添加劑可為有機物或無機物，特別選擇密度低的。通過結合輕質顆粒和水泥(或類似水硬性粘合劑)而獲得低密度。通過選擇顆粒的粒度和顆粒體積分布以使固體混合物的緊密度最大，從而得到適宜的流變和機械性能。
對于含有兩組分(輕質顆粒和水泥/微水泥)的固體混合物，最大的緊密度一般在輕質顆粒與水泥體積比在70∶30到85∶15，優選在75∶25到80∶20范圍內得到，當使用微水泥時，選用的輕質顆粒的粒度至少是微水泥粒度的10倍。這些參數可以改變，具體取決于輕質顆粒粒度分布的分散度。平均粒徑為30μm的顆粒可與微水泥以85∶15的比例(體積)結合使用，能得到850-880kg/m3(取決于液固比)的密度級。
本發明使用的術語“微水泥”是指由平均粒徑大約3μm的顆粒組成的任何水硬性粘合劑，且不包含粒度大于15μm的顆粒或至少沒有大于15μm的有效數。這種材料通過透氣度試驗所測得的單位重量的比表面積一般為0.8m2/g左右。
微水泥可主要由波特蘭水泥組成，特別是由典型的包括65％石灰、22％硅石、4％氧化鋁、4％氧化鐵和少于1％的氧化錳的G級波特蘭水泥組成，或同樣地通過由波特蘭微水泥與微礦渣的混合物組成，即主要由包括45％石灰、30％硅石、10％氧化鋁、1％氧化鐵和5％-6％氧化錳的熟料制成組合物所構成的混合物(這里只提到主要氧化物；它們的濃度當然隨來源有輕微變化)。對于特別低的溫度應用(＜30℃)，優選波特蘭微水泥，因其反應性超過微水泥和礦渣的混合物。
通常的輕質顆粒密度小于1g/cm3，一般小于0.7g/cm3。可使用合成材料如中空玻璃珠，尤其優選具有高抗壓強度的鈉-鈣-硅酸硼玻璃珠，也可使用真正的陶瓷微球，如硅-鋁類。這些輕質顆粒還可以是塑料材料如聚丙烯顆粒。也可以使用中空微球，尤其是稱為煤胞的硅鋁酸鹽，一種平均粒徑大約為150μm的煤燃燒后的殘渣。
通常，調整水泥漿密度主要與已選擇的輕質顆粒相關，但也可改變水固比(保持水體積分數在38％-50％范圍內)和(微)水泥或類似水硬性粘合劑的量(在10％-30％范圍內)。
根據本發明制備的水泥的機械性能大大好于具有同樣密度的泡沫水泥。抗壓強度非常高，空隙率非常低。因此，滲透性比同樣密度的泡沫的水泥小幾個數量級，從而使這類體系具有顯著的硬度性能。
本發明的方法由于避免了發泡所需的這類補給，因而大大簡化了灌漿操作。
根據本發明制備的水泥漿還具有能在漿體注于井內前就可測定全部漿體性能(流變性、凝結時間、抗壓強度....)的優點，而不象泡沫水泥漿只能在氣體引入前的漿體中測量某些參數(凝結時間)。
根據本發明的水泥漿可以包含一種或多種下列類型的添加劑分散劑、防凍劑、保水劑、緩凝劑(extenders)、水泥促凝劑或阻凝劑、泡沫穩定劑。這些添加劑以液體形式(本身為液體或溶于液體載體)存在并作為液體組分的一部分。水泥漿中也可存在少量的不改變如前所述的兩元或三元性質的固體材料。
以下非限制其范圍的實施例用于說明本發明。
給出根據本發明制備的兩種水泥漿的性能，并與泡沫水泥體系相比較。
水泥漿A制備粉末混合物。它包括90vol％的平均粒徑為30μm、密度為380kg/m3的玻璃微球，和10vol％的波特蘭微水泥與平均粒徑大約為1.5μm的礦渣的混合物。
使用的玻璃微球為3MTM公司出售的名為ScothchliteTMGlass Bubbles的S38HS；這種微球的密度為380kg/m3，粒度分布為10％(體積)的顆粒的粒度小于20μm，50％的小于45μm，90％的小于75μm；特別選用這些顆粒是因為其高抗壓強度(90％的顆粒承受38.5MPa或5500psi的等靜壓壓力)。
水和添加劑(每袋粉末含0.05加侖的消泡劑和每袋粉末0.08加侖的基于聚萘磺酸鹽的超增塑劑)和這種粉末混合以確保液體在漿體中的體積百分比為42％。應注意到一袋粉末的定義同水泥的袋類似，即一袋裝有45.359kg混合物，換句話說，每公斤混合物有1加侖/秒＝0.0834升(1)的添加劑。
水泥漿B制備粉末混合物。它包括85vol％的平均粒徑為30μm、密度為380kg/m3的玻璃微球S38HS，和15vol％的波特蘭微水泥與平均粒徑大約為1.5μm的礦渣的混合物。
水和添加劑(每袋粉末0.05加侖的消泡劑和每袋粉末0.12加侖的基于聚萘磺酸鹽的超增塑劑)和這種粉末混合以確保液體在漿體中的體積百分比為42％。
水泥漿C制備粉末混合物。它包括45vol％的平均粒徑為150μm、密度為680kg/m3的中空煤胞，43vol％的平均粒徑為30μm、密度為380kg/m3的玻璃微球S38HS，和12vol％的波特蘭微水泥與平均粒徑約1.5μm的礦渣的混合物。
水和添加劑(每袋粉末0.05加侖的消泡劑和每袋粉末0.1加侖的基于聚萘磺酸鹽的超增塑劑)同粉末混合并確保液體在漿體中的體積百分比為42％。
水泥漿D制備基于G級波特蘭水泥的密度為1900kg/m3的常規水泥漿。
用50％泡沫量使漿體泡沫化，以得到最終密度為950kg/m3的水泥漿。
密度單位為kg/m3(圓括號內為磅/加侖)。
應用賓漢流體模型，以單位為帕斯卡(圓括號內為磅/100平方英尺)的流動閥值和單位為mPa.s或厘泊的塑性粘度表示流變能力。這些參數在室溫下測定。CS代表水泥在室溫常壓下凝結四天后的抗壓強度，單位為MPa(圓括號內為磅/平方英寸)。
*這種情況下，空隙率的計算按照氣+水的體積/漿體總體積。
根據本發明制備的水泥漿可看出，對如此低的密度，抗壓強度仍特別高，而且盡管空隙率低，但這些水泥漿仍呈現出良好流變能力。
權利要求
1.一種密度在750-1000kg/m3之間的水泥漿，包括占總體積37-50％(體積)的液體組分和由水泥組分與平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒組分組成的固體組分。
2.如權利要求1要求的水泥漿，其中固體組分包括75％-90％(體積)的平均粒徑在15μm以上的輕質顆粒；和10％-25％(體積)的平均粒徑在10-50μm之間的波特蘭水泥或平均粒徑在0.5-5μm之間的微水泥。
3.如權利要求1要求的水泥漿，其中固體組分包括20％-50％(體積)的平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒；10％-25％(體積)的平均粒徑在10-50μm之間的波特蘭水泥或平均粒徑在0.5-5μm之間的微水泥；和35％-65％(體積)的平均粒徑在100-200μm之間的輕質顆粒。
4.如權利要求3要求的水泥漿，其中平均粒徑在100-200μm之間的輕質顆粒的密度不大于1000kg/m3。
5.如權利要求4要求的水泥漿，其中平均粒徑在100-200μm之間的輕質顆粒的密度不大于700kg/m3。
6.如權利要求3、4或5要求的水泥漿，其中平均粒徑在100-200μm之間的輕質顆粒包括煤胞。
7.如前述任一權利要求要求的水泥漿，其中水泥組分包括平均粒徑不大于3μm的微水泥。
8.如權利要求7要求的水泥漿，其中固體組分包括平均粒徑是微水泥平均粒徑至少10倍的輕質顆粒。
9.如前述任一權利要求要求的水泥漿，其中平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒的密度不大于500kg/m3。
10.如權利要求9要求的水泥漿，其中平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒的密度大約為380kg/m3。
11.如前述任一權利要求要求的水泥漿，其中平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒的粒度分布為至少10％(體積)的顆粒的粒度小于20μm，至少50％(體積)的顆粒的粒度小于45μm，至少90％(體積)的顆粒的粒度小于75μm。
12.如前述任一權利要求要求的水泥漿，其中液體組分占總體積的45％(體積)。
13.如前述任一權利要求要求的水泥漿，其中平均粒徑在10-60μm之間的輕質顆粒包括玻璃微球。
14.如前述任一權利要求要求的水泥漿，另外還包含一種或多種下列類型的添加劑分散劑、防凍劑、保水劑、緩凝劑、水泥促凝劑或阻凝劑、泡沫穩定劑。
全文摘要
一種密度在750－1000kg/m
文檔編號C04B20/00GK1500071SQ01823085
公開日2004年5月26日 申請日期2001年12月12日 優先權日2001年2月15日
發明者布魯諾·德羅喬恩, 斯萊希迪恩·基菲, 布魯諾 德羅喬恩, 迪恩 基菲 申請人:索菲泰克公司