專利名稱：低密度水泥漿的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種石油鉆井工程領域，尤其是涉及一種適用于井溫高且易漏失地層封固的水泥漿。
背景技術：
在石油鉆井工程中，隨著勘探開發的深入，鉆探深度加深，需要封固的地層更為復雜。例如塔里木盆地其中深部灰巖、白云巖地層縫洞發育，地層孔隙壓力低，鉆井和固井易發生漏失，白云巖縫洞型層段儲層保護要求高，堵漏難度大，難以對其進行有效封堵，無法·滿足常規固井施工條件。另外，套管下入深，井底溫度高，水泥石強度易發生衰減。目前使用的水泥漿大多采取漂珠+微硅配制而成，用漂珠作為主要減輕材料，微硅作為填充材料，該體系具有密度可調范圍大、具有良好的穩定性、流動性和一定的觸變性、失水量低和早期強度高等優點，能有效地防止漏失及其對油氣層的保護。但對于井深，井底壓力高70MPa),國產普通漂珠低密度水泥漿密度破碎率較大，已不適應深井壓力要求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有水泥漿中漂珠易破碎，不能滿足深井壓力要求的缺陷，提供了一種低密度水泥漿，該水泥漿密度穩定且低至1. 29-1. 31g/cm3，綜合性能良好，強度高且能抗高溫。本發明低密度水泥漿，采用顆粒堆積和粒徑級配原理，復配抗壓強度高(124MPa以上)、密度低(0. 6g/cm3以下)的空心玻璃微珠，G級水泥+超細水泥，以及長度4. 5-5. 5mm(優選5mm)的短纖維，使得所得低密度水泥漿適用于具有高溫、高壓、井深為特點的固井，尤其是灰巖、白云巖地層裂縫發育固井。為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種低密度水泥漿，該水泥漿水固比為58-65 :100 ;以重量份計，該水泥漿固體成分包括水泥112-118份，減輕劑微珠35-45份以及穩定劑微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒徑為12-14 iim (D50為16-17 iim)的水泥第一組分100份以及平均粒徑為6-7 ii m (D5tl為6_8 y m)的水泥第二組分12-18份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維0. 1-0. 25g ;該水泥漿密度為1. 29-1. 3lg/cm3。本發明所述水泥漿水固比是指水和固體成分的質量比。前述的低密度水泥漿，該水泥漿水固比為60-63 :100 ；以重量份計，該水泥漿固體成分包括水泥114-116份，減輕劑微珠38-42份以及穩定劑微硅6-10份，其中所述水泥包括水泥第一組分100份以及水泥第二組分14-16份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維 0. 1-0. 2g。前述的低密度水泥漿，所述水泥第一組分平均粒徑為12. 96um ;所述水泥第二組分平均粒徑為6. 03 u m。
前述的低密度水泥漿，所述微珠是空心玻璃珠，抗壓強達124MPa(18000psi)以上。該微珠優選壁厚為1. 8-2. 2 u m (優選2 u m),密度為0. 6g/cm3以下。前述的低密度水泥漿，所述微硅的平均粒徑為0. 28-0. 32 um (優選0. 3 y m)。前述的低密度水泥漿，所述纖維是玻璃纖維，碳纖維，聚丙烯纖維或尼龍纖維，其長度為 4. 5-5. 5mm。前述的低密度水泥漿，以水泥漿中水泥，微珠以及微硅含量總和為100重量份計，該水泥漿進一步包括早強劑2 4. 5重量份，分散劑0. 3^0. 7重量份，降失水劑5 8. 5重量份，第一防氣竄劑1. 5^3. 5重量份，第二防氣竄劑2-4重量份，緩凝劑0. 8^1. 5重量份，以及消泡劑0. 15、. 45重量份中的至少一種。前述的低密度水泥漿，以水泥漿中水泥，微珠以及微硅含量總和為100重量份計，所述水泥漿進一步包括早強劑3. 5^4. 5重量份，分散劑0. 35、. 65重量份，降失水劑 5. 5^8. 5重量份，第一防氣竄劑1. 5^3. 5重量份，第二防氣竄劑2_4重量份，緩凝劑1. (Tl. 5重量份，以及消泡劑0. 15^0. 35重量份中的至少一種。前述的低密度水泥漿，所述第一防氣竄劑是丁苯膠乳；所述第二防氣竄劑是羧基丁苯膠乳。前述的低密度水泥漿，所述早強劑包括硫代硫酸鋁、硅酸鈉或堿式氯化鋁；所述分散劑是丙酮甲醛磺化縮聚物；所述降失水劑是2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺的三元共聚物；所述緩凝劑是六偏磷酸鈉；以及所述消泡劑是磷酸三丁酯。本發明低密度水泥漿體系，以空心玻璃微珠為主要減輕劑，微硅為穩定劑，并且為了提高度密度水泥漿早期抗壓強度，引入了 D5tl Se-Sym的水泥第二組分，最終形成空心玻璃微珠、水泥、微硅三種不同粒徑級配組合，形成了抗高溫超低密度水泥漿體系。應用本發明水泥漿體系大大提高了灰巖、白云巖裂縫發育易漏失地層的固井質量。
圖1是實施例4所得水泥漿的稠化曲線圖。圖2是實施例4所得水泥漿靜膠凝膠強度曲線。
具體實施例方式為充分了解本發明之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本發明做詳細說明。本發明為了克服灰巖、白云巖地層由于埋藏深、微裂縫發育、孔隙壓力低、鉆井和固井易漏，從而難以對其進行有效封堵，無法滿足常規固井施工條件的技術難題，研發出了適合封固灰巖、白云巖裂縫發育易漏失地層的低密度水泥漿體系，該水泥漿密度穩定且低至1.30g/cm3。該水泥漿以空心玻璃微珠為主要減輕劑，微硅為穩定劑，并且為了提高水泥漿早期抗壓強度，引入D506-8 u m的水泥第二組分。一種低密度水泥衆,該水泥衆水固質量比為58-65 :100 ；以重量份計，該水泥衆固體成分包括水泥112-118份，減輕劑微珠35-45份以及穩定劑微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒徑為12-14 u m的水泥第一組分100份以及平均粒徑為6-7 u m的水泥第二組分12-18份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維0. 1-0. 25g ;該水泥漿密度為1. 29-1. 31g/cm3。本發明所述平均粒徑是指體積平均粒徑。該水泥衆水固重量比為60-63 :100 ；以重量份計，該水泥衆固體成分包括水泥114-116份，減輕劑微珠38-42份以及穩定劑微娃6-10份,其中所述水泥包括水泥第一組分100份以及水泥第二組分14-16份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維0. 1-0. 2g。所述水泥第一組分優選G級水泥，G級水 泥平均粒徑優選為12-14 Pm (優選12. 96 Pm)。所述水泥第二組分優選超細水泥，超細水泥是指達到次納米級的水泥。本發明超細水泥中值粒徑D5tl為6-8 u m,平均粒徑6-7 u m (優選6. 03um)o所述微珠是空心玻璃珠,壁厚1. 8-2. 2 ii m (優選2 ii m),密度0. 6g/cm3以下,抗壓強達124MPa (18000psi)以上。空心玻璃珠化學惰性強，呈正圓形，具有能夠減小摩擦增加流動性的“滾珠效應”，因此在水泥漿體系中添加空心玻璃珠，不影響水泥漿的綜合性能，而能改善水泥漿整體體系的流動性能，有效控制水泥漿的密度。另外，本發明選用的微珠抗壓強達124MPa (18000psi)以上，使得本發明水泥漿體系能夠應用于井底壓力高(彡70MPa)的固井，克服了現有水泥漿中普通漂珠容易破碎的缺陷。所述微硅的平均粒徑在0. 28-0. 32 Um (優選0. 3 ii m)。微硅是以無定形二氧化硅(95wt%以上)為主要成分的產品。微硅能夠與水泥水化反應時的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣水化物，產生不易滲透的水泥石結構；另外，微硅能夠吸附水分子形成網狀結構，從而改善水泥漿的穩定性。微硅本身就具有耐高溫的特點。另外，本發明選用的微珠(密度0.6g/cm3以下)與水泥密度差大，容易發生顆粒沉降，在水泥漿體系中添加平均粒徑在0. 14-0. 16um的微硅6-10重量份能夠改善上述沉降情況的發生。所述纖維長度為4. 5-5. 5mm (優選5mm)。本發明所用纖維選自常規市售的無堿玻璃纖維，碳纖維，聚丙烯纖維，尼龍纖維等，能夠起到增加強度，增加水泥漿堵漏效果的長度為4. 5-5. 5mm的纖維均可以應用于本發明。以水泥漿中水泥，微珠以及微硅含量總和為100重量份計，該水泥漿進一步包括早強劑2 4. 5重量份，分散劑0. 3^0. 7重量份，降失水劑5 8. 5重量份，第一防氣竄劑1. 5^3. 5重量份，第二防氣竄劑2-4重量份，緩凝劑0. 8^1. 5重量份，以及消泡劑0. 15^0. 45重量份中的至少一種。優選的，所述水泥漿進一步包括早強劑3. 5^4. 5重量份，分散劑
0.35、. 65重量份，降失水劑5. 5^8. 5重量份，第一防氣竄劑1. 5^3. 5重量份，第二防氣竄劑2-4重量份，緩凝劑1. (Tl. 5重量份，以及消泡劑0. 15^0. 35重量份中的至少一種。常規的有機鹽類和無機鹽類早強劑均可以應用于本發明，例如硫代硫酸鋁、硅酸鈉或堿式氯化鋁。本發明的早強劑可以市購得到，例如歐美科的產品代號是OS-A的早強劑。本發明優選的分散劑是丙酮甲醛磺化縮聚物。例如由甲醛、丙酮、亞硫酸鹽(例如亞硫酸鈉)按照2-3:1 :0. 8-1的摩爾比進行反應得到的丙酮甲醛磺化縮聚物，磺化度
1.7-1. 9mmol/g。本發明的分散劑也可以采用市購的丙酮甲醛磺化縮聚物，例如歐美科的產品代號FS-13L型分散劑。另外，其他常規水泥漿用分散劑，例如醛酮縮合物或者萘系分散劑也可以應用于本發明。本發明優選的降失水劑是2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺的三元共聚物。優選2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺按照重量比為50 45-48 :2_5合成，粘均分子量為58-75萬道爾頓。本發明的降失水劑可以市購得到，例如歐美科的產品代號FS-23L的降失水劑。防氣竄劑的作用是防止氣體竄入環空，本發明組合使用了兩種防氣竄劑。第一防氣竄劑的作用為對水泥石產生微膨脹而防竄；第二防氣竄劑的作用為使水泥石產生一定的彈塑性而防竄。組合使用兩種防氣竄劑，使得水泥漿體系的應用效果更好。本發明優選的第一防氣竄劑是丁苯膠乳，即苯乙烯與丁二烯的共聚物，常規市售油井用丁苯膠乳均可以應用于本發明，例如苯乙烯與丁二烯重量比為20-80 80-20的共聚物，更優選苯乙烯與丁二烯重量比為1:1的共聚物。本發明的第一防氣竄劑可以市購得到，例如歐美科的產品代號FL0K-1。所述第二防氣竄劑是羧基丁苯膠乳，即是以丁二烯、苯乙烯加少量羧酸，通過乳液聚合生成的共聚物。常規市售油井用羧基丁苯膠乳均可以應用于本發明。例如在65-96°C溫度條件下，丁二烯、苯乙烯和丙烯酸按照30-70 :70-30 :1_5反應2-3小時的共聚物。本發明的第二防氣竄劑可以市購得到，例如歐美科的產品代號FL0K-2。
所述緩凝劑的作用是延緩水泥漿的稠化時間。一般水泥用緩凝劑均可用作本發明的緩凝劑，例如木質素磺酸鹽及其衍生物、低分子量纖維素及其衍生物、羥基羧酸、有機膦酸、硼酸或其鹽或復合物、磷酸鹽、堿式磷酸鹽，優選乙二胺四甲叉膦酸鈣(乙二胺四亞甲基膦酸鈣)、乙二胺四甲叉膦酸鈉(乙二胺四亞甲基膦酸鈉)、乙二胺五甲叉膦酸(乙二胺五亞甲基膦酸)，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，二聚磷酸鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉等。本發明優選的消泡劑是聚醚消泡劑，例如丙三醇醚型消泡劑、十二胺醚型消泡劑和月桂酸醚型消泡劑。更優選的丙三醇醚型消泡劑為嵌段方式“GPEP”型(丙三醇、環氧丙烷、環氧乙烷、環氧丙烷嵌段)，粘均分子量為3500，環氧乙烷質量分數為6%，尾段環氧丙烷為8%。本發明優選的消泡劑還可以是磷酸三丁酯，其可以市購得到，例如歐美科的產品代號DF-A的消泡劑。本發明將G級水泥(水泥第一組分)和超細水泥(水泥第二組分)看成一個整體，填充于微珠顆粒孔隙中構成二元體填充結構，微硅填充于微珠與水泥顆粒堆積形成的二元體孔隙內，構成三元體填充結構。本發明根據G級水泥、超細水泥、微硅和微珠粒徑分布規律，低密度水泥衆配方設計利用顆粒群分形特征方程，以Andreasen和Dinger. Funk等倡導的經典連續堆積理論為基礎，得出適合油井水泥外摻料配比設計的理論顆粒群分形級配。本發明低密度水泥漿的制備方法為將上述的成分混合、攪拌，即制備得到本發明的低密度固井水泥漿。下面通過具體的實施例來闡述本發明的方法的實施，本領域技術人員應當理解的是，這不應被理解為對本發明權利要求范圍的限制。實施例中所用原料如下表I
權利要求
1.一種低密度水泥漿，其特征在于，該水泥漿水固比為58-65 :100 ;以重量份計，該水泥漿固體成分包括水泥112-118份，減輕劑微珠35-45份以及穩定劑微硅5_12份，其中所述水泥包括平均粒徑為12-14 μ m的水泥第一組分100份以及平均粒徑為6_7 μ m的水泥第二組分12-18份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維O. 1-0. 25g ;該水泥漿密度為1. 29-1. 3lg/cm3。
2.根據權利要求1所述的低密度水泥漿，其特征在于，該水泥漿水固比為60-63:100 ； 以重量份計，該水泥漿固體成分包括水泥114-116份，減輕劑微珠38-42份以及穩定劑微硅6-10份，其中所述水泥包括水泥第一組分100份以及水泥第二組分14-16份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維O. 1-0. 2g。
3.根據權利要求1或2所述的低密度水泥漿，其特征在于，所述微珠是空心玻璃珠，抗壓強達124MPa以上。
4.根據權利要求1-3任一項所述的低密度水泥漿，其特征在于，所述微硅的平均粒徑為 O. 14-0. 16 μ m。
5.根據權利要求1-4任一項所述的低密度水泥漿，其特征在于，所述纖維是玻璃纖維， 碳纖維，聚丙烯纖維或尼龍纖維，其長度為4. 5-5. 5mm。
6.根據權利要求1-5任一項所述的低密度水泥漿，其特征在于，以水泥漿中水泥，微珠以及微硅含量總和為100重量份計，該水泥漿進一步包括早強劑2 4. 5重量份，分散劑O.3^0. 7重量份，降失水劑5 8. 5重量份，第一防氣竄劑1. 5^3. 5重量份，第二防氣竄劑2_4 重量份，緩凝劑O. 8^1. 5重量份，以及消泡劑O. 15^0. 45重量份中的至少一種。
7.根據權利要求6所述的低密度水泥漿，其特征在于，以水泥漿中水泥，微珠以及微硅含量總和為100重量份計，所述水泥漿進一步包括早強劑3. 5^4. 5重量份，分散劑O.35、. 65重量份，降失水劑5. 5^8. 5重量份，第一防氣竄劑1. 5^3. 5重量份，第二防氣竄劑2-4重量份，緩凝劑1. (Tl. 5重量份，以及消泡劑O. 15^0. 35重量份中的至少一種。
8.根據權利要求6或7所述的低密度水泥漿，其特征在于，所述第一防氣竄劑是丁苯膠乳；所述第二防氣竄劑是羧基丁苯膠乳。
9.根據權利要求6或7所述的低密度水泥漿，其特征在于，所述早強劑包括硫代硫酸鋁、硅酸鈉或堿式氯化鋁；所述分散劑是丙酮甲醛磺化縮聚物；所述降失水劑是2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺的三元共聚物；所述緩凝劑是六偏磷酸鈉；以及所述消泡劑是磷酸三丁酯。
全文摘要
本發明提供了一種低密度水泥漿。該水泥漿水固比為58-65100；以重量份計，該水泥漿固體成分包括水泥112-118份，減輕劑微珠35-45份以及穩定劑微硅5-12份，其中所述水泥包括平均粒徑為12-14μm的水泥第一組分100份以及平均粒徑為6-7μm的水泥第二組分12-18份；以水泥漿體積計，每升水泥漿中包括纖維0.1-0.25g；該水泥漿密度為1.29-1.31g/cm3。應用本發明水泥漿體系大大提高了灰巖、白云巖裂縫發育易漏失地層的固井質量。
文檔編號C09K8/473GK102994059SQ20121055302
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者楊蘭田, 賈曉斌, 劉云, 周偉, 董秀民, 王永洪, 羅發強, 張平, 馬新中, 李雙貴, 劉曉民, 路飛飛, 樊艷芳, 于洋, 彭明旺 申請人:中國石油化工股份有限公司