一種新型高溫低密度水泥漿體系的制作方法

一種新型高溫低密度水泥漿體系的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種新型高溫低密度水泥漿體系，主要解決現有的高溫低密度水泥漿防氣竄差、低溫強度發展慢和高溫沉降等問題，適用于深井超深井低壓易漏、長封固段、大溫差等高溫固井。該新型低密度水泥漿體系各組份以及重量比例為：油井水泥100份、粉煤灰50～80份、硅砂30～40份、活性增強劑Ⅰ24～76份、活性增強劑Ⅱ13～60份、高溫降失水劑8.0～17份、高溫緩凝劑0.2～0.8份、分散劑0.0～0.5份、水140～200份。密度在1.40～1.60g/cm3可調，可用于70～150℃范圍固井作業，具有突出的高溫穩定性好、防氣竄能力強和低溫強度高等優點，可大幅度降低高溫固井成本，應用前景廣闊。
【專利說明】一種新型高溫低密度水泥漿體系

【技術領域】
[0001] 本發明涉及高溫水泥固井技術，尤其涉及一種新型高溫低密度水泥漿體系，特別 適用于深井超深井長封固段、大溫差長封固段等高溫低密度固井作業。

【背景技術】
[0002] 固井就是將水泥注入井壁和套管之間環形空間的過程。固井的主要目的是封隔地 下油氣水層，防止上下串通，為油氣生產建立長期、穩定、安全的通道。目前我國國內剩余油 氣資源40%以上分布在深層，近五年來發現的大型油氣田中深層的占72.7%。因此，油氣 上產必須動用深層油氣資源，鉆探的深井超深井數量將越來越多。深井超深井由于井底溫 度、壓力高，固井施工風險大，對水泥漿配方設計及性能要求都極高。我國的深層油氣資源 主要分布在西部塔里木盆地和四川盆地，在四川盆地中上部地層、塔里木盆地碳酸鹽巖地 層等都存在著低壓漏失性地層，固井常需要采用耐高溫低密度水泥漿體系。低密度水泥漿 固井可以降低套管外液柱壓力，從而降低水泥漿液柱壓力與地層孔隙壓力差，實行合理壓 差固井，有利于減少水泥漿的漏失，從而保證固井水泥漿環空返高達到要求。隨著近年來為 加快勘探開發速度，提速增效，節約鉆井成本，普遍推廣應用簡化井身結構鉆井技術，大幅 度地降低了鉆井周期，但固井一次性封固段卻更長，同一裸眼段內可能存在著多套地層壓 力體系、多個低壓易漏層等，由此出現了低壓易漏、長封固段、大溫差等固井難題，給高溫深 井、超深井固井水泥漿體系的設計帶來了巨大挑戰。固井水泥漿不僅需要較低的密度，還要 求水泥漿具有較強的防竄能力，并且水泥漿能夠適用下部和頂部的大溫差環境，既要保證 高溫下水泥漿安全泵送，又要滿足頂部水泥漿在較低的候凝溫度下仍有較快的抗壓強度發 展。
[0003] 經過近年來國內外的大力研究與發展，在高溫低密度減輕劑、高溫外加劑、防竄理 論與技術等方面都取得了較大的進步，開發出了不同類型的高溫低密度水泥漿體系，較好 地解決了高溫深井、超深井的低壓易漏、長封固段、大溫差固井難題，但仍有許多問題和不 足亟待解決。
[0004] 首先，由于固井一次性封固段長，井底溫度高，而封固段頂部溫度卻較低，上下溫 差大，為了保證高溫下注水泥施工安全，常需要加入高溫緩凝劑來調節水泥漿的稠化時間， 并且緩凝劑加量一般都較大，但其緩凝效果在低溫下卻無法消除，致使封固段頂部的水泥 漿出現"超緩凝"現象，72小時仍無抗壓強度值，甚至候凝一周后仍沒有抗壓強度值，嚴重影 響固井質量和后續的鉆進作業等。
[0005] 其次，水泥漿防氣竄能力弱。水泥漿的靜膠凝強度發展緩慢，特別是靜膠凝強度 48-240Pa "過渡時間"長，而水泥漿靜膠凝強度從48-240Pa這段"過渡時間"是發生竄流的 危險期，"過渡時間"越長越容易發生氣竄。
[0006] 另外，目前高溫深井低密度水泥漿主要有兩類。一類是以中空玻璃微珠（密度 0. 38-0. 60g/cm3)為減輕劑，漿體綜合性能較好，水泥石強度較高，但成本很高；另一類是以 粉煤灰、微硅等為外摻料，通過增大水灰比來降低水泥漿密度，成本較低，但漿體綜合性能 相對較差，漿體高溫下穩定性較差，并且水泥石強度發展緩慢。
[0007] 隨著我國加快深部油氣資源的勘探開發，高溫深井、超深井固井將面臨著更嚴峻 的挑戰。雖然國內目前已經開展了有關高溫深井、超深井低密度水泥漿體系的研究，但在新 技術、新材料和新體系上的研究卻相當缺乏。因此，積極開展新技術、新材料在高溫深井、超 深井固井上的應用具有重要意義，研究新型高溫低密度水泥漿具有顯著的市場效益。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的就是為了克服現有高溫低密度水泥漿體系存在的上述缺點和不足， 提供了一種新型的高溫粉煤灰低密度水泥漿，該粉煤灰水泥漿中通過摻入活性增強劑I、 活性增強劑II以及其它高溫固井外摻料、外加劑，如硅砂、高溫分散劑、高溫降失水劑、高溫 緩凝劑等，能夠制備出密度為1. 40g/cm3?1. 60g/cm3的粉煤灰低密度水泥漿，適用溫度范 圍為70°C?150°C。該新型高溫低密度水泥漿體系具有非常突出的高溫穩定性好、靜膠凝 強度發展快和低溫抗壓強度較高等優點，其它各項性能指標都完全滿足現場固井要求，具 有現場施工簡單和大幅度降低高溫固井成本的優勢。
[0009] 為實現上述發明目的，本申請的新型高溫低密度水泥漿體系，按照質量份數其組 成為：
[0010] 油井水泥 1〇〇份；
[0011] 粉煤灰 50?80份；
[0012] 硅砂 30?40份；
[0013] 活性增強劑I 24?76份；
[0014] 活性增強劑II 13?60份；
[0015] 高溫降失水劑 8. 0?17份；
[0016] 高溫緩凝劑 0? 2?0? 8份；
[0017] 分散劑 0?0?0.5份；
[0018] 水 140 ?200 份。
[0019] 所述的油井水泥可以是API油井G級水泥、H級水泥。
[0020] 所述的粉煤灰為一種燃煤電廠排出的主要固體廢物，主要成分為Si02和A1 203，密 度介于1. 90?2. 50g/cm3,粒徑介于4. 0?80 ii m。
[0021] 所述的硅砂為一種天然石英粉末，主要成分為Si02，密度介于2. 40?2. 70g/cm3， 粒徑介于120?180 iim。
[0022] 所述活性增強劑I是由活性Si02、微硅、活性A120 3、CaC03物質按質量組成比例活 性Si02 :微硅：活性A1203 : CaC03 = 36?75 : 15?28 : 6?27 : 4?10所混合的 固體粉末。
[0023] 所述的活性Si02為一種固體粉末，晶型為六方晶系，密度介于2. 50?2. 60g/cm3， 粒徑介于0. 6?15 u m。
[0024] 所述的微硅是生產硅和硅鐵合金的副產品，主要成分為無定型的二氧化硅，密度 介于2. 50?2. 60g/cm3,粒徑介于0? 5?3. 0 u m。
[0025] 所述的活性A1203為一種固體粉末，晶型為a -A1203，密度介于3. 70?3. 80g/cm3， 粒徑介于0. 5?10 y m。
[0026] 所述的CaC03為球形結晶粉末，密度介于2. 50?2. 55g/cm3,粒徑介于8. 0? 30 u m〇
[0027] 所述活性增強劑II是由CaO、硅酸鉀、石膏物質按質量組成比例CaO :硅酸鉀：石 膏=48?70 : 17?55 : 12?30所混合的固體粉末。
[0028] 所述的CaO是由碳酸鈣礦石在900-1100°C高溫煅燒制得，冷卻后粉碎而成，為一 種白色固體粉末，密度介于3. 10-3. 25g/cm3,粒徑介于5. 0-25ii m。
[0029] 所述的硅酸鉀為一種無色固體粉末，粒徑介于75-180 ii m。
[0030] 所述的石膏為一種灰白色固體粉末，分子式為CaS04 ? 1/2H20,粒徑介于 60-130 u m〇
[0031] 所述的高溫降失水劑可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與丙烯酰胺（AM) 聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA)聚合物，2-丙 烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與丙烯酰胺（AM)、丙烯酸（AA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲 基丙磺酸（AMPS)與丙烯酰胺（AM)、馬來酸酐（MA)、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA)聚合物， 2_丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA)、丙烯酰胺（AM)、富 馬酸（FA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與乙烯基吡咯烷酮（VP)、丙烯酰胺 (AM)、丙烯酸（AA)聚合物中的一種。
[0032] 所述的高溫緩凝劑可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與丙烯酸（AA)共 聚物、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與衣康酸（IA)共聚物、木質素磺酸鹽中的一種或 幾種。
[0033] 所述的分散劑可以是油田固井常用的磺化甲醛-丙酮縮聚物分散劑、聚萘磺酸鹽 分散劑或者木質素磺酸鹽分散劑。
[0034] 所述的配制高溫低密度水泥漿用水可以是淡水、海水和礦化度水。
[0035] 本發明的優點：（1)活性增強劑I、11與水或者與粉煤灰、水能夠在高溫高壓條件 下發生水熱反應，一定時間后將生成細小的水化硅酸鈣、鋁酸鈣等凝膠顆粒，細小的水化凝 膠顆粒可作為水泥水化的母核，從而促進、加快油井水泥水化，促進水泥漿靜膠凝強度、水 泥石抗壓強度的發展，增強了目前高溫粉煤灰低密度水泥漿體系的防竄能力和低溫強度發 展能力。（2)活性增強劑、粉煤灰、水在高溫高壓下水熱生成的水化硅酸鈣、鋁酸鈣凝膠的網 絡結構可以提高低密度水泥漿的高溫穩定性，防止漿體高溫下沉降，改善了目前粉煤灰低 密度水泥漿的高溫穩定性。（3)活性增強劑I、II能夠發生水熱反應生成水化硅酸鈣、鋁酸 鈣等凝膠從而提高體系抗壓強度，因此低密度水泥漿體系中可以減少油井水泥用量，相應 地也減少了昂貴的高溫緩凝劑用量，不僅可以節約成本，而且更能避免高溫緩凝劑的"超緩 凝"副作用。（4)粉煤灰的應用屬于廢物利用，具有成本較低的優勢，粉煤灰低密度水泥漿 的研究與應用具有良好的經濟效益和環保效應，本發明改善了目前粉煤灰低密度水泥漿防 氣竄、低溫強度發展、高溫沉降穩定等性能，所發明的粉煤灰低密度水泥漿滿足現場高溫深 井、超深井的低壓易漏、長封固段、大溫差固井施工要求，應用前景廣闊。
[0036] 本發明提供了一種技術可靠、現場施工方便、成本低，能滿足高溫深井、超深井的 低壓易漏、長封固段、大溫差固井作業的水泥漿體系，形成了一種改善低密度水泥漿綜合性 能的新方法，拓展了粉煤灰低密度水泥漿的使用領域。隨著我國加快深層油氣資源開采，本 發明的高溫低密度水泥漿體系有著十分廣闊的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1是本發明的高溫低密度水泥漿，先在150°C、40MPa條件下采用美國Chandler 公司 Static Gel Strength Analyzer (Model 5265U with UCA functionality)測試的靜 膠凝強度發展曲線圖。測試結果表明，高溫低密度水泥漿的靜膠凝強度48-240Pa "過渡時 間"為9分鐘，"過渡時間"非常短，說明高溫低密度水泥漿的防氣竄能力強。
[0038] 圖2是本發明的高溫低密度水泥漿，在150°C、35MPa條件下采用美國Chandler公 司 Static Gel Strength Analyzer (Model 5265U with UCA functionality)測試的抗壓 強度發展曲線圖。

【具體實施方式】
[0039] 實驗方法：按標準GB/T 19139-2003 "油井水泥試驗方法"制備高溫低密度水泥 漿，參考標準SY/T 6544-2003 "油井水泥漿性能要求"、SY/T 6466-2000 "油井水泥石抗高 溫性能評價方法"測試高溫低密度水泥漿的各項性能。
[0040] 實施例1 :高溫低密度水泥漿體系的組成
[0041] 一種高溫低密度水泥漿體系可由以下物質組成，各物質的質量份數具體為：油井 水泥100份、粉煤灰80份、硅砂30份、活性增強劑I 53份、活性增強劑II 22份、高溫降失 水劑12份、緩凝劑0. 3份、水180份。
[0042] 實施例2 :高溫低密度水泥漿體系的漿體性能測試
[0043] 以實施例1高溫低密度水泥漿體系為測試對象，先將配漿的高溫低密度水泥漿體 系固體干灰組份和液體水組份各自稱量好并混勻，然后按標準GB/T 19139-2003"油井水泥 試驗方法"制備楽體。試驗結果見表1。
[0044] 表1高溫低密度水泥漿體系的槳體性能
[0045] 流變參數 編 密度 流動度 （93°Cx20miii) 游離液/mL API失水量 稠化時間/min 號 /(g/cm3) /cm (93°CX20miti) (150°C x6.9MPa) (15(T〇50MPa) ? n K 1 1.50 23 q 7290 0 9432 〇 48 inL/3()min 352
[0046] 實施例3 :高溫低密度水泥漿體系的抗壓強度測試
[0047] 以實施例1高溫低密度水泥漿體系為測試對象，先將配漿的高溫低密度水泥漿體 系固體干灰組份和液體水組份各自稱量好并混勻，然后按標準GB/T 19139-2003 "油井水 泥試驗方法"制備漿體，先在預設定的高溫高壓條件下稠化60分鐘，使水泥漿溫度達到均 衡，然后將水泥漿冷卻至頂部的循環溫度，緩慢釋放壓力并取出漿杯，漿水泥漿倒入養護模 具中進行養護，測定抗壓強度，試驗結果見表2。
[0048] 表2高溫低密度水泥漿體系的抗壓強度性能
[0049]

【權利要求】
1. 一種新型的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于各組份以及重量比例如下： 油井水泥 100份； 粉煤灰 50?80份； 硅砂 30?40份； 活性増強劑I 24?76份； 活性増強劑II 13 ~ 60份； 高溫降失水劑 8 0?17份； 高溫緩凝劑 0。2?0.8份； 分散劑 0. 0?0. 5份； 水 140?200份。
2. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的油井水泥可以是 API油井G級水泥、H級水泥。
3. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的粉煤灰為一種燃 煤電廠排出的主要固體廢物，主要成分為SiO 2和Al2O3，密度介于1. 90?2. 50g/cm3,粒徑介 于 4. 0 ?80 μ m。
4. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的硅砂為一種天然 石英粉末，主要成分為SiO2，密度介于2. 40?2. 70g/cm3,粒徑介于120?180 μ m。
5. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的活性增強劑I是 由活性SiO2、微硅、活性A1 203、CaCO3物質按質量組成比例活性SiO2 :微硅：活性Al2O3 : CaCO3 = 36?75 : 15?28 : 6?27 : 4?10所混合的固體粉末。
6. 根據權利要求5所述的活性增強劑I材料，其特征在于所述的活性SiO2為一種固體 粉末，晶型為六方晶系，密度介于2. 50?2. 60g/cm3,粒徑介于0. 6?15 μ m。
7. 根據權利要求5所述的活性增強劑I材料，其特征在于所述的微硅是生產硅和硅 鐵合金的副產品，主要成分為無定型的二氧化硅，密度介于2. 50?2. 60g/cm3,粒徑介于 0· 5 ?3. 0 μ m。
8. 根據權利要求5所述的活性增強劑I材料，其特征在于所述的活性Al2O3為一種固 體粉末，晶型為a -Al2O3，密度介于3. 70?3. 80g/cm3,粒徑介于0. 5?10 μ m。
9. 根據權利要求5所述的活性增強劑I材料，其特征在于所述的CaCO3為球形結晶粉 末，密度介于2. 50?2. 55g/cm3,粒徑介于8. 0?30 μ m。
10. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的活性增強劑Π 是由CaO、娃酸鉀、石膏物質按質量組成比例CaO :娃酸鉀：石膏=48?70 : 17?55 : 12?30所混合的固體粉末。
11. 根據權利要求10所述的活性增強劑II材料，其特征在于所述的CaO是由碳酸 鈣礦石在900-1KKTC高溫煅燒制得，冷卻后粉碎而成，為一種白色固體粉末，密度介于 3. 10-3. 25g/cm3,粒徑介于 5. 0-25 μ m。
12. 根據權利要求10所述的活性增強劑II材料，其特征在于所述的硅酸鉀為一種無色 固體粉末，粒徑介于75-180 μ m。
13. 根據權利要求10所述的活性增強劑II材料，其特征在于所述的石膏為一種灰白色 固體粉末，分子式為CaSO4 · 1/2H20,粒徑介于60-130 μ m。
14. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的高溫降失水劑 可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與丙烯酰胺（AM)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲 基丙磺酸（AMPS)與N，N-二甲基丙烯酰胺（DMA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS)與丙烯酰胺（AM)、丙烯酸（AA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與丙烯 酰胺（AM)、馬來酸酐（M)、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺 酸（AMPS)與N，N-二甲基丙烯酰胺（DMA)、丙烯酰胺（AM)、富馬酸（FA)聚合物，2-丙烯酰 胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與乙烯基吡咯烷酮（VP)、丙烯酰胺（AM)、丙烯酸（AA)聚合物中 的一種。
15. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的高溫緩凝劑可 以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS)與丙烯酸（AA)共聚物、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺 酸（AMPS)與衣康酸（IA)共聚物、木質素磺酸鹽中的一種或幾種。
16. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的分散劑可以是 油田固井常用的磺化甲醛-丙酮縮聚物分散劑、聚萘磺酸鹽分散劑或者木質素磺酸鹽分散 劑。
17. 根據權利要求1所述的高溫低密度水泥漿體系，其特征在于所述的配制高溫低密 度水泥漿用水可以是淡水、海水和礦化度水。
【文檔編號】C09K8/467GK104263331SQ201410492102
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月24日 優先權日:2014年9月24日
【發明者】王成文, 徐偉祥, 孟凡昌, 孟仁洲 申請人:中國石油大學(華東)