一種液態(tài)膠體填充低溫固井水泥漿體系的制作方法

文檔序號：11106023閱讀：873來源：國知局

導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>噴涂裝置;染料;涂料;拋光劑;天然樹脂;黏合劑裝置的制造及其制作,應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明涉及一種液態(tài)膠體填充低溫固井水泥漿體系，屬于油氣井固井技術(shù)領(lǐng)域。特別適用于低溫、低破裂壓力、易發(fā)生水-氣竄的深水淺層固井作業(yè)，也可用于陸上油田寒冷地區(qū)表層段固井。

背景技術(shù)：

隨著全球陸上油氣資源開發(fā)的日趨成熟，油氣產(chǎn)量不斷遞減，油氣資源勘探開發(fā)的方向不斷轉(zhuǎn)向海洋油氣。全球海洋油氣資源蘊藏量約為1000億噸，已探明儲量380多億噸，天然氣蘊藏量約為140萬億立方米，已探明儲量約為40萬億立方米。目前己探明的海洋油氣儲量的80％還是集中在500米水深以內(nèi)的近大陸架區(qū)域，這說明在深水(500米～1500米)甚至超深水(1500米以上)的海底還蘊藏著未勘探開發(fā)的豐富油氣資源。我國海洋油氣資源同樣十分豐富，在我國南海海域，石油地質(zhì)資源量在230億至300億噸之間，天然氣總地質(zhì)資源量約為16萬億立方米，占中國油氣總資源量的1/3。伴隨著我國海洋戰(zhàn)略的不斷推進，未來我國的深水油氣勘探開發(fā)前景廣闊。

固井技術(shù)是鉆完井作業(yè)的核心技術(shù)之一，優(yōu)質(zhì)的固井作業(yè)可以更好的保障油氣資源的安全高效開發(fā)。與常規(guī)陸上固井相比，深水固井面臨著諸多的挑戰(zhàn)，如低溫、淺層水-氣竄、地層易被壓漏和水合物分解等。深水海底的泥線溫度大約為4℃。低溫會抑制水泥水化速率，以及為滿足弱膠結(jié)地層固井需要采用加中空微珠或增大水灰比的方式以獲得低密度水泥漿，這些因素都不利于水泥的水化反應(yīng)。致使水泥漿由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過渡時間延長，水泥漿長時間處于膠凝失重狀態(tài)，如果地層存在淺層流(水/氣)時，甚至?xí)斐蓺馇謿飧Z，導(dǎo)致固井失敗。同時，低溫使水泥漿凝結(jié)時間變長并且水泥石抗壓強度發(fā)展緩慢，增加候凝時間和淺部地層受到漿體的浸泡時間，容易造成井壁穩(wěn)定性變差，嚴重影響了固井質(zhì)量和作業(yè)安全，候凝時間的延長也會增加建井成本。

因此，深水低溫固井水泥漿所需基本性能要求為：①較低的水泥漿密度；②低溫下較短的過渡時間和優(yōu)良的早期強度；③水泥與套管和地層的密封和膠結(jié)等長期性能好；④較好的流變性能和頂替效率高。

目前，關(guān)于深水低溫固井水泥體系主要有：①快硬水泥體系，這類水泥體系包括高鋁水泥體系、硫鋁酸鹽水泥體系，如CN101054513A、CN105733519A和CN101974317A；②泡沫水泥體系，如CN103525387A、CN104946220A；③G級水泥與超細水泥、超細顆粒粒徑優(yōu)化水泥體系，如CN105462571A、CN101747880A、CN101126018和CN101463248；④超細礦渣水泥體系，如CN102827593A。其中快硬水泥體系早期強度發(fā)展迅速，但是存在稠化時間短，不易調(diào)節(jié)的問題，并且快硬水泥成本較高；泡沫水泥漿體系漿體中由于泡沫的存在，使得水泥漿的穩(wěn)定性變差，水泥石早期強度和最終強度較低，而且泡沫水泥漿體系需要額外的設(shè)備和技術(shù)人員，施工成本較高；加入超細水泥或超細顆粒的粒徑優(yōu)化水泥體系在低溫、低密度條件下很難獲得較好的防竄能力和早期強度；超細礦渣水泥體系存在流變性較差，后期強度無法保證的問題。因此開發(fā)出一種低成本，在低溫條件下具有低密度、高早期強度、防氣竄性能優(yōu)異的深水固井水泥體系具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種液態(tài)膠體填充低溫固井水泥漿體系，該水泥漿體系具有密度低、早期強度高、防氣竄能力優(yōu)越和流變性好的特性?？梢杂行Ы鉀Q深水表層段固井所面臨的低溫、低破裂壓力、易發(fā)生水-氣竄的難題。

本發(fā)明提供的液態(tài)膠體填充低溫固井水泥漿體系，由以下重量份的組分制備而成：

硅酸鹽水泥100份；

超細硅酸鹽水泥80～120份；

空心玻璃微珠10～30份；

微硅10～20份；

液態(tài)膠體8～12份；

早強劑2～6份；

減阻劑1～2份；

降失水劑4～8份；

消泡劑1～2份；

水120～150份。

優(yōu)選地，所述硅酸鹽水泥為早強型，標號為P.O 52.5R。

優(yōu)選地，所述超細硅酸鹽水泥可以為標號為P.O 42.5、P.O 52.5的硅酸鹽水泥精細研磨而成，其平均粒徑為4-8um。

優(yōu)選地，所述空心玻璃微珠為中鋼集團馬鞍山礦院新材料科技有限公司生產(chǎn)的Y8000系列高性能空心玻璃微珠，真實密度0.6g/cm^-3，抗壓強度55MPa，中間粒徑55um。

優(yōu)選地，所述微硅的平均粒徑為0.5～1um，Si0₂質(zhì)量含量≥95％，屬未加密型。

優(yōu)選地，所述膠體材料為硅溶膠，為無定形二氧化硅在水中的分散液，其分子式為mSiO₂·nH₂O，二氧化硅質(zhì)量含量20％～40％，粒徑10～30nm，堿性。

優(yōu)選地，所述早強劑為硫酸鈉、甲酸鈣或氯化鈣中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述減阻劑為建筑工程常用的聚羧酸類減水劑或丙烯酸類減水劑。

優(yōu)選地，所述降失水劑為AMPS類降失水劑。

優(yōu)選地，所述消泡劑為磷酸三丁酯。

上述液態(tài)膠體填充低溫固井水泥漿體系制備方法：首先將硅酸鹽水泥、超細硅酸鹽水泥、玻璃微珠、微硅進行干混，將后將干混后的水泥體系與加入液態(tài)膠體材料、早強劑、降失水劑、減阻劑和消泡劑的水溶液進行混合，按照API 10B-3-2004標準進行配漿。

本發(fā)明所用的硅酸鹽水泥為早強型高標號的建筑類水泥，其低溫性能優(yōu)異，可以提供較高的早期強度。超細水泥因其粒徑較小，水化活性較高，也可以在低溫下迅速形成較高的早期強度?？招牟Ａ⒅樽鳛樗酀{體系的減輕材料，該玻璃微珠抗壓強度高，不易破碎，性能穩(wěn)定。微硅可以填充水泥石的微空隙，增加水泥石致密性，并且可以作為水泥漿體系的懸浮材料，增加水泥漿的穩(wěn)定性。另外，空心玻璃微珠、硅酸鹽水泥、超細硅酸鹽水泥、微硅的粒徑分布可以形成三元四組分的顆粒級配水泥體系，增加水泥石的抗壓強度和降低水泥石孔隙率。硅溶膠是納米級的二氧化硅的分散液，二氧化硅顆粒呈無定形態(tài)，表面含有大量硅羥基，可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)₂反應(yīng)生成C-S-H凝膠，具有較高活性，能迅速提高水泥漿膠凝強度，增加氣竄阻力，增強水泥體系的防氣竄性能。同時，二氧化硅顆粒可充填于水泥顆?？障?，增強水泥石密實性，降低水泥石滲透率。早強劑的作用是促進水泥漿體系的水化速率，進一步增加水泥石的早期強度。優(yōu)選的減阻劑可以有效降低水泥漿的粘度，改善水泥漿的流變性。優(yōu)選的AMPS類降失水劑調(diào)節(jié)水泥漿的失水性能，保證水泥漿失水量較低提高施工的成功率，優(yōu)選的磷酸三丁脂作為消泡劑，降低水泥石中氣泡的數(shù)量，保證水泥石的強度。

該液態(tài)膠體填充低溫固井水泥漿體系具有以下優(yōu)勢：

1、本發(fā)明的低溫固井水泥漿體系由空心玻璃微珠、硅酸鹽水泥、超細硅酸鹽水泥、微硅形成的三元四組分的顆粒級配體系，在低溫條件下，具有低密度、高強度、低滲透率的特點。

2、本發(fā)明的低溫固井水泥漿體系中加入一定量的液態(tài)膠體(硅溶膠)對水泥漿體系進行進一步填充，同時硅溶膠是一種新型的防氣竄材料，其中的含有的二氧化硅顆粒呈無定形態(tài)，表面含有大量硅羥基，與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)₂反應(yīng)生成C-S-H凝膠，能迅速提高水泥漿膠凝強度，增加水泥漿體系的防氣竄性能。

3、水泥漿稠化性能，流動性能，沉降穩(wěn)定性能良好，具有直角稠化特性，失水量較小滿足現(xiàn)場施工要求。

4、本發(fā)明的低溫固井水泥漿體系原材料易得、成本低，并且與常規(guī)固井外加劑配伍性好，現(xiàn)場施工方便。

附圖說明

圖1是液態(tài)膠體填充水泥漿體系的稠化曲線圖。在15℃、10MPa條件下采用沈陽固測井儀器研究所生產(chǎn)的OWC-2000A增壓稠化儀測定水泥漿在15℃、10MPa下的稠化曲線。測試結(jié)果表明，低溫固井水泥漿體系的初始稠度低，后期稠度發(fā)展快，表現(xiàn)出優(yōu)良的“直角稠化”性能，這說明低溫固井水泥漿具有較好的防竄能力。

圖2是液態(tài)膠體填充水泥漿體系靜膠凝發(fā)展曲線圖。在30℃、15MPa條件下采用Chandler美國公司Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCA functionality)測試的靜膠凝強度發(fā)展曲線。測試結(jié)果表明，低溫固井水泥漿體系的靜膠凝強度發(fā)展快，特別是靜膠凝強度48～240Pa的過渡時間非常短，這說明低溫固井水泥漿具有較好的防竄能力。

具體實施方式

對照例1

水泥漿配方：勝濰G級水泥100份，水44份。

制備方法：按照API 10B-3-2004油井水泥試驗方法配制水泥漿。

參照標準SY/T 6544-2003油井水泥漿性能要求測定水泥石在不同溫度下的抗壓強度。測試結(jié)果見表1。

實施例1

水泥漿配方：河南孟電水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥(標號：P.O 52.5R)100份，山東盈安環(huán)保材料科技有限公司生產(chǎn)的猞猁牌超細硅酸鹽水泥(型號：1250)80份，中鋼集團馬鞍山礦院新材料科技有限公司生產(chǎn)的空心玻璃微珠(型號：Y8000)10份，山東博肯國際貿(mào)易有限公司提供的賽普森牌微硅10份，浙江宇達化工有限公司生產(chǎn)的硅溶膠(型號：GS-35)10份，早強劑硫酸鈉4份，聚羧酸鹽類減水劑1份，降失水劑2份，磷酸三丁酯消泡劑1份，水120份。

制備方法：將早強劑、減水劑、降水水劑、消泡劑和硅溶膠溶于水，然后將所得水溶液與水泥按照API 10B-3-2004油井水泥試驗方法配制水泥漿。