CN102382633A

CN102382633A - 一种深水用硅酸盐水泥浆

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Publication number: CN102382633A
Application number: CN2010102687636A
Authority: CN
Inventors: 耿亚楠; 许明标; 刘书杰; 周建良; 朱磊; 王晓亮; 林平
Original assignee: Yangtze University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Center
Current assignee: China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: CN102382633B

Abstract

本发明公开了一种硅酸盐水泥浆，由水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂、增强剂、缓凝剂和水组成，所述水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂增强剂、缓凝剂和水的质量份数比为100∶(2-40)∶(3-7)∶(1-5)∶(10-50)∶(0.1-1.5)∶(50-100)。该硅酸盐水泥浆具有优异的低温早强和低温近“直角稠化”性能，能够克服硅酸盐水泥浆低温，低密度下胶凝强度发展缓慢，早期强度低的缺点，以保证深水低温，低破裂压力下，浅层水气流复杂情况下表层套管固井作业。

Description

一种深水用硅酸盐水泥浆

技术领域

本发明涉及一种硅酸盐水泥浆，具体涉及一种深水用硅酸盐水泥浆。

背景技术

深水是指水深大于350米的海域，深水表层套管是深水油气井套管程序最外层的套管，它的主要功能有：隔离上部海水层，不使海水和表层地下水渗入井筒；保护井口，加固泥线下方表层井段的井壁；对于继续钻下去会遇到高压油气层的，在表层套管上安装防喷器预防井喷；油气开采期间，安装水下采油装置等。海洋深水表层管固井作业环境具有低温、低地层破裂压力和存在天然气水合物以及浅层流的突出特点。

深水固井的技术难度主要体现在：(1)海水深度大于1000m后温度低于4℃，常规固井水泥的水化凝固性能难于满足低温水化的要求；(2)海底泥线下地层破裂压力低，需要有低密度的水泥浆匹配地层破裂压力的变化；(3)泥线下地层高压浅层盐水等流体的存在，需要水泥浆具有优良的直角凝固特征，抑制浅层流灾害的产生。开发低温低密度高强度水泥浆，形成低温浅层流高效封固结构套管水泥浆，是保证海洋深水勘探开发有效开展的关键和难点所在。

由于目前海上油田进行固井作业时，均采用吹灰的方式将水泥从水泥运输船上吹送到钻井平台上，在吹完混合水泥后，若要封固其他温度段地层必要清洁输灰罐，不然将会影响其它封固段水泥浆的性能，严重的可能造成事故，而清洁输灰罐又将为固井作业增加工作量。目前，国内还没有单纯G级硅酸盐水泥浆用于深水表层套管固井的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种深水用硅酸盐水泥浆。

本发明提供的水泥浆，由水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂、增强剂、缓凝剂和水组成；所述水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂增强剂、缓凝剂和水的质量份数比可为100∶(2-40)∶(3-7)∶(1-6)∶(10-50)∶(0.1-1.5)∶(50-100)。

本发明的水泥浆中，所述水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂、增强剂、缓凝剂和水的质量份数比具体可为100∶(2.5-34)∶(3-4)∶(1-4)∶(10-30)∶(0.1-1.0)∶(50-80)、100∶2.5∶3∶1∶10∶0.1∶50、100∶5∶4∶2∶15∶0.2∶60、100∶13∶5∶3∶20∶0.5∶70、100∶18∶5∶4∶25∶0.8∶80或100∶40∶7∶5∶50∶1.5∶100。

本发明的水泥浆中，所述水泥可为硅酸盐水泥，如1.20-1.80嘉华G级水泥。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述减轻剂可为空心玻璃微珠；所述空心玻璃微珠可为硅硼酸钙盐；所述空心玻璃微珠的密度为0.44g/cm³。在70MPa压力下所述玻璃微珠的残活率在90％以上，不溶于水和油，具有不可压缩性，呈低碱性，与大多数的树脂类物质有兼容性，有降低粘度和改善流动性的功能。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述降失水剂可为水溶性高分子聚合物；所述水溶性高分子聚合物可为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物或丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物；所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物的数均分子量为100000～1000000g/mol，所述丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物的数均分子量为200000～2000000g/mol。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述分散剂可为改性木质素磺酸盐与下述物质中任一种的混合物：聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、硅酸钠、铝酸钠和硼酸钠或甲醛丙酮缩合物与下述物质中任一种的混合物：聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、硅酸钠、铝酸钠和硼酸钠。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述改性木质素磺酸盐可为木质素磺酸钙或木质素磺酸钠；所述甲醛丙酮缩合物可为甲醛与丙酮摩尔比2∶1的聚合产物。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述增强剂可为矿渣粉和水泥的混合物或矿渣粉和水泥的混合物与下述物质中任一种的混合物：硫酸钠、氯化钾、硝酸钠、偏铝酸钠、硅酸钾和氧化钙；所述矿渣粉具体可为如下超细矿渣粉：质量百分数大于90％的矿渣粉的粒径小于20μm；所述水泥可为超细水泥，所述超细水泥具体可为如下G级水泥：质量百分数大于90％的超细G级水泥的粒径小于7μm。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述缓凝剂可为酒石酸钾、酒石酸钠、硼酸和有机磷酸盐中至少一种。

本发明的硅酸盐水泥浆中，所述水可为淡水或海水，该海水可为中国南海、东海和渤海中任一深海海水。

本发明所述的硅酸盐水泥浆具有以下优点：

1)使用的是普通G级硅酸盐水泥，具有较低的成本，且其它组分市场来源较为广泛，成本低廉，具有广阔的应用前景；

2)水泥浆所用水泥是与目前海上的现场固井应用最多的一种水泥，水泥浆与设备的适应性较好，不需要特殊装备，固井操作方便；

3)现场固井与普通浅井固井水泥浆的操作方法一样，方便作业人员施工；

4)水泥浆具有优良的安全性能，水泥浆稠化时间对于温度变化不敏感；

5)水泥浆的密度与稠化时间可控可调，流动性好，失水量较小，能够满足深水固井作业需求；

6)水泥浆具有优异的近“直角稠化”性能，对于防浅层流有优异的效果；

7)低温下的凝结时间较短并且水泥石具有优异的早期抗压强度，能够有效的减少固井侯凝时间(WOC)，缩短建井周期；

8)水泥浆具有较低的水化放热量能够有效地降低天然气水合物分解对油气井的影响。

本发明提供了一种技术可靠，现场施工简单方便，成本低廉，能够满足低温，低地层破裂压力，浅层流，天然气水合物条件下的深水固井水泥浆，填补国内深水表层套管硅酸盐水泥浆的空白。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明下述实施例所用1.20-1.80嘉华G级水泥均为硅酸盐水泥，购买于四川嘉华水泥厂；超细矿渣粉购买于荆州嘉华科技有限公司；超细G级水泥购买于葛洲坝水泥厂；空心硅硼酸钙微珠购买于美国3M公司。

本发明下述实施例所用超细矿渣粉的规格为：质量百分数大于90％的矿渣粉的粒径小于20μm；超细G级水泥的规格为：质量百分数大于90％的G级水泥的粒径小于7μm。

实施例1、硅酸盐水泥浆的制备

配方为：1.20嘉华G级水泥100Kg、中国南海深海水100Kg、超细矿渣粉和超细G级水泥的混合物25Kg(其中，超细矿渣粉和超细G级水泥的质量份数比为2∶3)、酒石酸钾0.1Kg、木质素磺酸钙(荆州嘉华科技有限公司)和聚苯乙烯磺酸钠(数均分子量为5000g/mol，荆州嘉华科技有限公司)的混合物3Kg(其中，木质素磺酸钙和聚苯乙烯磺酸钠的质量份数比为2∶1)、空心硅硼酸钙微珠(其密度为0.44g/cm³)34Kg、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物(数均分子量为100000g/mol)5Kg。

将上述配比的组分混合均匀得到硅酸盐水泥浆，按照深水固井试验标准API10B-3-2004标准对其进行性能测试，性能测试结果如表1所示。

实施例2、硅酸盐水泥浆的制备

配方为：1.40嘉华G级水泥100Kg、中国渤海深海水70Kg、超细矿渣粉、超细G级水泥与硫酸钠的混合物20Kg(其中，超细矿渣粉、超细G级水泥和硫酸钠的质量份数比为2∶3∶1)、木质素磺酸钙(荆州嘉华科技有限公司)与碳酸钠的混合物2Kg(其中，木质素磺酸钙和碳酸钠的质量份数比为1∶1)、空心硅硼酸钙微珠(其密度为0.44g/cm³)18Kg、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物(数均分子量为2000000g/mol)4Kg。

实施例3、硅酸盐水泥浆的制备

配方为：1.50嘉华G级水泥100Kg、淡水60Kg、超细矿渣粉、超细G级水泥与氯化钾的混合物10Kg(其中，超细矿渣粉、超细G级水泥和氯化钾的质量份数比为2∶3∶1)、木质素磺酸钙(荆州嘉华科技有限公司)与硅酸钠的混合物1Kg(其中，木质素磺酸钙和硅酸钠的质量份数比为1∶1)、空心硅硼酸钙微珠(其密度为0.44g/cm³)13Kg、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物(数均分子量200000g/mol)3Kg。

实施例4、硅酸盐水泥浆的制备

配方为：1.60嘉华G级水泥100Kg、淡水50Kg、超细矿渣粉、超细G级水泥与硝酸钠的混合物30Kg(其中，超细矿渣粉、超细G级水泥和硝酸钠的质量份数比为2∶3∶1)、羟基乙叉二磷酸钠(荆州嘉华科技有限公司)0.8Kg、木质素磺酸钠(荆州嘉华科技有限公司)与硅酸钠的混合物4Kg(其中，木质素磺酸钠和硅酸钠的质量份数比为1∶1)，空心硅硼酸钙微珠(其密度为0.44g/cm³)9Kg、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物(数均分子量1000000g/mol)6Kg。

实施例5、硅酸盐水泥浆的制备

配方为：1.70嘉华G级水泥100Kg、中国渤海深海海水80Kg、超细矿渣粉、超细G级水泥与偏铝酸钠的混合物50Kg(其中，超细矿渣粉、超细G级水泥和偏铝酸钠的质量份数比为2∶3∶1.2)，羟基乙叉二磷酸钠1.0Kg、木质素磺酸钠(荆州嘉华科技有限公司)与铝酸钠的化合物3Kg(其中，木质素磺酸钠和铝酸钠的质量份数比为1∶1)、空心硅硼酸钙微珠(其密度为0.44g/cm³)5Kg、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物(数均分子量500000g/mol)5Kg。

实施例6、硅酸盐水泥浆的制备

配方为：1.80嘉华G级水泥100Kg、中国南海深海海水50Kg、超细矿渣粉、超细G级水泥与硼酸钠的混合物15Kg(其中，超细矿渣粉、超细G级水泥和硼酸钠的质量份数比为2∶2∶1.2)、酒石酸钾0.1Kg、甲醛丙酮缩合物(甲醛与丙酮摩尔比2∶1的聚合产物)3Kg、空心硅硼酸钙微珠(其密度为0.44g/cm³)2.5Kg、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物(数均分子量1000000g/mol)5Kg。

表1表层固井实施例1-6硅酸盐水泥浆性能测试结果

表1中“15℃绝热环境水泥浆水化产生的温度变化值”的测定，是在15℃密闭绝热恒温环境中进行的。

由表1所示数据可知：

(1)本发明深水用硅酸盐水泥浆具有较好的稳定性和稠化可控制性，便于施工设计，有利于节约井场作业时间；

(2)本发明深水用硅酸盐水泥浆具有良好的低温早期强度和低滤失量，能够充分满足深水表层固井作业需求。

Claims

1.一种水泥浆，由水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂、增强剂、缓凝剂和水组成；所述水泥、减轻剂、降失水剂、分散剂增强剂、缓凝剂和水的质量份数比为100∶(2-40)∶(3-7)∶(1-5)∶(10-50)∶(0.1-1.5)∶(50-100)。

2.根据权利要求1所述的水泥浆，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1或2所述的水泥浆，其特征在于：所述减轻剂为空心玻璃微珠；所述空心玻璃微珠为硅硼酸钙盐；所述空心玻璃微珠的密度为0.44g/cm³。

4.根据权利要求1-3中任一所述的水泥浆，其特征在于：所述降失水剂为水溶性高分子聚合物；所述水溶性高分子聚合物为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物或丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物；所述2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-丙烯酰胺共聚物的数均分子量为100000g/mol～1000000g/mol，所述丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物的数均分子量为200000g/mol～2000000g/mol。

5.根据权利要求1-4所述的水泥浆，其特征在于：所述分散剂为改性木质素磺酸盐与下述物质中任一种的混合物：聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、硅酸钠、铝酸钠和硼酸钠或甲醛丙酮缩合物与下述物质中任一种的混合物：聚苯乙烯磺酸钠、碳酸钠、硅酸钠、铝酸钠和硼酸钠。

6.根据权利要求5所述的水泥浆，其特征在于：所述改性木质素磺酸盐为木质素磺酸钙或木质素磺酸钠；所述甲醛丙酮缩合物为甲醛与丙酮摩尔比2∶1的聚合产物。

7.根据权利要求1-6中任一所述的水泥浆，其特征在于：所述增强剂为矿渣粉和水泥的混合物或矿渣粉和水泥的混合物与下述物质中任一种的混合物：硫酸钠、氯化钾、硝酸钠、偏铝酸钠、硅酸钾和氧化钙。

8.根据权利要求1-7中任一所述的水泥浆，其特征在于：所述缓凝剂为酒石酸钾、酒石酸钠、硼酸和有机磷酸盐中至少一种。

9.根据权利要求1-8中任一所述的水泥浆，其特征在于：所述水为淡水或海水。