CN104099071A - 一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法，属于油气井固井注水泥技术领域。水泥100份，高温稳定剂30-45份，高温膨胀剂1-10份，悬浮剂0-3份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-5份，水40-50份，消泡剂0.2份；水泥是满足API规范的油井G级水泥；高温稳定剂为微硅、纯度大于98%的二氧化硅粉末中的一种或两种混合；本发明的优点是经过室内研制和测试，该水泥浆体系综合性能优良，水泥石在高温下具有良好的沉降稳定性和微膨胀特性。满足高温超高温水平井或大斜度固井要求，具有现场操作可行性。

Description

一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法，属于油气井固井注水泥技术领域。

背景技术

作业主要目的是对套管外环形空间进行有效封隔，防止油气井钻井、增产作业和生产过程中的地层流体窜流，为套管提供有效支撑和保护，减小和缓和地层围岩对套管的作用，改善套管的受力状况、延长油气井寿命、保证油气生产的正常进行。

在高温深井水平井固井中，水泥浆或因部分外加剂在高温下失效而使水泥浆颗粒沉降，产生自由水，形成高边水带；或因高温下水泥石体积收缩，环空产生微间隙，给高压气体上窜提供了通道，造成环空气窜。目前，水泥浆在高温凝结过程中的沉降问题及凝结水泥石体积收缩引发的固井质量问题，在国内外固井界均尚未得到很好解决。主要体现在常温下能产生悬浮作用的外加剂在高温下降解失去悬浮作用，水泥浆沉降在水平段中形成高边水带，在中低温下对水泥石产生微膨胀的膨胀剂在在温度超过110℃时膨胀效果不明显或者失去作用，在高温深井固井中使用受到限制。另外，水泥中加入这些成分的膨胀剂后，使水泥环与套管界面处晶体体积分数增加，使原本薄弱的界面胶结质量更差，不能提高界面胶结质量。并且这些物质的加入，增加水泥石抗压强度的同时，也使水泥石弹性模量增加，水泥石变脆，对后期生产作业产生不良影响。

解决水泥浆体在高温下的沉降问题以及水泥石凝固后的收缩问题，是提高固井质量、避免油气窜的根本所在。在水泥浆中加入高温悬浮剂，使其在被泵送或替到位置之后保持良好的沉降稳定性，在高温条件下水泥浆自由水含量为0。在水泥浆体中加入高温膨胀剂，使水泥石在凝固前产生一定量的膨胀量，此膨胀量均匀的分布在水泥浆体中。其体积膨胀作用，也可以抑制水泥石的收缩，从而消除水泥内及水泥石与地层间形成的微裂缝，防止地层流体窜流通道的出现以及由于水泥收缩引起了固井质量诸多问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法。满足高温深井水平井固井、修井、挤水泥及水泥封堵作业要求。

本发明所要解决的技术问题是提供一种水平井固井膨胀水泥浆，这种固井水泥浆高温下无沉降，综合性能好，使凝固后的水泥石产生微膨胀。在深、超深水平井固井中，膨胀效果不会因为温度升高而失去作用使水泥环产生微间隙，提高水泥石胶结强度。这种高温膨胀水泥浆能有效提高油气井固井质量，延长油气井的开采寿命。

本发明所要解决的技术问题还在于提供一种水平井固井膨胀水泥浆的制备方法，该制备方法所述水泥、高温稳定剂、高温膨胀剂、悬浮剂干混至均匀，所述降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水湿混至均匀，所述干混与湿混物按照API操作规范进行混拌成水泥浆，水泥浆配浆容易。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种水平井固井膨胀水泥浆，包括以下各组分及重量份数：

水泥100份，

高温稳定剂30-45份，

高温膨胀剂1-10份，

悬浮剂0-3份，

降滤失剂4-10份，

分散剂0-2份，

缓凝剂0-5份，

水40-50份，

消泡剂0.2份，

所述水泥是满足API规范的油井G级水泥；

所述高温稳定剂为微硅、纯度大于98%的二氧化硅粉末中的一种或两种混合；

所述高温膨胀剂为矾石类、MgO类、氧化钙类、氧化铁类和铝粉类中的一种或几种复合；

所述悬浮剂为膨润土、纤维素、高分子聚合物中的一种或几种；

所述降滤失剂为高分子聚合物、纤维素类和PVA体系中的任意一种；

所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；

所述缓凝剂为高分子聚合物类、木质素磺酸盐类、有机磷酸盐类中的一种或几种；

所述消泡剂为聚醚类、有机硅类、聚醚改性类中任意一种；所述水优选淡水或含盐量小于0.5g/L的水。

进一步的技术方案，所述高温、超高温水平井固井膨胀水泥浆的组成成分中，所述高温膨胀剂的重量份数为1-10份。

当加入高温膨胀剂并且高温膨胀剂的重量份数为1份-10份时，对水泥浆常规性能影响很小，能使凝固后的水泥石产生微膨胀，提高水泥石界面胶结强度，提高水泥石线性膨胀率和体积膨胀率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括：一种水平井固井膨胀水泥浆的制备方法，含有以下步骤：

称取水泥100份，高温稳定剂30-45份，高温膨胀剂1-10份，悬浮剂0-3份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-5份，水40-50份，消泡剂0.2份；

将所述水泥、高温稳定剂、高温膨胀剂、悬浮剂干混至均匀，

所述降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水湿混至均匀，

干混与湿混物通过按照API操作规范进行混拌成水泥浆。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明制备得到的固井水泥浆抗高温性能好。在高温深水平井固井施工作业中，具备良好的工程性能。高温下无沉降，稠化时间可调，抗压强度高，综合性能好，同时凝固后的水泥石还具有适量的膨胀率，可有效提高较高水泥浆与套管和地层界面胶结质量。

2、本发明通过添加高温膨胀剂产生足够大的塑性膨胀及后期体积膨胀。膨胀量随养护温度的升高和养护龄期的延长而增大，在三围压力受限状态下能显著改善水泥石的抗压强度和胶结强度。水泥浆在一定的温度压力下，有适量的线性膨胀率和体积膨胀率，因此具有较好的层间密封性能。

3、本发明高温膨胀剂加入水泥中，配浆容易；成本较低且能够均匀的分散在水泥浆中，与其他外加剂配伍性好，水泥浆性能稳定。在高温下不会因为温度过高而失效，相对于现有技术改善了膨胀剂受温度限制的问题，同时相对其他膨胀水泥体系层间密封作用更强，且价格低廉，成本较低。

本发明的优点是经过室内研制和测试，该水泥浆体系综合性能优良，水泥石在高温下具有良好的沉降稳定性和微膨胀特性。满足高温超高温水平井或大斜度固井要求，具有现场操作可行性。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法，

针对目前水平井钻井固井趋向深井、超深井，固井面临高温和超高温，对固井水泥浆性能要求高，而目前很多水泥浆体系在面临高温和超高温条件下，存在沉降稳定性差，水泥石体系收缩，影响固井质量并有油气窜危险，针对目前高温超高温水平井固井面临的难点问题，发明一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法。

有添加高温膨胀剂和无添加高温膨胀剂的固井水泥浆的分别制备及性能测定

如表1所示，实施例的高温膨胀固体水泥浆，由下列重量组成的原料混合制成：

表1 水泥浆基本配方

将上述成分按相应的重量百分比称量后，混合、搅拌，即制备得到所述一种高温膨胀固井水泥浆。

表1中，各实施例和对比例中所述水泥是满足API规范的油井G级水泥；

所述高温稳定剂为微硅、纯度大于98%的二氧化硅粉末中的一种或两种混合；

所述高温膨胀剂为矾石类、MgO类、氧化钙类、氧化铁类和铝粉类中的一种或几种复合；

所述悬浮剂为膨润土、纤维素、高分子聚合物中的一种或几种；所述降滤失剂为高分子聚合物、纤维素类和PVA体系中的任意一种；

所述分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；

所述缓凝剂为高分子聚合物类、木质素磺酸盐类、有机磷酸盐类中的一种或几种；

所述消泡剂为聚醚类、有机硅类、聚醚改性类中任意一种；所述水优选淡水。

对表1中各个实施例和对比例进行水泥浆常规性能测定、稠化时间评价、抗压强度评价、膨胀率评价（包线性膨胀率，体积膨胀率）和胶结强度评价。

表2列出表1中各个实施例及对比例的水泥浆的常规性能，

表3列出了表1中各个实施例及对比例的水泥浆稠化时间和抗压强度，

表4列出了表1中各个实施例及对比例的水泥浆凝固后的水泥石膨胀性能。

表2：水泥浆的常规性能

表3：水泥浆稠化时间与强度

表4：水泥石膨胀性能

从表2可以看出本发明实施例在加入高温膨胀剂后，对水泥浆失水无影响加入高温膨胀剂的水泥浆失水量略有减小，水泥浆流动度略有减小，水泥浆游离液减少，在高温下密度差减小，提高了水泥浆的沉降稳定性。从表3可看出本发明实施例在加入高温膨胀剂后，水泥浆稠化时间略有缩短但都在误差范围内，24h和48h抗压强度和抗折强度都略有提高。

从表4可以看出，高温膨胀剂的加入在高温下有助于提水泥石的膨胀率，油井水泥石的主要作用在于实现有效的层间封隔，但水泥石天生收缩性缺陷，在凝固时容易使水泥环空形成微间隙，失去密封性，引发层间窜气，造成环空带压，严重危及油气安全开采。加入高温膨胀剂后，对水泥石进行基质微膨胀改造，提高水泥石膨胀率和界面胶结强度，防止固井水泥微环隙产生引起环空气窜。本发明从线性膨胀率、体积膨胀率、界面胶结强度来综合评价了水泥石的膨胀性。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水平井固井膨胀水泥浆，其特征在于包括以下各组分及重量份数：水泥100份，高温稳定剂30-45份，高温膨胀剂1-10份，悬浮剂0-3份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-5份，水40-50份，消泡剂0.2份； 

水泥是满足API规范的油井G级水泥； 

高温稳定剂为微硅、纯度大于98%的二氧化硅粉末中的一种或两种混合； 

高温膨胀剂为矾石类、MgO类、氧化钙类、氧化铁类和铝粉类中的一种或几种复合； 

悬浮剂为膨润土、纤维素、高分子聚合物中的一种或几种; 

降滤失剂为高分子聚合物、纤维素类和PVA体系中的任意一种； 

分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂； 

缓凝剂为高分子聚合物类、木质素磺酸盐类、有机磷酸盐类中的一种或几种; 

消泡剂为聚醚类、有机硅类、聚醚改性类中任意一种。 

2.如权利要求1所述的一种水平井固井膨胀水泥浆的制备方法，其特征在于，称取水泥100份，高温稳定剂30-45份，高温膨胀剂1-10份，悬浮剂0-3份，降滤失剂4-10份，分散剂0-2份，缓凝剂0-5份，水40-50份，消泡剂0.2份，将上述成份分别干混和湿混，搅拌，即制备得到所述一种高温深井水平井固井膨胀水泥浆。 

3.如权利要求1或2所述的一种水平井固井膨胀水泥浆的制备方法，其特征在于，所述水泥、高温稳定剂、高温膨胀剂、悬浮剂需干混至均匀， 所述降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和需湿混均匀，所述干混与湿混物按照API操作规范混拌成水泥浆。