CN110668765B - 一种冻土区负温固井水泥浆及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油田固井技术领域的一种冻土区负温固井水泥浆及其制备方法和应用；所述冻土区负温固井水泥浆，包含重量份数计的以下组分：改性铝酸盐水泥100份，负温防冻早强剂6～15份，醇氨类促凝剂0.05～3份，水40～44份，轻金属膨胀剂0～5份，非离子型聚合物降失水剂0～6份；所述冻土区负温固井水泥浆流变性良好，可在‑18℃条件下3小时内固化，24h抗压强度可高达6MPa，有效解决负温环境下常规水泥浆由于液相分凝结冰导致水泥不固化无强度，低温冻土区固井质量差甚至完全无法进行固井作业的问题，满足冻土区固井施工需求。

Description

一种冻土区负温固井水泥浆及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及油田固井技术领域，更进一步说，涉及一种冻土区负温固井水泥浆及其制备方法和应用。
背景技术
极地冷海地区具有重要的油气勘探开发的战略价值，但这些区域多处于冻土区，勘探开发的条件非常苛刻，面临诸多挑战，其中最大的问题就是表层地层温度极低。极地地区重要的油气藏多分布在多年冻土区，温度为-5至-8℃，地层冰含量高达80％，深度可达500m。常规固井水泥浆体系在低温条件下强度发展极为缓慢，当环境温度低于20℃时水泥诱导期延长，水泥水化缓慢；当环境温度低于0℃时，由于水泥浆体内水分分凝结冰，甚至完全不参与水泥水化反应，导致水泥浆不凝固无强度，难以满足固井的需要。
目前用于低温环境下的固井水泥浆种类较少。公开号为CN106634899A的中国专利提供了一种液态胶体填充低温固井水泥浆体系，其公开了包含硅酸盐水泥100份，超细硅酸盐水泥80～120份，空心玻璃微珠10～30份，微硅10～20份，液态胶体8～12份，早强剂2～6份，减阻剂1～2份，降失水剂4～8份，消泡剂1～2份，水120～150份的低温水泥浆。该水泥浆密度在1.35～1.65g/cm3之间可调节，低温早期强度高，稠化性能、流动性能良好，失水量小，可以用于15℃左右的深水表层段固井。
公开号为CN105462571A的中国专利公开了一种低温固井水泥浆体系及组成，其中公开了由油井水泥100份、油井超细水泥62～175份、纳米二氧化硅7.3～23份、活性硅酸钙10～32份、中空玻璃微球15～50份、早强剂3.6～10份、降失水剂3.2～8.6份、分散剂0.8～2.0份、水120～195份组成的低温水泥浆。该水泥浆密度在1.30～1.60g/cm3之间，适用于15℃左右的深海低温表层套管段的固井作业。
国内外文献中对低温水泥浆的研究较多。其中，部分文献报道了Schlumberger公司的PSD水泥技术，该低温固井水泥浆体系在11℃的模拟温度下养护16h后达到3.5Mpa(齐奉忠，庄晓谦，唐纯静.CemCRETE水泥浆固井技术概述[J].钻井液与完井液，2006,23(6)：68-70)；部分文献针对深水表层固井存在的低温水泥石强度发展缓慢、浅层流、易漏失等难点，进行了深水低温固井水泥浆的研究，主要包括低温早强水泥、密度减轻剂及配套外加剂，该水泥浆密度在1.2～1.7g/cm3之间，其低温强度发展快，体系稳定，可在4～20℃的范围内应用，具有较好的综合性能(席方柱，屈建省，吕光明等.深水低温固井水泥浆的研究[J].石油钻采工艺,2010,32(1):40-43)；部分文献针对煤层气低温固井及深水表层套管固井早期强度发展慢的问题，通过将胶体SiO2、硫酸盐和醇胺类物质三元复配，开发出一种复合型无氯早强剂AA，通过向水泥中加入减轻材及配套外加剂，形成了一套密度为1.35～1.87g/cm3的低温固井水泥浆体系，该低温固井水泥浆在30℃下，24h抗压强度可达13MPa(步玉环，侯献海，郭胜来.低温固井水泥浆体系的室内研究[J].钻井液与完井液,2016,33(1):79-83)；还有部分文献研究了10℃至60℃间不同温度内添加可再分散乳胶粉前后低温固井水泥浆常规性能变化，发现可再分散乳胶粉能显著降低水泥石渗透率，提高界面胶结强度，养护温度越低稠化时间越长(王旭光.可再分散乳胶粉对低温固井水泥浆性能的影响[J].钻井液与完井液,2015,32(6):65-71)。
目前国内外水泥浆技术中真正适用于低温，尤其是适用于0℃以下冻土区的固井的水泥浆体系罕见报道，即便是4～8℃的低密度水泥浆体系也并不多，且成本较高，多适用于深海固井。可用于冻土区的油井水泥浆体系及添加剂种类少，且在负温下效果不明显，难以满足极地冷海地区冻土层固井作业需要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种冻土区负温固井水泥浆。具体地说涉及一种冻土区负温固井水泥浆及其制备方法和应用。本发明所述冻土区负温固井水泥浆流变性良好，可在-18℃条件下3小时内固化，24h抗压强度高于2MPa，可达6MPa，有效解决负温环境下常规水泥浆由于液相分凝结冰导致水泥不固化无强度，低温冻土区固井质量差甚至完全无法进行固井作业的问题，满足冻土区固井施工需求。
本发明目的之一是提供所述冻土区负温固井水泥浆，其主要包含改性铝酸盐水泥、负温防冻早强剂、醇氨类促凝剂，轻金属膨胀剂，非离子型聚合物降失水剂和水，具体可包含重量份数计的如下组分：
改性铝酸盐水泥100份，
负温防冻早强剂6～15份，优选6～10份，
醇氨类促凝剂0.05～3份，优选0.05～1份，
轻金属膨胀剂0～5份，优选2～5份，
非离子型聚合物降失水剂0～6份，优选2～6份，更优选3～4份，
水40～44份。
最优选地，包含重量份数计的以下组分：
改性铝酸盐水泥100份，
负温防冻早强剂6～10份，
醇氨类促凝剂0.05～1份，
轻金属膨胀剂2～5份，
非离子型聚合物降失水剂2～6份，
水40～44份。
该水泥体系在改性铝酸盐水泥的基础上引入负温防冻早强剂、醇氨类促凝剂，提高了水泥浆的抗冻性和流动性，在-18℃的温度下仍具有良好的流动性和水化固化能力。
所述改性铝酸盐水泥为复配铝酸盐水泥。具体地，所述复配铝酸盐水泥包含重量百分比计的如下组分：高铝水泥20％～70％，石膏5％～20％，超细硅酸盐水泥20％～60％；优选包含重量百分比计的如下组分：高铝水泥40％～70％，石膏5％～20％，超细硅酸盐水泥20％～50％；更优选包含重量百分比计的如下组分：高铝水泥50％～60％，石膏5％～15％，超细硅酸盐水泥30％～45％。
其中，所述改性铝酸盐水泥的制备方法包括以下步骤：将G级油井水泥在球磨机内高速粉磨0.5～4h后制得超细硅酸盐水泥；按所述比例称取高铝水泥、石膏、超细硅酸盐水泥后将其干混均匀即得改性铝酸盐水泥。
所述负温防冻早强剂可选自乙二醇、硝酸钙、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯酸钠、铝酸钠、亚硝酸钠或氧化锂中至少一种的复合早强剂，优选种类为硝酸钙、氯化钙、亚硝酸钠和铝酸钠中至少一种的复合早强剂。
优选地，所述负温防冻早强剂可包含重量百分比计的以下组分：
硝酸钙5％～10％，
氯化钙50％～80％，
氯化钠10％～20％，
亚硝酸钠0.1～0.2％，
铝酸钠2％～20％。
更优选地，所述负温防冻早强剂可包含重量百分比计的以下组分：
硝酸钙5％～8％，
氯化钙60％～70％，
氯化钠10％～15％，
亚硝酸钠0.1～0.2％，
铝酸钠12％～20％。
所述负温防冻早强剂的制备方法可包括以下步骤：按比例称取所述硝酸钙、氯化钙、氯化钠、亚硝酸钠和铝酸钠后将其干混均匀即得所述负温防冻早强剂。
所述醇氨类促凝剂可选自三乙醇胺、单乙醇二异丙醇胺、二乙醇单异丙醇氨或三异丙醇胺中的至少一种，优选三乙醇胺和/或单乙醇二异丙醇胺。
所述轻金属膨胀剂可为本领域常用的金属膨胀剂，具体可如氧化镁、氧化钙，氧化铝中的至少一种，优选氧化镁。
所述非离子型聚合物降失水剂可本领域常用的非离子型聚合物降失水剂，具体可为AMPS三元聚合物、硫酸纤维素、水解聚丙烯聚丙烯腈、聚烯酰胺聚合物中的至少一种，优选AMPS三元聚合物。
水泥水化是一个很复杂的物理、化学变化过程，负温对水泥浆的作用总的来说有两个方面：一是当温度低于0℃时，水泥颗粒表面的水分子薄膜处在相变的热力学平衡点，由于结冰的分压作用，水分子不再向水泥颗粒内部渗透，体系的凝固速度远低于结冰速度，水化过程几乎不能进行；二是水泥颗粒和液相水的水化反应速率随温度降低而逐渐减缓。研究表明，分散在水泥浆毛细孔隙中的水分在-10℃、-20℃、甚至低于-30℃时仍有部分以液相形态存在。但是在低于-10℃的条件下水泥和水之间的水化反应非常缓慢。由此可见，实现负温下水泥浆固化的关键一是降低水泥浆液相冰点；二是促进负温下水泥颗粒与水分子水化固化反应的持续进行。
本文所开发的冻土区负温水泥浆体系中的负温防冻早强剂富含Ca2+、Na+、Al3+等离子，兼具降低体系液相冰点和提高水泥颗粒负温水化速度的双重功效。其所含成分不仅可以改变水泥浆液相离子浓度，与水分子形成水合离子，破坏水分子排布，进而使水分子不易于形成氢键而结冰，保证水泥浆在负温下有足够多的液相存在，还可与醇氨类促凝剂复合作用，共同促进C3A水化生成不溶于水的铝酸盐沉淀，提高水泥中C3A的水化速率，与氢氧化钙作用生成难溶于水的沉淀，从而降低液相中氢氧化钙的浓度，加速C3S的水化，同时生成的复盐还能增加浆体固相比例，促进负温条件下水泥水化产物的不断生成。
本文所开发的改性高铝水泥主要矿物成分为CA、CA2、石膏此外还有部分超细C3S与其他铝酸盐。该水泥兼具高铝水泥，PSD水泥和G级水泥的多重特点。据研究，CA、CA2在-5℃以下即便没有任何外加剂的作用下仍可发生水化固化，在-20℃条件下，其一天后的强度达到最终强度的80％，具备巨大的低温水化能力。负温条件下，当水和冻土区负温水泥接触时，水泥组分中的CA、CA2和石膏会率先发生水化固化反应，其主要水化反应过程如下：
CaO·Al2O3+10H2O→CaO·Al2O3·10H2O(简写为CAH10) (1)
2CA2+13H2O→2CAH10+2AH3 (2)
CA+CaCO3+17H2O→C3A·CaCO3·11H2O+2(Al2O3·3H2O) (3)
6CA2+CaCO3+26H2O→C3A·CaCO3·11H2O+5(Al2O3·3H2O) (4)
随后超细C3S颗粒在促凝剂及CA、CA2水化降低C3S水解产物浓度的双重作用下会发生如下水化反应：
C3S+2H2O→C-S-H+Ca(OH)2 (5)
其中，CA、CA2的水化产物CAH10属六方晶系，其晶体呈片状或者针状，互相交错攀附，重叠结合，可形成坚强的结晶合生体，使水泥获得很高的机械强度。氢氧化铝凝胶填充于晶体骨架的空隙，能形成比较致密的结构。CAH10是亚稳定相，随着时间的推移，这些水化物要向形成稳定的水化产物C3AH6方向转化。这是一个自发的过程，转化结果导致水泥石内部结构变化，使水泥石后期强度下降。而C3S水化生成的C-H-S具有更高的强度和稳定性，恰好可以弥补水泥石后期强度的衰退，提高整体机械性能。
冻土区负温固井水泥浆体系内各组分互相联系，协同作用，共同减小负温条件对水泥浆固化产生的不利影响，实现了负温环境下水泥的水化固化，使冻土区负温水泥浆体系满足极地冷海地区极寒条件下表层地层的固井施工需求。
本发明目的之二是提供所述冻土区负温固井水泥浆的制备方法，其具体可包括以下步骤：
将所述负温防冻早强剂溶解于水中形成配浆溶液，将配浆溶液取出后倒入浆杯，搅拌状态下加入所述改性铝酸盐水泥、醇氨类促凝剂、轻金属膨胀剂、非离子型聚合物降失水剂在内的组分，搅拌均匀，即得所述冻土区负温固井水泥浆。
进一步地，为了在室内条件下真实模拟极寒环境的低温条件测试样品，本发明可采用在配浆溶液后经降温再倒入浆杯中。所述降温具体可达到降至-10～-18℃。
具体可包括以下步骤：将所述负温防冻早强剂溶解于水中形成配浆溶液并降温(可置于冰柜中直至溶液温度降至实验目标温度)，将降温后的配浆溶液取出后立即倒入浆杯中开始配浆，尽量避免室温对水泥浆配浆的影响。水泥浆配制及性能测试按照API RP10B油井水泥试验方法，第22版标准执行。具体可以启动搅拌机使之保持在4000r/min并在15s内加入包含所述改性铝酸盐水泥、醇氨类促凝剂、轻金属膨胀剂、非离子型聚合物降失水剂在内的组分，盖好浆杯盖子，12000r/min搅拌35s，即得所述冻土区负温固井水泥浆。
配浆完成后立刻将水泥浆倒入标准稠化仪杯并置于-18℃环境中养护。凝结时间及抗压强度测试均在-18℃环境下进行。采用该配浆方法可高度模拟室外负温环境下的配浆过程。
本发明目的之三是提供所述冻土区负温固井水泥浆在冻土区作为固井水泥浆的应用，其中所述冻土区的温度为0℃以下，优选为-10～-18℃。
本发明的效果
本发明的技术方案针对固井水泥不凝固难题，提高负温条件下水泥浆早期强度，开发出耐寒性强，早期强度发展快的负温水泥体系，可解决极地冷海区负温固井水泥低温耐受性差的问题。本发明中的改性铝酸盐水泥在-18℃条件下具备水化硬化能力且具有较高的早期强度；负温防冻早强剂可改变水泥浆液相中的离子浓度，降低冰点，保证水泥浆在负温下有足够多的液相存在，使水泥颗粒能够持续水化，并促进水与水泥中的C3A反应生成不溶于水的铝酸盐沉淀，加速水泥中C3A的水化；其次还能与氢氧化钙作用生成难溶于水的沉淀，从而降低液相中氢氧化钙的浓度，加速C3S的水化，同时生成的复盐还能增加浆体固相比例，加速水泥石形成；再次所述促凝剂为易溶性盐，具有盐效应，可以增大水泥熟料在水中的溶解度，加快水泥熟料的水化。轻金属膨胀剂可在水泥固化时使之体积膨胀，起到补偿耐低温水泥水化体积收缩的作用。引入非离子型聚合物降失水剂在于调剂水泥浆滤失量和流变性。目前所述冻土区负温固井水泥浆体系可在-18℃环境下0.5～3小时内凝固，稠化时间可调，24小时抗压强度高于2MPa，可达6MPa。
随着油气资源勘探开发向极地冷海进军，低温冻土区恶劣的环境条件以及复杂的地质条件，使钻井作业面临更大的风险和挑战。世界各大石油公司和技术服务公司都在努力研发新一代极地钻井技术，而我国极地钻井关键技术尚处于起步阶段。因此在实际项目开展过程中，我国常常受制于技术雄厚的外方公司。通过本项目的研究，开发出适用于冻土区低温条件下的性能优良的低温水泥浆体系，满足极地固井作业需求，保障极地地区钻井施工顺利进行，为占领未来北极油气国际合作的技术经济制高点，增加我国在国际极地能源开发当中的话语权，维护国家权益，保障我国能源安全，具有重大的实用价值和经济社会效益。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。但本发明不受这些实施例的限制。本申请的原料来源
所述改性铝酸盐水泥为复配铝酸盐水泥，所述复配铝酸盐水泥包含重量百分比计的如下组分：高铝水泥60％，石膏5％，超细硅酸盐水泥35％；其中，所述超细硅酸盐水泥的制备方法为：将嘉华G级油井水泥在球磨机内高速粉磨2h后即制得超细硅酸盐水泥。高铝水泥为嘉耐CA50高铝水泥。按所述比例在嘉耐CA50高铝水泥中加入石膏和超细硅酸盐水泥干混均匀即得改性铝酸盐水泥。
所述负温防冻早强剂包含重量百分比计的如下组分：硝酸钙5％、氯化钙60％、氯化钠15％、亚硝酸钠0.1％和铝酸钠19.9％；按比例称取上述组分，然后将所述组分干混均匀即得所述负温防冻早强剂。
醇氨类促凝剂为分析纯三乙醇胺，生产厂家：中和盛泰。
轻金属膨胀剂为氧化镁，生产厂家：天津鼎盛鑫化工有限公司。
非离子型聚合物降失水剂为AMPS三元聚合物，生产厂家：济南诺创化工有限公司。
实施例1
将6份负温防冻早强剂溶解于44份水中形成配浆溶液并置于冰柜中直至溶液温度降至-18℃。将-18℃的配浆溶液倒入浆杯中开动搅拌器低速搅拌并快速加入按比例称量好的改性铝酸盐水泥100份，醇氨类促凝剂0.05份，轻金属膨胀剂2份，非离子型聚合物降失水剂3份，高速搅拌搅拌1min后得成所述冻土区负温固井水泥浆。
实施例2
将9份负温防冻早强剂溶解于44份水中形成配浆溶液并置于冰柜中直至溶液温度降至-18℃。将-18℃的配浆溶液倒入浆杯中开动搅拌器低速搅拌并快速加入按比例称量好的改性铝酸盐水泥100份，醇氨类促凝剂0.5份，轻金属膨胀剂2份，非离子型聚合物降失水剂3份，高速搅拌搅拌1min后得成所述冻土区负温固井水泥浆。
实施例3
将10份负温防冻早强剂溶解于44份水中形成配浆溶液并置于冰柜中直至溶液温度降至-18℃。将-18℃的配浆溶液倒入浆杯中开动搅拌器低速搅拌并快速加入按比例称量好的改性铝酸盐水泥100份，醇氨类促凝剂1份，轻金属膨胀剂2份，非离子型聚合物降失水剂3份，高速搅拌搅拌1min后得成所述冻土区负温固井水泥浆。
实施例4
将15份负温防冻早强剂溶解于44份水中形成配浆溶液并置于冰柜中直至溶液温度降至-18℃。将-18℃的配浆溶液倒入浆杯中开动搅拌器低速搅拌并快速加入按比例称量好的改性铝酸盐水泥100份，醇氨类促凝剂3份，轻金属膨胀剂2份，非离子型聚合物降失水剂3份，高速搅拌搅拌1min后得成所述冻土区负温固井水泥浆。
对比例1
将嘉华G级油井水泥100份，醇氨类促凝剂3份，轻金属膨胀剂5份，非离子型聚合物降失水剂3份加入44份水中高速搅拌搅拌1min后所得水泥浆。性能测试实施例
将实施例1～4制得的所述冻土区负温固井水泥浆和对比文件1制备的水泥浆进行初\凝时间与抗压强度测试，具体参照GB/T 19139-2012的方法对样品经行测试，测试结果见下表1。
表1冻土区负温固井水泥浆和普通水泥浆初\终凝时间与抗压强度(-18℃)
Figure BDA0001716136070000101
注：初终凝及抗压强度均在冰柜-18℃养护条件下测试。
从实验结果看，当环境温度在-18℃时，所述冻土区负温固井水泥浆的初凝时间从0.5h～3h可调，具有良好的低温固化性能，24h抗压强度均高于2MPa，可达6MPa。对比例1的水泥浆而在-18℃环境下放置10min后可见冰晶，1h后完全结冰，24h后取出置于50℃烘干箱内0.5h后融化，试样呈浆体状态未凝固无强度。可见，常规油井水泥-18℃下不具备水化固化能力，不能满足冻土区固井需求。而本发明冻土区负温固井水泥浆在该环境下具有明显优势，不仅凝结时间可调，早期强度也满足施工要求。

Claims (6)

1.一种冻土区负温固井水泥浆，包含重量份数计的以下组分：
改性铝酸盐水泥100份，
负温防冻早强剂6~15份，
醇胺类促凝剂0.05~3份，
轻金属膨胀剂2~5份，
AMPS三元聚合物0~6份，
水40~44份；
所述改性铝酸盐水泥包含重量百分比计的如下组分：高铝水泥50%~60%，石膏5%~15%，超细硅酸盐水泥30%~45%；
所述超细硅酸盐水泥的制备方法包括以下步骤：将G级油井水泥在球磨机内高速粉磨0.5～4h后制得超细硅酸盐水泥；
所述负温防冻早强剂包含重量百分比计的以下组分：
硝酸钙5％～10％，
氯化钙50％～80％，
氯化钠10％～20％，
亚硝酸钠0.1～0.2％，
铝酸钠2％～20％；
所述醇胺类促凝剂选自三乙醇胺、单乙醇二异丙醇胺、二乙醇单异丙醇胺或三异丙醇胺中的至少一种；
所述轻金属膨胀剂选自氧化镁、氧化钙中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种冻土区负温固井水泥浆，其特征在于包含重量份数计的以下组分：
改性铝酸盐水泥100份，
负温防冻早强剂6~10份，
醇胺类促凝剂0.05~1份，
轻金属膨胀剂2~5份，
AMPS三元聚合物2~6份，
水40~44份。
3.根据权利要求1所述的一种冻土区负温固井水泥浆，其特征在于：
所述醇胺类促凝剂选自三乙醇胺和/或单乙醇二异丙醇胺。
4.根据权利要求1~3之任一项所述的一种冻土区负温固井水泥浆的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将所述负温防冻早强剂溶解于水中形成配浆溶液，将配浆溶液取出后倒入浆杯，搅拌状态下加入所述改性铝酸盐水泥、醇胺类促凝剂、轻金属膨胀剂、AMPS三元聚合物在内的组分，搅拌均匀，即得所述冻土区负温固井水泥浆。
5.根据权利要求1~3之任一项所述的一种冻土区负温固井水泥浆在冻土区作为固井水泥浆的应用，其特征在于所述冻土区的温度为0℃以下。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于所述冻土区的温度为-10~-18℃。
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