低温低水化热固井水泥体系的制作方法

文档序号:1947795

专利名称::低温低水化热固井水泥体系的制作方法
技术领域
:本发明涉及一种天然气水合物层固井领域所用的一种低温低水化热固井水泥体系,是一种适合于深水水合物层的低温低水化热固井水泥体系,也可适用于陆上永冻层、低温表层固井。
背景技术
:在地球上矿物能源日益短缺的今天,天然气水合物作为21世纪的战略性能源的地位已经日益凸现,将为人类提供替代能源带来新的希望。据估算,全球天然气水合物中蕴藏的天然气总量约为1.8X10162.1X1016m3,相当于全球已探明传统化石燃料总碳量的2倍,欧美日等西方发达国家竞相开展天然气水合物开采技术的研究,可以说当今世界谁首先掌握了天然气水合物安全有效的开采技术,谁就首先冲破了能源瓶颈的束缚,谁就能在未来能源紧张的形势下立于不败之地。然而,天然气水合物在自然界处于亚稳定状态,存在海底水深大于300m,温度010'C以下,压力10MPa以上,天然气水合物才会稳定存在。天然气水合物的组成尽管取决于多面笼型结构的不同的框架结构中配有的天然气分子的数目,其平均组分是每5.75摩尔的水中包含1摩尔的天然气。已知密度是0.9g/m3,因此在压力是标准大气压lMPa,温度是标准温度Ot:时,1升天然气水合物固体中平均包含168升的天然气。在深水油气资源的钻井和丌采过程中保证水合物不分解是一个巨大的挑战,而对于含水合物层油气资源的开采其固井的好坏直接关系到油井的寿命和后续油气资源的安全高效开采。水合物层固井除了封隔井眼内油、气、水层,使水合物层以下的石油资源顺利开发,还保护了现有天然气水合物免遭破坏,等待将来有能力安全有效开采天然气水合物时再开采。但是在开采深水天然气水合物层油气资源时,钻井液和固井液带给地层大量的热,温度发生变化可以导致天然气水合物分解,其体积膨胀至120170倍。天然气水合物分解一方面会形成异常高压,很容易造成井喷;另一方面会产生一种低密度高气侵泥岩,其中释放气体形成超压,一旦重力负载或地震扰动都能诱发海底地质灾害,如海啸、滑坡等灾害,就会带给井场及工作人员巨大的灾难和无法挽回的损失,对此要有足够的安全预防措施。另外,大量气体窜入井筒,造成气窜、井眼扩大、井壁失稳、泥浆顶替不干净等问题,结果使水泥封固结构中存在窜槽、微间隙以及应力裂缝,破坏水泥环柱的封隔性,危害到油气开采和平台的安全性。而对于浅层或表层套管固井,如果表层处于永冻层,永冻层的冰结构很容易受到表层大体积环空水泥浆用量所带来的热量的影响,环空大块水泥水化产生大量的水化热造成永冻层冰结构融化;使井眼扩大、井壁失稳;同时井眼扩大又增加了水泥浆的用量,既带來了更多的水化热,又增加了钻井成本。因此,无论是水合物层开采还是还是永冻层的固井,都要尽可能避免带给地层的高热量,这就要求水泥衆的水化热尽可能小。目前,针对水合物层固井国外出于对技术的保密性,此方面的相关报道也很少。美国SPE113631'仅简单介绍了深水环境可预防水合物层不稳定的一种低水化热水泥浆体系。该水泥浆水化放热较低,绝热升温仅为3rc,而对比样绝热升温高达6rc。此水泥浆静胶凝强度从1001b]/100ft2发展到5001bl/100ft2,时间仅为10min,直角稠化性能很好;在14。C下,10h强度达到350psi,24h强度达到800psi,该水泥浆表现出较低的水化热、强度发展快、流变性好、直角稠化等优良性能;应用于水合物层固井成功地防止了水合物的分解,同时水泥衆其他性能满足了深水低温固井要求。但是国内对深水水合物层固井还不曾开展,因此,针对深水低温环境和水合物地层对固井水泥浆的特殊要求,弥补国内水合物层固井水泥技术的空白,有必要研究开发适合于水合物地层的低温低水化热早强的新型低温固井水泥体系。
发明内容本发明的目的就是要提供一种低温下胶凝强度过渡时间短、抗压强度发展快而水化热却较低的固井水泥体系,以弥补我国水合物地层固井水泥技术的空白。为实现上述目的,本发明采用如下技术方案以油田常用G级油井水泥为基料,加入可降低水泥整体水化放热量的材料或物质,改善水泥低放热情况下的整体性能。(1)适当加入比表面积在600012000cm2/g范围的超细矿渣可确保水泥的早期和后期强度特性;(2)根据粉煤灰水化活性较低的特性,通过加入适量的粉煤灰可进一歩降低水化热;(3)加入一定量的石膏组分确保反应生成足量的钙矾石,使水泥石在低温下具有一定的膨胀性能,防止水泥石在低温下收缩。本发明的低温低水化热岡井水泥体系其特征在于其矿物组份和质量百分组成为G级油井水泥2060。/。,超细矿渣20~40%,粉煤灰15~36%,石膏37%,其余为其它微量外掺料。本发明的低温低水化热固井水泥体系所使用的超细矿渣物理性能至少要满足细度《〗0%,比表面积》350m"Kg,三氧化硫《4.0%。本发明的低温低水化热固井水泥体系所使用的粉煤灰物理性能应满足细度《20%,三氧化硫《3%。本发明的低温低水化热固井水泥体系在使用时,可加入占水泥质量百分数03%的激活剂以提高矿渣、粉煤灰的水化活性,其激活剂为CaS04、CaO、CaC03、Na2S04、Na2C03、Ca(N03;)2中的一种或几种。本发明的低温低水化热固井水泥体系在使用时,可加入占水泥质量百分数01%的缓凝剂调节水泥浆稠化时间以满足施工要求,其缓凝剂为酒石酸、柠檬酸、硼酸及其盐或葡萄糖酸钠的一种或几种。本发明的低温低水化热固井水泥体系在使用时,可加入占水泥质量百分数15~45%的中空微珠,水灰比为0.50.78,可配置出密度为1.35~1.658/咖3的低密度水泥浆体系。本发明的低温低水化热固井水泥体系具有以下四个方面的优异性能(1)本发明的低温低水化热固井水泥体系在低温下强度发展与常规低温固井水泥相当,但其绝对升温仅为常规低温固井水泥绝对升温的一半,防止了水合物受热分解。(2)本发明的低温低水化热固井水泥体系可根据现场实际情况调节水泥浆密度和稠化时间,水泥浆流变性好、失水低,能很好地满足现场施工要求。(3)本发明的低温低水化热固井水泥体系在低温下具有较好的"直角稠化"性能,良好的直角稠化性能可有效防止深水水合物层固井浅层水-气窜。(4)本发明的低温低水化热固井水泥体系屮含有品格膨胀材料,水泥浆终凝后其水泥石具有一定的微膨胀性能。这防止了水泥石的干缩,提供了水泥石与套管和井壁界面的胶结强度,增强了水泥环柱的层问封隔能力。附图是不同水泥体系水化绝热温升图。这是在绝热条件下水泥水化过程中温度升高的纪录。在绝热容器里放入一定体积的水泥浆,然后放入隔热的箱体中,这样几乎避免了热量的散失或吸收。在容器里插有一个热电偶记录水泥水化过程中温度的变化。G级原浆水泥浆体系1的绝热温升是2(TC,休系LHC-1的绝热温升是15°C,而体系LHC-2的绝热温升仅有6.7°C。水泥浆体系LHC-2的绝热温升不到G级原浆水泥浆体系1的一半,因此,水泥浆体系LHC-2的水化热不到G级原浆水泥浆体系1的一半。可以很明显的看出,低水化热对防止环空内温度的升高具有深远的意义。具体实施方式实施例1,本发明低温低水化热固井水泥体系低水化热性能评价水泥组份G级油井水泥41.59%、超细矿渣30%、粉煤灰18.10%、石膏4.06%,其余为其它微量外掺料。代号为样品LHC-1。水泥组份G级油井水泥32.40%、超细矿渣32.02%、粉煤灰28.42%、石膏4.01%,其余为其它微量外掺料。代号为样品LHC-2。按深水同井试验标准API10B-3-2004制备水泥衆,并测定水泥衆密度、水化热、绝热升温,并与相同条件下的常规密度G级油井水泥浆进行水化热比较,测量结果见表1和图1。实验结果表明,本发明的低温低水化热固井水泥体系与G级油井水泥体系在相同水灰比下,ld、3d或5d的水化热明显低于G级油井水泥,LHC-1、LHC-2水泥的绝热升温分别只有G级水泥的3/4和1/4,14。C条件下24h抗压强度也比G级水泥抗压强度高很多。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实施例2,激活剂对本发明低温低水化热固井水泥体系抗压强度性能影响评价按深水固井试验标准API10B-3-2004制备水泥浆,测定水泥浆在不同温度养护下的抗压强度,并与相同条件下的常规密度G级油井水泥浆体系进行抗压强度比较,评定结果见表2。实验结果表明,CaO、Na2S04、Ca(N03)2能很好地激发本发明的低温低水化热固井水泥体系中的粉煤灰活性,同时也改善了水泥石早期强度,并有良好的配伍性。同时CaO是一种良好的晶格膨胀材料,它的轻微膨胀既能能防止水泥在固化时的收缩,又能提高水泥石与井筒和井壁的连接力。1#:G级油井水泥+44°/。水,密度1.92g/cni3。2#:LHC-2十44。/。水,密度1.72g/cm3表2<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实施例3,缓凝剂对本发明低温低水化热固井水泥体系稠化性能影响在本发明的低温低水化热固井水泥体系中加入28%的中空微珠、1.5%的激活剂和01.0%的缓凝剂和自来水,按深水固井试验标准API10B-3-2004制备水泥浆,测定该水泥浆稠化时间、稠度从30Bc100Bc的过渡时间、水泥石抗压强度,测量结果见表3。实验结果表明,本发明低温低水化热固井水泥体系稠化时间随缓凝剂拧檬酸加量增加而延长,稠化时间在147342min区间可调;水泥浆体系在14'C下稠度从30Bc100Bc的过渡时间都《25min,表现出优异的"直角稠化"特性,可有效防止深水固井所面临的浅层水气窜。3#:LHC-2+28(K)中空微珠+0.5o/oCaO+1.0o/oNaS04+70。/o水,密度1.36g/cm3表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1.一种适合于深水水合物层的低温低水化热固井水泥体系,其特征在于其各组分以及质量百分比为G级油井水泥20~60%,超细矿渣20~40%,粉煤灰15~36%,石膏3~7%,其余为其它微量外掺料。2.根据权利要求1所述的低温低热固井水泥体系,其所使用的超细矿渣物理性能要满足细度《10%,比表面积》350m"Kg,三氧化硫《4.0%;粉煤灰物理性能应满足细度《20%,三氧化硫《3%。3.根据权利要求2所述的低温低水化热固井水泥体系,可加入占水泥质量—Q"分比0~3%的矿渣粉煤灰激活剂。4.根据权利要求3所述的低温低水化热固井水泥体系,其特征在于矿渣粉煤灰激活剂为CaS04、CaO、CaC03、Na2S04、Na2C03、Ca(N03)2中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的低温低水化热固井水泥体系,可加入占水泥质量百分数0~1%的缓凝剂。6.根据权利要求5所述的低温低水化热固井水泥体系,其特征在于缓凝剂为酒石酸、柠檬酸、硼酸及其盐或葡萄糖酸钠的一种或几种。全文摘要本发明涉及一种天然气水合物层固井领域所用的一种低温低水化热固井水泥体系。其目的是为了有效降低水泥水化放热,防止大量热引起水合物分解,减少水合物分解对固井的伤害。本发明以G级油井水泥为基料,加入可降低水泥整体水化放热量的材料,改善水泥低放热情况下的整体性能。(1)适当加入比表面积在6000~12000cm<sup>2</sup>/g的超细矿渣可确保水泥的早期和后期强度特性;(2)通过加入水化活性较低的粉煤灰进一步降低水化热;(3)加入一定量石膏组分使水泥石在低温下具有一定的膨胀性能,防止水泥石在低温下收缩。本发明提供的低温低水化热固井水泥对降低水泥整体水化热效果明显,具有良好的防止深水水合物分解的效果。文档编号C04B28/00GK101328050SQ20081013868公开日2008年12月24日申请日期2008年7月31日优先权日2008年7月31日发明者步玉环,王成文,王瑞和,齐志刚申请人:中国石油大学(华东)
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