专利名称：深井低密度水泥浆的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田钻井固井技术领域所用的一种水泥浆，属于一种深井低密度水泥浆。
背景技术：
随着大庆外围勘探的不断深入，从浅地层到深地层都分布着油气层，油气层分布广，钻井结束后固井封固段长，即长封井越来越多。长封固井有两种方法，一种方法是用双级注工具，但很难找到合适的下放位置，造成不必要的舍层和资源的浪费，延长固井工期，施工工艺复杂；另一种方法是采用低密度水泥浆固井，这种方法能有效降低静液柱压力，防止地层漏失，因此，需要密度更低的水泥浆来满足油气开采及固井施工的需要。目前现有的低密度水泥浆专利号为200310102215，此专利所发明的水泥浆密度为1.35～1.50g/cm3，虽然缓解了长封井固井需求，但不能完全满足破裂压力低的长封井固井，现有降低水泥浆密度的一般方法为增大水灰比或增大减轻剂的加量，此种方法将影响水泥石的抗压强度及水泥浆的沉降稳定性，使其满足不了固井施工的要求。
发明内容
为了克服现有的低密度水泥浆抗压强度及沉降稳定性差的不足，本发明提供一种深井低密度水泥浆，该低密度水泥浆利用紧密堆积理论及颗粒级配原理，利用低密度水泥浆外掺料的物理化学作用，提高了低密度水泥浆的沉降稳定性和水泥石的抗压强度，具有失水量低及渗透率低的特点。
本发明是这样实现的该低密度水泥浆，其组分及配比按重量份如下水泥100份、水87～126份、填充剂5～10份、减轻剂45～70份，石英砂5～25份及降失水剂8～10份，其中填充剂为硅粉(SiO2含量＞95％)，减轻剂为漂珠，降失水剂是由丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮及AMPS在85℃、SO2作为氧化剂及PH＝8条件下聚合而成。
上述的填充剂为一种特细的球形颗粒，平均直径为0.15微米。
本发明的有益效果是由于采取上述方案，填充剂是一种特细的球形颗粒，平均直径为0.15微米，SiO2含量＞95％，俗称硅粉，硅粉与水泥的水化产物Ca(OH)2发生反应，生成低碱度的含水硅酸钙水化物，产生不含或少含Ca(OH)2的不易渗透的水泥石结构，由于填充剂颗粒周围还有吸附大量水分子，水分子之间通过氢健相互连接，使微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，水泥浆形成稳定的悬浮体系，且不同粒径的颗粒合理级配及极化，使水泥石的抗压强度和抗渗能力；石英砂的加入，主要结合减轻物共同调节水泥浆内的活性硅钙比，降失水剂是由丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮及AMPS在85℃、PH＝8及氧化剂条件下聚合而成，生成物中含有较强水化吸附作用的-CH-SO3-、-COOH基，而-CONH2主要通过氢键吸附大量的水，因此在水泥颗粒表而形成较厚的吸附膜，可以将水包裹起来，同时大分子间相互作用形成网状结构防止水泥颗粒聚结，圈闭自由水，且形成致密的泥饼，表现出很好的降失水效果，而水泥颗粒上的水化基团的水化层在压差的作用下变形，堵塞泥饼颗粒之间的孔道，降低了水泥饼的渗透率，从而降低失水。
具体实施例方式下面将结合实施例对本发明作进一步的说明该低密度水泥浆，其组分及配比按重量份如下水泥100份、水87～126份、填充剂5～10份、减轻剂45～70份，石英砂5～25份及降失水剂8～10份，其中填充剂为硅粉(SiO2含量＞95％)，减轻剂为漂珠，降失水剂是由丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮及AMPS在85℃、SO2作为氧化剂及PH＝8条件下聚合而成。
本发明所选择的填充剂是一种特细的球形颗粒，平均直径为0.15微米，含有丰富的SiO2(含量大于95％)，俗称硅粉，硅粉与水泥的水化产物Ca(OH)2发生反应，生成低碱度的含水硅酸钙水化物其中C/H＝0.67～1.1，C/H为氧化钙和结晶水的质量比值，产生不含或少含Ca(OH)2的不易渗透的水泥石结构，反应方程式为
3CaO·2SiO2·3H2O是一种凝胶。
高温环境下，水泥浆体系当的硅粉(SiO2含量＞95％)以后，SiO2可以吸收水泥熟料水化时析出的Ca(OH)2生成3CaO·2SiO2·3H2O，降低了水化体系中的Ca2+浓度，打破了2CaO·SiO2·2H2O、CaO·SiO2·H2O等高钙水化硅酸盐的水化平衡，它们继续水化逐渐转变为低钙硅酸盐，使3CaO·2SiO2·3H2O成为水泥石的主要水化产物，而纤维状的3CaO·2SiO2·3H2O单体的抗压强度在高温环境下很稳定，因此提高了硅酸盐油井水泥在高温下的抗压强度和热稳定性。另外填充剂颗粒周围还能吸附大量水分子，水分子之间通过氢键相互连接，使微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，水泥浆形成稳定的悬浮体系，且不同粒径的颗粒合理级配和极化，使水泥石更加致密，以及附加面的形成进一步改善了水泥浆的沉降稳定性，并提高了水泥石的抗压强度和抗渗透能力。
本发明所选择的减轻剂为漂珠(薄壁空心微珠)，漂珠是从粉煤灰中分选出来的薄壁中空微珠。因它质轻易漂，常浮于粉煤灰冲灰水的表面，故名漂珠。漂珠作为减轻剂运用于水泥其效果非常明显，可以降低水泥浆的密度；石英砂的加入，主要是结合减轻物共同调节水泥浆内的活性硅钙比，当活性硅钙的比值接近1时，水泥石强度抗高温衰退效果最好。
本发明所选择的降失水剂是由丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯酮及2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)在85℃，SO2作为氧化剂及PH＝8的条件下聚合而成，该聚合物含有大量的-CONH2、-CH2-SO3-、-COOH基团，而-CH2-SO3-主要是通过氢健吸附大量的水，因此在水泥颗粒表面形成较厚的吸附膜，可以将水包裹起来，同时大分子间相互作用形成网状结构，防止水泥颗粒聚结，圈闭自由水，且形成致密的泥饼，表现出很好的降失水效果，而水泥颗粒上的水化基团的水化层在压差的作用下变形堵塞泥饼颗粒之间的孔道，降低了水泥匀的渗透率，从而降低失水。
根据颗粒级配原理研究出密度为1.20～1.45g/cm3低密度水泥浆，其渗透率比现有的1.60g/cm3的低密度水泥浆相比降低了70％，所用仪器为水泥渗透率测定仪，高温强度提高了4～5Mpa，达14Mpa以上，所用仪器为7375型高温高压养护釜及4027型强度压力机，下表是不同水泥浆渗透率实验数据表
表1
注渗透率足根据达西定律进行计算。
该降失水剂适用的温度范围是90～120℃，API失水控制在100ml以内，且适用于A级和G级水泥，下表是不同温度不同密度下的降失水实验数据
表2
该降失水剂结合液体稳定剂共同作用，使水泥浆稳定性能好，解决了高温失水剂强分散的问题，使水泥浆性能稳定。
实施例该项目经过室内试验和地面模拟实验的基础上，在石化新星公司东北石油局的松南地区SN-180现场试验。该井位于吉林省长岭县双龙乡，地质构造位于长岭凹陷双龙西构造，地质储藏主要以天然气为主，该地区地层压力低，易造成水泥浆漏失，特别是姚家组、青山口组易漏，登娄库和火石岭组易漏易喷，易诱发环空气窜，甚至发生井喷，给该地区油气勘探开发带来直接影响，因此，该地区普遍采用低密度水泥浆固井。SN-180完钻时井深2760米，封固高度2160米，长封固井。在钻井施工中发生多次漏失，井深725.91米(姚家组)，发生严重漏失，有进无出，共漏失72m3，钻到2593.49～2700m(登娄库底至火石岭)连续发生漏失，边打钻边堵漏，直至完钻，共计漏失泥浆量440m3，因此，固井难点是防漏问题，除了从固井工艺上采取防漏施工，设计水泥浆密度为1.40g/cm3，其低密度水泥浆室内试验数据表3
注(1)SN-180井循环温度取82℃。
(2)抗压强度试验条件为90℃×常压×48小时。
首先注入10m3隔离液，再有两台哈里伯顿车注低密度水泥浆66.8m3，平均瞬时排量为1.8m3/min，注压为10～5～9MPa，平均水泥浆密度为1.40g/cm3，水泥浆混配正常，无气泡和分层现象。顶替泥浆27.3m3，由井队的大泵来完成，余2m3由大功率车求碰，替压为4.5～9MPa，瞬时排量为2m3，碰压为10MPa，套管试压15MPa，5min未降，敞压候凝，整个固井施工正常，无漏失现象。48h后声波变密度测井为合格井。
权利要求
1.一种深井低密度水泥浆，其特征在于其组分及配比按重量份如下水泥100份、水87～126份、填充剂5～10份、减轻剂45～70份，石英砂5～25份及降失水剂8～10份，其中填充剂为硅粉(SiO2含量＞95％)，减轻剂为漂珠，降失水剂是由丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡略烷酮及AMPS在85℃、SO2作为氧化剂及PH＝8条件下聚合而成。
2.根据权利要求1所述的深井低密度不泥浆，其特征在于填充剂为一种特细的球形颗粒，平均直径为0.15微米。
全文摘要
本发明涉及深井低密度水泥浆。解决了现有的水泥浆抗压强度及沉降稳定性差的问题。其特征在于其组分及配比按重量份如下水泥100份、水87～126份、填充剂5～10份、减轻剂45～70份，石英砂5～25份及降失水剂8～10份，其中填充剂为硅粉(SiO
文档编号C09K8/46GK1803967SQ20051012599
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月2日 优先权日2005年12月2日
发明者金永男, 杨智光, 贾维军, 高莉莉, 和传健, 徐永辉, 师忠南 申请人:大庆石油管理局