一种用于含水合物地层的固井水泥浆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石油钻井工程领域固井注水泥技术，所用的低水化热水泥浆体 系，用于永冻层或深水含水合物地层的固井。
【背景技术】
[0002] 随着石油资源的勘探开发的不断拓展，目前勘探区域已经向深海及寒冷地区发 展。深水油气资源勘探开发不可避免地会遇到水合物地层。天然气水合物存在于低温高压 条件下，在温度0~1(TC，压力lOMPaW上，天然气水合物才会存在，一般存在于水深大于 300m的深海中，同时在永冻地层中也有可能存在。天然气水合物的平均组分为每5. 75摩尔 的水中包含1摩尔的天然气，密度为0. 9g/cm3,在压力IMPa、温度0°C的条件下，1升水合物 中含有168升天然气。因此当天然气水合物受热分解时，其体积将急剧膨胀，将导致巨大的 安全问题。
[0003] 要确保安全高效地开采深水水合物层W下的油气资源，必须保证水合物层的水合 物在钻采过程中还能稳定存在、不发生分解。深水固井时必须在固井水泥浆中加人低温促 凝剂W减少候凝时间达到缩短建井周期的目的，但常规的深水低温促凝剂会给水泥浆带来 大量的反应热，很有可能导致水合物层的水合物受热分解，影响水泥环的整体封隔性和固 井质量，威胁钻井平台安全。因此，常规的水泥浆无法适用于深水水合物层固井。
[0004][0005] 存在的主要问题：目前的早强水泥浆体系一般存在水化放热快，候凝期间环空温 度升得过高，会破坏水合物的稳定性，而降低水化热则又影响水泥的强度发展。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种用于含水合物地层的固井水泥浆。针对目前的早强水 泥浆水化放热量大，造成水泥浆候凝时期环空升温过高，引起永冻层或深水含水合物层不 稳定，导致固井气窜，井涌等严重后果，从促进水泥浆凝固和降低水泥浆的水化热两方面入 手，研制出了一种适用于水合物层固井的低水化热水泥浆体系，该体系早强效果明显、近似 直角稠化的特点，在有效缩短水泥浆凝固时间的同时，还不会给水泥浆带来大量反应热，能 保证水合物层的稳定性。
[0007] 本发明所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，按质量的百分比计：按低温低水 化热固井材料100%计，加入低密度减轻材料15~65%、减阻剂0. 5~2%、降失水剂0. 1~ 0. 5%、缓凝剂0. 1~3%、早强剂2~7%，水40~100%，水泥浆密度为1. 3~1. 7g/cm3。
[0008] 所述的低温低水化热固井材料其组分及质量百分比为；快硬铁铅酸盐水泥30~ 70%、火山灰质矿物20~50%、微细实必球形颗粒10~40%。
[0009] 所述的火山灰质矿物，是指天然或人工含有W活性氧化娃、活性氧化铅为主的矿 物质材料，经磨成细粉后与石灰加水混合，其粒度为20~100微米。
[0010] 所述的微细球形颗粒主要成分为Si〇2和Al2〇3,其成分为陶瓷粉、铁粉、铅粉或碳 酸巧粉，其粒度为2~5微米。
[0011] 所述的低密度减轻材料，为空必微珠，其粒径为40~250微米。主要成分为Si〇2 和AI2O3。
[0012] 所述的降失水剂为AMI^S共聚物。
[0013] 所述的减阻剂为聚駿酸盐类。
[0014] 所述的缓凝剂为巧樣酸、巧樣酸钢。
[0015] 所述的水为淡水、盐水或海水。
[0016] 所述的早强剂为化Cl2或偏铅酸钢。
[0017] 采用常规方法制备低水化热早强固井水泥浆，先将湿混外加剂与水混合均匀，将 水泥与低温增强材料及低密度减轻材料干混均匀，然后将液体与干物料混拌形成本产品。
[0018] ①采用快硬铁铅酸盐水泥保证水泥的早期强度发展，②加入具有胶凝活性的火山 灰质矿物，降低水泥的水化热，并保证水泥石的长期强度，⑨加入可降低水化热的微细球形 颗粒材料，降低水泥的总体水化热，并与水泥、火山灰质矿物及空必微珠形成颗粒级配，改 善低密度水泥浆性能。
[0019] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0020] 1.本低水化热早强固井水泥浆体系在低温下强度发展快，同时水化热最低可达到 常规水泥浆的1/2,使水泥浆候凝时温度低，不影响水合物稳定性，保证固井后的安全。
[0021] 2.本低水化热早强固井水泥浆体系采用颗粒级技术，提高水泥浆的性能，改善了 水泥浆机械性能，形成的水泥石渗透率低，长期稳定性好，静胶凝强度发展快，具有优良的 防气窜能力。
[0022] 3.本低水化热早强固井水泥浆体系具有流变性好、失水小、稠化时间易于调节，方 便现场施工。
[0023] 本发明的深水低水化热早强固井水泥浆体系解决了永冻层和深水含水合物层的 固井技术难题，在固井过程中可防止水合物的分解。
【具体实施方式】：
[0024] 采用常规方法，先将外加剂与水混合均匀，将水泥与低温增强材料及低密度减轻 材料干混均匀，然后将液体与干物料混拌形成本产品。
[00巧]所述的火山灰质矿物，是天然或人工含有W活性氧化娃、活性氧化铅为主的矿物 质材料，经磨成细粉后与石灰加水混合，其粒度为20~100微米。
[0026] 所述的微细球形颗粒主要成分为Si化和Al2〇3,其成分为陶瓷粉、铁粉、铅粉或碳 酸巧粉，其粒度为2~5微米。
[0027] 所述的低密度减轻材料，为空必微珠，其粒径为40~250微米。主要成分为Si〇2 和AI2O3。
[002引所述的降失水剂为AMPS共聚物。
[0029] 所述的减阻剂为聚駿酸盐类。
[0030] 所述的缓凝剂为巧樣酸、巧樣酸钢。
[0031] 所述的水为淡水、盐水或海水。
[0032] 所述的早强剂为CaClz或偏铅酸钢。
[0033] 实施例1
[0034] 配置密度1. 7g/cm3水泥浆：
[0035] 水泥浆配方：
[0036] 按质量百分比取快硬铁铅酸盐水泥30%，火山灰质矿物30%，微细球形颗粒40% 配置低温低水化热固井材料，加入空必微珠15 %，早强剂2 %，缓凝剂1. 6 %，水43 %，降失 水剂5%，0. 2%减阻剂。
[0037] 实施例2
[0038] 配置密度1. 5g/cm3水泥浆：
[0039] 水泥浆配方：
[0040] 按质量百分比取50 %快硬铁铅酸盐水泥，20 %火山灰质矿物，30 %微细球形颗粒 配置低温低水化热固井材料，加入32%笠必微珠,4%早强剂，0. 25%降失水剂，0. 5%续凝 剂，52%水，0. 3%减阻剂。
[00川 实施例3
[0042] 配置密度1. 3g/cm3水泥浆：
[0043] 水泥浆配方：
[0044] 配置低温低水化热固井材料70%快硬铁铅酸盐水泥，20%火山灰质矿物，10%微 细球形颗粒，加入65 %空必微珠，4 %早强剂，0. 3 %降失水剂，0. 45 %缓凝剂，70 %水，0. 3 % 消泡剂，2%减阻剂。。
[004引对比配方1 ;
[0046] 密度 1.SOg/cm]
[0047] 80 %油井水泥，20 %超细水泥，空必微珠42 %，水75 %，氯化巧2. 5 %，水44%。
[0048][0050] 密度 1.72g/cm3
[0051] 油井水泥32. 40%，超细矿渣32. 02%，粉煤灰28. 42%，石膏4. 01%，水44 %， CaOO. 5%，硫酸钢 1%。
[00閲对比配方3:
[0053] 密度 1. 36g/cm3
[0054] 油井水泥32. 40%，超细矿渣32. 02%，粉煤灰28. 42%，石膏4. 01%，水70 %， CaOO. 5 %，硫酸钢1 %，中空微珠28 %。
[005引按照API10标准进行水泥浆性能测试：
[0056] 水泥浆性能如下表：
[0057]
【主权项】
1. 一种用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：按质量的百分比计：由按低温 低水化热固井材料100%计，分别加入低密度减轻材料15~65%、减阻剂0. 5%~2%、降 失水剂0. 1 %~0.5%、缓凝剂0. 1 %~3%、早强剂2%~7%，水40~100%组成，水泥浆 密度为1. 3~I. 7g/cm3。2. 根据权利要求1所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的低温 低水化热固井材料其组分及质量百分比为：快硬铁铝酸盐水泥30%~70%、火山灰质矿物 20%~50%、微细实心球形颗粒10%~40%。3. 根据权利要求2所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的火山 灰质矿物，是指天然或人工含有以活性氧化硅、活性氧化铝为主的矿物质材料，经磨成细粉 后与石灰加水混合，其粒度为20~100微米。4. 根据权利要求2所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的微细 实心球形颗粒主要成分为SiO2和Al2O3，其粒度为2~5微米。5. 根据权利要求1所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的低密 度减轻材料，为空心微珠，主要成分为SiO2和Al2O3,，其粒径为40~250微米。6. 根据权利要求1所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的降失 水剂为AMPS共聚物。7. 根据权利要求1所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的减阻 剂为聚羧酸盐类。8. 根据权利要求1所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的缓凝 剂为朽1檬酸、梓檬酸钠。9. 根据权利要求1所述的用于含水合物地层的固井水泥浆，其特征在于：所述的水为 淡水、盐水或海水。
【专利摘要】本发明涉及一种用于含水合物地层的固井水泥浆；按质量的百分比计：由按低温低水化热固井材料100％计，分别加入低密度减轻材料15～65％、减阻剂0.5％～2％、降失水剂0.1％～0.5％、缓凝剂0.1％～3％、早强剂2％～7％，水40～100％组成，水泥浆密度为1.3～1.7g/cm3；与常规水泥浆体系相比，该水泥浆体系水化热大幅度降低，使其水化时温度升高较小，可应用于含水合物地层的固井。
【IPC分类】C09K8/487, C09K8/473, C09K8/467, C04B28/06
【公开号】CN105199691
【申请号】CN201410285747
【发明人】席方柱, 刘爱萍, 孙富全, 谭文礼, 熊钰丹, 王翀
【申请人】天津中油渤星工程科技有限公司, 中国石油天然气集团公司, 中国石油集团海洋工程有限公司
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2014年6月23日