本发明属于固井技术领域，涉及一种提高水泥浆密度的方法，尤其涉及一种提高已复配完成的水泥浆密度的方法。
背景技术：
固井，是一种向油井中下套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业，是钻井作业中不可或缺的重要环节，固井包括下套管和注水泥两个过程，其中注水泥是套管入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固起来，以隔绝油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。
固井作业不仅关系到油气井能否顺利完成，还会影响投产后油气井的质量、寿命以及产量，且固井是一次性工程，如果质量不合格，即使采用挤水泥等补救方法也很难取得良好的效果，而且固井作业施工时间短，工作量大，对水泥浆的综合性能要求非常高，如果水泥浆设计不当会造成水泥浆闪凝、过度缓凝或者水泥石强度衰退等问题。
CN 1036598 A、CN 104263333 A、CN 102212350A与CN 105038743 A等对不同性质的水泥浆进行了研究，其中，CN 1036598 A公开了四氧化三锰颗粒可以添加到水泥浆中以提高水泥浆的密度，CN 104263333 A公开了一种适合超高温条件的超高密度水泥浆稳定剂，该稳定剂中添加了TiO2与Mn3O4以提高水泥浆的密度，CN 102212350 A公开了以赤铁矿、钛矿粉或磁铁矿提高水泥浆的密度，同样CN 105038743 A公开了以铁矿粉提高水泥浆的密度。但上述现有技术均为对水泥浆的组成进行讨论以提高复配水泥浆的密度，未对如何提高复配完成后的水泥浆的密度进行讨论。
通常情况下，混合水泥(包括水泥、硅粉、加重剂等按一定比例混合)通过水泥车运至固井现场，如果固井现场的井内压力升高到预测压力以上，就需要提高水泥浆的密度以适应井内压力，这就需要对混合水泥的组成进行重新计算，之后需要重新混合水泥、硅粉和加重剂等材料，影响固井进度与固井质量，而简单的通过减少水量来提高水泥浆的密度容易造成水泥浆闪凝与水泥浆混配困难、流动性差，无法满足施工要求等问题。
因此，开发一种简单易行的、不通过重新混合水泥、硅粉和加重剂等材料，能够现场安全快速提高水泥浆密度的方法，对于节省现场作业时间、提高固井质量、降低固井成本具有重要的意义。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种提高已复配完成的水泥浆密度的方法，所述方法操作简单，通过简单地操作即可提高已复配完成的水泥浆的密度，大大降低了固井的操作周期，提高了固井的质量，避免了固井水泥浆因井内压力变化造成的需要重新混合各种材料的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种提高已复配完成的水泥浆密度的方法，所述方法包括如下步骤：在已复配完成的水泥浆中添加增重剂，提高已复配完成的水泥浆的密度。
所述增重剂包括钛氧化物和/或锰氧化物。所述钛氧化物优选为TiO2，所述锰氧化物优选为Mn3O4。
优选地，所述增重剂为Mn3O4。
本发明使用特定选择的增重剂提高已复配完成的水泥浆的密度，通过本发明所述方法得到的提高密度后的水泥浆，失水率低、抗压强度高且稠度没有明显的变化，避免了降低水量来提高密度带来的混配困难以及闪凝的问题。
优选地，所述增重剂的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的10-50％，例如可以是10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％，优选为10-40％。提高增重剂的添加量可以提高水泥浆的密度，但过多的增重剂会对水泥浆的抗压强度以及稠度造成不利影响，因此本发明中增重剂的添加量为水泥浆中水泥质量的10-50％。
优选地，所述增重剂的粒径为1000-10000目，例如可以是1000目、2000目、3000目、4000目、5000目、6000目、7000目、8000目、9000目或10000目，优选为5000-8000目。水泥浆中存在大量的氢氧化钙、硅酸钙凝胶、水化硅酸铝、水化铁酸钙与水化硫铝酸钙，其中氢氧化钙可以析出为巨大的晶体，水化硫铝酸钙为较小晶体，水化铝酸钙为更小晶体，硅酸钙凝胶和水化铁酸钙呈现无定型胶体状态或纤维状薄片，添加特定粒径的增重剂后，不仅能够提高已复配完成的水泥浆的密度，还能够使增重剂颗粒更好地穿插在各种晶体之间，增强各种晶体结构与凝胶结构的粘结，使水泥浆强度不断提高。
优选地，所述已复配完成的水泥浆中按重量份数计包括90-110份水泥、110-130份铁矿粉、30-40份硅粉、0.5-1份消泡剂、1.5-2.5份分散剂、4-6份降失水剂、8-12份防气窜剂、2-3份缓凝剂与50-60份的水。
所述水泥的重量份数为90-110份，例如可以是90份、95份、100份、105份或110份，优选为100份；所述铁矿粉的重量份数为110-130份，例如可以是110份、115份、120份、125份或130份，优选为120份；所述硅粉的重量份数为30-40份，例如可以是30份、32份、35份、37份或40份，优选为35份；所述消泡剂的重量份数为0.5-1份，例如可以是0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份或1份，优选为0.9份；所述分散剂的重量份数为1.5-2.5份，例如可以是1.5份、1.7份、2份、2.2份或2.5份，优选为2份；所述降失水剂的重量份数为4-6份，例如可以是4份、4.5份、5份、5.5份或6份，优选为5份；所述防气窜剂的重量份数为8-12份，例如可以是8份、9份、10份、11份或12份，优选为10份；所述缓凝剂的重量份数为2-3份，例如可以是2份、2.2份、2.5份、2.8份或3份，优选为2.5份；所述水的重量份数为50-60份，例如可以是50份、52份、54份、56份、58份或60份，优选为54份。
优选地，所述水泥为G级油井水泥或H级油井水泥，G级油井水泥与H级油井水泥为基本油井水泥，本领域技术人员可以根据工艺需要进行合理地选择。
优选地，所述消泡剂包括有机硅消泡剂和/或高分子聚醚类消泡剂，优选为有机硅消泡剂。
优选地，所述分散剂包括聚醚型聚羧酸、聚酯型聚羧酸、酯醚复合聚羧酸、三聚氰胺甲醛树脂、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠或六偏磷酸钠中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括聚醚型聚羧酸于聚酯型聚羧酸的组合，聚酯型聚羧酸与酯醚复合聚羧酸的组合，三聚氰胺甲醛树脂与木质素磺酸钙的组合，木质素磺酸钙、木质素磺酸钠与六偏磷酸钠的组合，三聚氰胺甲醛树脂、木质素磺酸钙与木质素磺酸钠的组合或聚醚型聚羧酸、聚酯型聚羧酸、酯醚复合聚羧酸、三聚氰胺甲醛树脂、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠与六偏磷酸钠的组合，优选为聚醚型聚羧酸。
优选地，所述缓凝剂包括聚合物类缓凝剂、有机磷酸盐、木质素磺酸盐、磺化丹宁、丹宁酸钠或酒石酸中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括聚合物类缓凝剂与酒石酸的组合，有机磷酸盐与木质素磺酸盐的组合，有机磷酸盐与磺化丹宁的组合，木质素磺酸盐与丹宁酸钠的组合，磺化丹宁、丹宁酸钠与酒石酸的组合或有机磷酸盐、木质素磺酸盐、磺化丹宁、丹宁酸钠与酒石酸的组合。
本发明所述聚合物类缓凝剂为通过聚合技术将多种不同的功能性单体结合在一起、控制分子链长短与分子量大小的缓凝剂，包括AMPS/AA二元共聚物、AMPS/IA二元共聚物、含磺酸和羧酸基团的聚合物、含磷酸和羧酸基团的聚合物或接枝聚合物中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述降失水剂包括AMPS类聚合物、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素或羧甲基羟乙基纤维素中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括AMPS类聚合物降失水剂与羧甲基纤维素的组合，羧甲基纤维素与羟乙基纤维素的组合，羧甲基纤维素、羟乙基纤维素与羧甲基羟乙基纤维素的组合或AMPS类聚合物降失水剂、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素与羧甲基羟乙基纤维素的组合，优选为AMPS类聚合物。
优选地，所述防气窜剂包括硅质类、丁苯胶乳类或水性树脂类中的任意一种或至少两种的组合，优选为丁苯胶乳。
本发明所述水泥浆的复配方法为常规复配方法，本领域的技术人员可以根据工艺需要进行合理地选择，作为示例，本发明所述水泥浆的复配方法可以包括如下步骤：
(a)按配方量混合水泥、铁矿粉与硅粉，得到混合物A；
(b)在4000r/min条件下按配方量混合水、分散剂、降失水剂、缓凝剂、防气窜剂与消泡剂，得到混合物B，然后在4000r/min添加下、30S内混合混合物A与混合物B，得到所述已复配完成的水泥浆。
作为本发明提供方法的优选技术方案，所述方法包括如下步骤：在已复配完成的水泥浆中添加粒径为1000-10000目的Mn3O4，提高已复配完成的水泥浆的密度，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的10-50％。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明在已复配完成的水泥浆中添加特定选择的增重剂，使已复配完成的水泥浆密度与抗压强度得以提高，所述方法简单，便于操作，容易大规模推广，解决了固井过程中因为井内压力变化造成的水泥浆密度不合适而需要重新计算复配的问题，从而提高了固井效率与质量。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
制备例1
本制备例提供了一种已复配好的水泥浆，所述水泥浆按重量份数计包括100份水泥、120份铁矿粉、35份硅粉、0.9份消泡剂、2份分散剂、5份降失水剂、10份防气窜剂、2.5份缓凝剂与54份的水。
所述水泥为G级油井水泥；所述消泡剂为有机硅消泡剂；所述分散剂为聚醚型聚羧酸；所述降失水剂为AMPS聚合物；所述缓凝剂为木质素磺酸盐；所述防气窜剂为丁苯胶乳。
本发明所述水泥浆的复配方法的步骤如下：
(a)按配方量混合水泥、铁矿粉与硅粉，得到混合物A；
(b)在4000r/min条件下按配方量混合水、聚醚型聚羧酸、AMPS聚合物、木质素磺酸盐、丁苯胶乳与有机硅消泡剂，得到混合物B，然后在4000r/min添加下、30S内混合混合物A与混合物B，得到所述已复配完成的水泥浆。
所得已复配完成的水泥浆的密度为2.3g/cm3。
制备例2
本制备例提供了一种已复配好的水泥浆，所述水泥浆按重量份数计包括90份水泥、130份铁矿粉、30份硅粉、1份消泡剂、1.5份分散剂、6份降失水剂、8份防气窜剂、2份缓凝剂与60份的水。
所述水泥为G级油井水泥；所述消泡剂为有机硅消泡剂；所述分散剂为聚醚型聚羧酸；所述降失水剂为AMPS聚合物；所述缓凝剂为木质素磺酸盐；所述防气窜剂为丁苯胶乳。
本发明所述水泥浆的复配方法的步骤如下：
(a)按配方量混合水泥、铁矿粉与硅粉，得到混合物A；
(b)在4000r/min条件下按配方量混合水、聚醚型聚羧酸、AMPS聚合物、木质素磺酸盐、丁苯胶乳与有机硅消泡剂，得到混合物B，然后在4000r/min添加下、30S内混合混合物A与混合物B，得到所述已复配完成的水泥浆。
所得已复配完成的水泥浆的密度为2.27g/cm3。
制备例3
本制备例提供了一种已复配好的水泥浆，所述水泥浆按重量份数计包括110份水泥、110份铁矿粉、40份硅粉、0.5份消泡剂、2.5份分散剂、4份降失水剂、12份防气窜剂、3份缓凝剂与54份的水。
所述水泥为G级油井水泥；所述消泡剂为有机硅消泡剂；所述分散剂为聚醚型聚羧酸；所述降失水剂为AMPS聚合物；所述缓凝剂为木质素磺酸盐；所述防气窜剂为丁苯胶乳。
本发明所述水泥浆的复配方法的步骤如下：
(a)按配方量混合水泥、铁矿粉与硅粉，得到混合物A；
(b)在4000r/min条件下按配方量混合水、聚醚型聚羧酸、AMPS聚合物、木质素磺酸盐、丁苯胶乳与有机硅消泡剂，得到混合物B，然后在4000r/min添加下、30S内混合混合物A与混合物B，得到所述已复配完成的水泥浆。
所得已复配完成的水泥浆的密度为2.25g/cm3。
制备例4
本制备例提供了一种已复配好的水泥浆，所述水泥浆按重量份数计包括100份水泥、120份铁矿粉、35份硅粉、0.9份消泡剂、2份分散剂、5份降失水剂、10份防气窜剂、2.5份缓凝剂与适量的水，复配好的水泥浆的密度为2.38g/m3，其余均与制备例1相同。
实施例1
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.38g/m3。
实施例2
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为8000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的20％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.37g/m3。
实施例3
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为5000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的40％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.43g/m3。
实施例4
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为1000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的10％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.33g/m3。
实施例5
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为10000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的50％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.47g/m3。
实施例6
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的TiO2，所述TiO2的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.36g/m3。
实施例7
在制备例2提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.27g/m3升高至2.35g/m3。
实施例8
在制备例3提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.25g/m3升高至2.33g/m3。
实施例9
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的Mn3O4，所述Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的75％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.54g/m3。
对比例1
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的铁矿粉，所述铁矿粉的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所加铁矿粉与水泥浆无法充分混合。
对比例2
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的碳酸钙，所述碳酸钙的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所加碳酸钙与水泥浆无法充分混合。
对比例3
在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的碳酸钡，所述碳酸钡的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所加碳酸钡与水泥浆无法充分混合。
对制备例1-4提供的已复配完成的水泥浆以及实施例1-9提供的添加增重剂后的水泥浆的API失水，稠化时间以及抗压强度进行测试。其中，在90℃下使用沈航OWC-9710型失水仪测定API失水；在130℃、60MPa下使用Chandler8040D型水泥浆高温高压稠化仪测定稠化时间；在150℃、21MPa下使用沈航OWC-9490型高温高压养护釜把水泥试模养护24hr后，用沈阳金欧科YJ-2001型匀加荷压力试验机测定抗压强度；所得结果如表1所示。
表1
由表1可知，制备例1提供的已复配完成的水泥浆的密度为2.3g/cm3，90℃时的API失水为48mL，130℃、60MPa下的稠化时间为250min，抗压强度为20.6MPa。
实施例1在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加了粒径为6000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.38g/m3，且API失水仅由48mL升高至54mL，稠化时间仅由250min升高至275min，抗压强度由20.6MPa升高至21.5MPa。
实施例2在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加了粒径为8000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的20％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.37g/m3，且API失水仅由48mL升高至51mL，稠化时间仅由250min升高至283min，抗压强度由20.6MPa升高至22.7MPa。
实施例3在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加了粒径为5000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的40％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.43g/m3，且API失水由48mL降低至40mL，稠化时间由250min降低至247min，抗压强度由20.6MPa升高至23.2MPa。
实施例4在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加了粒径为1000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的10％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.33g/m3，API失水由48mL降低至45mL，稠化时间由250min升高至255min，抗压强度由20.6MPa升高至21.6MPa。
实施例5在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加了粒径为10000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的50％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.47g/m3，API失水由48mL降低至36mL，稠化时间由250min降低至230min，但抗压强度由20.6MPa升高至23.7MPa。
实施例6在制备例1提供的已复配完成的水泥浆中添加了添加粒径为6000目的TiO2，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.36g/m3，API失水由48mL升高至52mL，稠化时间由250min升高至266min，抗压强度由20.6MPa升高至21.1MPa
制备例2提供的已复配完成的水泥浆的密度为2.27g/cm3，90℃时的API失水为65mL，130℃、60MPa下的稠化时间为269min，抗压强度为15.7MPa。实施例7在制备例2提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.27g/m3升高至2.35g/m3，API失水由65mL升高至73mL，稠化时间由269min升高至286min，抗压强度由15.7MPa升高至16.4MPa。
制备例3提供的已复配完成的水泥浆的密度为2.25g/cm3，90℃时的API失水为57mL，130℃、60MPa下的稠化时间为287min，抗压强度为18.5MPa。实施例8在制备例3提供的已复配完成的水泥浆中添加粒径为6000目的Mn3O4，添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的25％，所得水泥浆的密度由2.27g/m3升高至2.33g/m3，API失水由57mL升高至64mL，稠化时间由287min升高至295min，抗压强度由18.5MPa升高至19.3MPa。
实施例1为添加适量的Mn3O4使制备例1提供的已复配完成的水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.38g/m3，且API失水、稠化时间变化幅度不大，抗压强度升高。而制备例4在不改变水泥、加重剂、硅粉、消泡剂、分散剂、降失水剂、防气窜剂以及缓凝剂添加量的情况下仅通过改变水的添加量以提高密度至2.38g/m3，所得水泥浆混浆困难，水泥浆稠度高，无法正常实验进行API失水、稠化时间以及抗压强度测试，更不能用于固井。
实施例9中Mn3O4的添加量为已复配完成的水泥浆中水泥质量的75％，高于应用例1中的25％，虽然所得水泥浆的密度由2.3g/m3升高至2.54g/m3，但抗压强度为19.3MPa，低于应用例1中的20.6MPa，考虑到实际应用中的成本问题，本发明将增重剂的添加量定为已复配完成的水泥浆质量的10-50％。
对比例1-3中分别使用铁矿粉、碳酸钙与碳酸钡替代Mn3O4作为增重剂，但铁矿粉、碳酸钙与碳酸钡无法与已复配完成的水泥浆充分混合，不能用来调节已复配完成的水泥浆的密度与抗压强度。
综上所述，本发明提供的方法能够提高已复配完成的水泥浆密度与抗压强度，且API失水以及稠化时间均未发生较大变化，克服了因地层压力升高，需要重新对水泥浆进行计算并重新复配的缺陷，提高了固井效率，进而提高了固井质量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。