本发明属于固井用水泥浆体系技术领域，尤其涉及一种早强防窜固井水泥浆及制备方法。
背景技术：
现有油田多数老区块已进入调整稳定阶段，由于长期高压注水开采以及部分老井套管破损，造成地下原始压力系统发生了很大改变，纵向剖面上形成多压力层系，层间压力各异，层内压力不平衡，水泥浆很难满足各层压力需求，极易发生油气水窜。而且，底水油藏地层中流体相对活跃，在水泥浆凝固过程中很容易侵入井筒，污染水泥浆，影响固井质量。主力油层都不同程度地存在着油水同层、底水活跃、底水推进、水淹、油气水窜、地层压力异常等严重影响油田生产的不利因素。由于上述诸多问题的存在，使得多年以来底水油藏固井一直是一个大难题，油层段水泥封固质量差，上部低密度声幅值偏高，个别井油层段水泥胶结过差，只有通过挤水泥补救来达到射孔作业要求。这不仅增加了施工周期，极大的降低了工作的效率，从经济角度来讲，也大大的增加了成本。
我国大部分陆上油田均已进入高含水开发后期，即使新开发的油藏也大多采用早期注水开发方式保持地层产能，水窜问题较为突出。各油田虽针对各自地层特点对水窜问题进行了一些研究，也取得了相应研究成果，但由于受防水窜机理、防水窜材料及防水窜评价方法等的限制，水窜问题仍是各油田普遍面临的技术难题。国外则由于受油田现状、开发模式等的影响，水窜问题较少，无相关技术报道。现有的水泥浆存在以下问题：1、专利200410092887.8存在微硅需要大量水会影响水泥石强度，对水灰比的敏感性强，密度降低受限，抗温性能差、主要用浅层，稠化时间短，2、专利200910243240.3的密度高、失水大，3、专利200710120029.3稠度高，难以形成静凝胶强度发展慢，失水高，4、专利201010268763.6失水高，稠化时间太长，抗压强度低；因此研发一种早强防窜固井水泥浆及制备方法很有市场前景。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种早强防窜固井水泥浆及制备方法，克服了现有技术中1：存在微硅需要大量水会影响水泥石强度，对水灰比的敏感性强，密度降低受限，抗温性能差、主要用浅层，稠化时间短；2：密度高、失水大、稠度高、难以形成静凝胶强度发展慢；3：稠化时间太长，抗压强度低等问题。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥95~105份、膨胀剂1～3份、锁水剂0.5～2份、降失水剂3～6份、水45~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥100份、膨胀剂1～2份、锁水剂0.5～1份、降失水剂4～5份、水45~50份。
优选的，所述膨胀剂为聚合氯化铝，其中聚合氯化铝的细度为40目筛≤10%，密度为1.85g/cm3。
优选的，所述锁水剂为硫酸钾配合物，其中硫酸钾配合物由硫酸钾、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁和五氧化二磷组成，其中各组分的重量百分含量为：硫酸钾70~80%、氧化铝15~20%、氧化铁0.1~1%、氧化钙1~5%、氧化镁0.1~1%、五氧化二磷0.5~3%。
优选的，所述硫酸钾配合物各组分的重量百分含量为：硫酸钾79.5%、氧化铝15.8%、氧化铁0.3%、氧化钙2.54%、氧化镁0.36%、五氧化二磷1.5%。
优选的，所述降失水剂为硫酸铵和/或二苯胺硫酸盐，其中降失水剂为硫酸铵和二苯胺硫酸盐时，硫酸铵和二苯胺硫酸盐的重量比为2：1~1：2。
优选的，一种如上任一项所述的早强防窜固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）配制锁水剂；
步骤2）按照重量份为水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份分别称取水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水；
步骤3）在搅拌的情况下依次将膨胀剂、锁水剂、降失水剂加入水中；
步骤4）将水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆。
优选的，所述步骤3）将膨胀剂、锁水剂、降失水剂加入水中的时间小于60s。
优选的，所述步骤4）中搅拌是先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为30~60min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为20~40min，得到所述早强防窜固井水泥浆。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本发明将水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水按一定比例混配，得到的水泥浆水灰比为0.36~0.61，密度为1.85～1.91g/cm3，稠化时间为50～80分钟，水泥石渗透率小于0.1×10-3μm2，50℃/24h抗压强度大于20mpa，加压养护最大抗压强度为25.5mpa，具有极好的悬浮稳定性，同时能使水泥浆保持低密度和高强度，具有良好的流动性，由于稠化时间短、抗压强度大，低密度水泥石的抗压强度及致密性能够使水泥一次上返，从而实现水泥返高到位，实现防止水窜，提高低压易漏井段的固井质量，通过测胶结质量，本发明水泥浆固井质量优良；
（2）本发明水泥浆稠化后得到的水泥石的致密性及抗压强度高，水泥石渗透率小于0.1×10-3μm2，50℃/24h抗压强度大于20mpa，最大抗压强度25.5mpa，满足压裂改造要求；
（3）本发明初始稠度小，有利于现场混配、减小流动阻力，且高温性能稳定，稠化时间可调，根据膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水的加量；本发明水泥浆低温高强，强度发展快，低密度配浆稳定性好，上下密度差小于0.02g/cm3，具有极好的悬浮稳定性，水泥浆返高达到设计要求，保护了套管，减少了腐蚀，延长了油井寿命，其经济效益不可估量；
（4）本发明水泥浆所用材料多来自市场，成本低，现场维护操作方便，本发明水泥浆的制备方法简便，利于实现。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明所述水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂均为市购产品，其中水泥选用高抗硫硅酸盐水泥，膨胀剂选择聚合氯化铝，锁水剂选择硫酸钾配合物，降失水剂选择硫酸铵和/或二苯胺硫酸盐。
以下实施例的重量份每份为20g，所述的百分含量均为重量百分含量。
实施例1
本发明公开了一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
实施例2
本发明公开了一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥95~105份、膨胀剂1～3份、锁水剂0.5～2份、降失水剂3～6份、水45~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥100份、膨胀剂1～2份、锁水剂0.5～1份、降失水剂4～5份、水45~50份。
实施例3
本发明公开了一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥95~105份、膨胀剂1～3份、锁水剂0.5～2份、降失水剂3～6份、水45~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥100份、膨胀剂1～2份、锁水剂0.5～1份、降失水剂4～5份、水45~50份。
优选的，所述膨胀剂为聚合氯化铝，其中聚合氯化铝的细度为40目筛≤10%，密度为1.85g/cm3。
实施例4
本发明公开了一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥95~105份、膨胀剂1～3份、锁水剂0.5～2份、降失水剂3～6份、水45~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥100份、膨胀剂1～2份、锁水剂0.5～1份、降失水剂4～5份、水45~50份。
优选的，所述膨胀剂为聚合氯化铝，其中聚合氯化铝的细度为40目筛≤10%，密度为1.85g/cm3。
优选的，所述锁水剂为硫酸钾配合物，其中硫酸钾配合物由硫酸钾、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁和五氧化二磷组成，其中各组分的重量百分含量为：硫酸钾70~80%、氧化铝15~20%、氧化铁0.1~1%、氧化钙1~5%、氧化镁0.1~1%、五氧化二磷0.5~3%。
优选的，所述硫酸钾配合物各组分的重量百分含量为：硫酸钾79.5%、氧化铝15.8%、氧化铁0.3%、氧化钙2.54%、氧化镁0.36%、五氧化二磷1.5%。
实施例5
本发明公开了一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥95~105份、膨胀剂1～3份、锁水剂0.5～2份、降失水剂3～6份、水45~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥100份、膨胀剂1～2份、锁水剂0.5～1份、降失水剂4～5份、水45~50份。
优选的，所述膨胀剂为聚合氯化铝，其中聚合氯化铝的细度为40目筛≤10%，密度为1.85g/cm3。
优选的，所述锁水剂为硫酸钾配合物，其中硫酸钾配合物由硫酸钾、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁和五氧化二磷组成，其中各组分的重量百分含量为：硫酸钾70~80%、氧化铝15~20%、氧化铁0.1~1%、氧化钙1~5%、氧化镁0.1~1%、五氧化二磷0.5~3%。
优选的，所述硫酸钾配合物各组分的重量百分含量为：硫酸钾79.5%、氧化铝15.8%、氧化铁0.3%、氧化钙2.54%、氧化镁0.36%、五氧化二磷1.5%。
优选的，所述降失水剂为硫酸铵和/或二苯胺硫酸盐，其中降失水剂为硫酸铵和二苯胺硫酸盐时，硫酸铵和二苯胺硫酸盐的重量比为2：1~1：2。
实施例6
本发明公开了一种早强防窜固井水泥浆，所述水泥浆由水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水组成，其中各组分的重量份为：水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥95~105份、膨胀剂1～3份、锁水剂0.5～2份、降失水剂3～6份、水45~55份。
优选的，所述各组分的重量份为：水泥100份、膨胀剂1～2份、锁水剂0.5～1份、降失水剂4～5份、水45~50份。
优选的，所述膨胀剂为聚合氯化铝，其中聚合氯化铝的细度为40目筛≤10%，密度为1.85g/cm3。
优选的，所述锁水剂为硫酸钾配合物，其中硫酸钾配合物由硫酸钾、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁和五氧化二磷组成，其中各组分的重量百分含量为：硫酸钾70~80%、氧化铝15~20%、氧化铁0.1~1%、氧化钙1~5%、氧化镁0.1~1%、五氧化二磷0.5~3%。
优选的，所述硫酸钾配合物各组分的重量百分含量为：硫酸钾79.5%、氧化铝15.8%、氧化铁0.3%、氧化钙2.54%、氧化镁0.36%、五氧化二磷1.5%。
优选的，所述降失水剂为硫酸铵和/或二苯胺硫酸盐，其中降失水剂为硫酸铵和二苯胺硫酸盐时，硫酸铵和二苯胺硫酸盐的重量比为2：1~1：2。
优选的，一种如上任一项所述的早强防窜固井水泥浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）配制锁水剂；
步骤2）按照重量份为水泥90~110份、膨胀剂1～5份、锁水剂0.5～3份、降失水剂2～8份、水40~55份分别称取水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水；
步骤3）在搅拌的情况下依次将膨胀剂、锁水剂、降失水剂加入水中；
步骤4）将水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆。
优选的，所述步骤3）将膨胀剂、锁水剂、降失水剂加入水中的时间小于60s。
优选的，所述步骤4）中搅拌是先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为30~60min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为20~40min，得到所述早强防窜固井水泥浆。
实施例7
步骤1）配制锁水剂，其中硫酸钾70%、氧化铝20%、氧化铁1%、氧化钙5%、氧化镁1%、五氧化二磷3%；
步骤2）称取高抗硫硅酸盐水泥90份、聚合氯化铝1份、锁水剂0.5份、硫酸铵2份、水40份；
步骤3）在搅拌的情况下依次将聚合氯化铝、锁水剂、硫酸铵加入水中，时间小于60s；
步骤4）将高抗硫硅酸盐水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆，其中先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为30min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为20min。
实施例8
步骤1）配制锁水剂，其中硫酸钾80%、氧化铝15%、氧化铁0.5%、氧化钙3%、氧化镁0.5%、五氧化二磷1%；
步骤2）称取高抗硫硅酸盐水泥110份、聚合氯化铝5份、锁水剂3份、二苯胺硫酸盐8份、水55份；
步骤3）在搅拌的情况下依次将聚合氯化铝、锁水剂、二苯胺硫酸盐加入水中，时间小于60s；
步骤4）将高抗硫硅酸盐水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆，其中先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为60min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为40min。
实施例9
步骤1）配制锁水剂，其中硫酸钾75%、氧化铝18%、氧化铁0.2%、氧化钙4%、氧化镁0.8%、五氧化二磷2%；
步骤2）称取高抗硫硅酸盐水泥95份、聚合氯化铝1份、锁水剂0.5份、硫酸铵和二苯胺硫酸盐3份、水45份；
步骤3）在搅拌的情况下依次将聚合氯化铝、锁水剂、硫酸铵和二苯胺硫酸盐加入水中，时间小于60s；
步骤4）将高抗硫硅酸盐水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆，其中先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为40min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为25min。
实施例10
步骤1）配制锁水剂，其中硫酸钾77%、氧化铝16%、氧化铁0.6%、氧化钙3%、氧化镁0.4%、五氧化二磷3%；
步骤2）称取高抗硫硅酸盐水泥105份、聚合氯化铝3份、锁水剂2份、硫酸铵6份、水50份；
步骤3）在搅拌的情况下依次将聚合氯化铝、锁水剂、硫酸铵加入水中，时间小于60s；
步骤4）将高抗硫硅酸盐水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆，其中先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为35min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为30min。
实施例11
步骤1）配制锁水剂，其中硫酸钾79.5%、氧化铝15.8%、氧化铁0.3%、氧化钙2.54%、氧化镁0.36%、五氧化二磷1.5%；
步骤2）称取高抗硫硅酸盐水泥100份、聚合氯化铝1份、锁水剂0.5份、二苯胺硫酸盐4份、水45份；
步骤3）在搅拌的情况下依次将聚合氯化铝、锁水剂、二苯胺硫酸盐加入水中，时间小于60s；
步骤4）将高抗硫硅酸盐水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆，其中先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为30min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为25min。
实施例12
步骤1）配制锁水剂，其中硫酸钾79.5%、氧化铝16%、氧化铁0.5%、氧化钙2.44%、氧化镁0.26%、五氧化二磷1.3%；
步骤2）称取高抗硫硅酸盐水泥100份、聚合氯化铝2份、锁水剂1份、硫酸铵和二苯胺硫酸盐5份、水48份；
步骤3）在搅拌的情况下依次将聚合氯化铝、锁水剂、硫酸铵和二苯胺硫酸盐加入水中，时间小于60s；
步骤4）将高抗硫硅酸盐水泥加入步骤3）的混合物中，进行搅拌得到所述早强防窜固井水泥浆，其中先在转速为12000r/min下搅拌，搅拌时间为35min，然后在转速为4000r/min下搅拌，搅拌时间为20min。
上述实施例7~12水泥浆的性能测试结果具体见表1、2：
表1实施例7~12水泥浆的性能测试参数
表2实施例7~12水泥浆的性能测试参数
本发明按线性堆积密度模型，应用紧密堆积原理，开发超细增强外掺料，从水窜机理、固井防水窜材料及防水窜固井工艺三个方面进行了调研分析并进行研发得到本发明水泥浆，将水泥、膨胀剂、锁水剂、降失水剂、水按一定比例混配，从表1可以看出，该水泥浆的水灰比为0.36~0.61，密度为1.85～1.91g/cm3，密度较低，初始稠度为12~15，初始稠度小，有利于现场混配、减小流动阻力，稠化时间为50～80分钟，从流变性能数据可以看出具有良好的流动性，自由水的含量为0，失水量为0，失水量低，水泥石渗透率小于0.1×10-3μm2，并且具有极好的悬浮稳定性；从表2可以看出，50℃/4h常压养护下抗压强度大于10.5mpa，50℃/8h常压养护下抗压强度大于17.5mpa，50℃/24h常压养护下抗压强度大于20mpa，加压养护(21mpa4h)最大抗压强度为13.6mpa，加压养护(21mpa8h)最大抗压强度为20.6mpa，加压养护(21mpa24h)最大抗压强度为25.5mpa，本发明水泥浆具有极好的悬浮稳定性，同时能使水泥浆保持低密度和高强度，由于稠化时间短、抗压强度大，低密度水泥石的抗压强度及致密性能够使水泥一次上返，从而实现水泥返高到位，实现防止水窜，提高低压易漏井段的固井质量，通过测胶结质量，本发明水泥浆固井质量优良。
本发明水泥浆的密度为1.85～1.91g/cm3，可以应用于油层、储层封固，现有技术的水泥浆密度低，只能用于浅层封固。
本发明水泥浆稠化后得到的水泥石的致密性及抗压强度高，水泥石渗透率小于0.1×10-3μm2，50℃/24h抗压强度大于20mpa，最大抗压强度25.5mpa，满足压裂改造要求。
本发明初始稠度小，有利于现场混配、减小流动阻力，且高温性能稳定，稠化时间可调，根据膨胀剂、锁水剂、降失水剂和水的加量；本发明水泥浆低温高强，强度发展快，低密度配浆稳定性好，上下密度差小于0.02g/cm3，具有极好的悬浮稳定性；本发明水泥浆所用材料多来自市场，成本低，现场维护操作方便，本发明水泥浆的制备方法简便，利于实现。
本发明的效益还体现在如下方面：
（1）假如未封固好，需进行二次固井作业，所需费用如下：
a．挤一次水泥需5～6天时间，以挤水泥需五天计算；依据钻井队日费开资5万元/日计算，可节约钻井队日费开支25（万元）。
b．井深平均按2400米计算，一口井使用31/2产钻杆258根，每根日租赁费20元/根，平均每口井小钻杆租赁费25800元。
c．反挤水泥1台供水车，2台水泥车，1台灰罐车，水泥10吨，平均挤水泥两次，所需费用约8万元。
d．电测费用，按1万元计算。
e．射孔费用：按3万元计算。
f．试压费用，按0.4万元计算。
总计节约：25+2.58+8+1+3+0.4=39.98万元。
本发明的低密高强防漏水泥浆体系具有密度较低，强度高，水泥返高达到设计要求，保护了套管，减少了腐蚀，延长了油井寿命，其经济效益不可估量。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。上述所涉及的试剂均可以从市场上购得。