一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系的制作方法

1.本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系。


背景技术：

2.高寒冻土层固井及深水低温固井均存在低温及超低温条件下水泥浆水化速度慢，候凝时间长、浅层油气水窜、松软地层易发生坍塌等问题。目前在国内超低温下固井水泥浆研究鲜见报道，国外的做法主要是高铝水泥浆体系、g级水泥加超细水泥的水泥浆体系以及g级水泥加促凝剂体系，高铝水泥浆虽然在低温下强度发展较快，但却存在后期强度严重衰退的问题，g级水泥加超细水泥浆体系存在浆体稠度高、防窜性能差、现场施工不易泵送的问题，g级水泥加促凝剂体系常存在超低温条件下水泥浆不能较好地缩短稠化时间，候凝时间长、水泥浆水化放热明显、防窜性能差的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有技术中存在超低温下水泥浆的候凝时间长的问题，从而提出的一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
5.一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系，包括以下重量份的原料：符合gb10238标准要求的g级或c级油井水泥100份，低温早强剂1～5份，低温降失水剂1～3份，低温促凝剂1～4份，微晶膨胀剂0.2～2.5份，低温胶结激活剂0.5～5份，消泡剂0.1～0.6份，选用g级水泥用水量为水44份，选用c级水泥用水量为56份。
6.优选的，所述g级油井水泥为符合gb10238标准要求的g级高抗硫酸盐油井水泥，成份中硅酸三钙含量为60％-65％、硅酸二钙含量为14％-19％、铝酸三钙含量为1.0％～2.0％、铁铝酸四钙含量为10％～15％、三氧化硫含量为0.5％～2.0％、氧化镁含量为0.5％～5.0％、细度300m2/kg-400m2/kg，所述c级油井水泥为符合gb10238标准要求的c级高抗硫酸盐油井水泥，成份中硅酸三钙含量为60％～75％、硅酸二钙含量为13％～16％、铝酸三钙含量为1.5％～3.0％、氧化镁含量为3.0％～5.0％、三氧化硫含量为2.5％～3.0％、细度440m2/kg～500m2/kg。
7.优选的，所述低温早强剂主要成份有：甲酸钙、硫铝酸钙、纳米金属硅、偏铝酸钠、甲酰胺、改性氧化钙，各组分的质量百分数为：甲酸钙12％～20％、硫铝酸钙12％～18％、甲酰胺12％～15％、纳米金属硅10％～15％、偏铝酸钠、改性氧化钙均为微量。低温早强剂的制备工艺如下：将甲酸钙、硫铝酸钙、纳米金属硅置于滚筒式搅拌器，搅拌过程中通过小号加料口加入改性氧化钙，混合1h，配制适宜浓度的偏铝酸钠溶液以及适宜浓度甲酰胺溶液依次喷雾并搅拌，以适当工艺低温干燥1天～2天，过筛研磨、混合搅拌30min。
8.优选的，所述低温促凝剂主要成份有：硫酸铝、碱式氧化铝、硫酸钾、氯化钾、氟硅酸钠、三乙醇胺、三异丙醇胺、缓释剂等，各组分的质量百分数为：硫酸铝10％～16％、碱式
氧化铝12％～16％、硫酸钾10％～12％、氯化钾8％～12％、氟硅酸钠6％～10％、三乙醇胺、三异丙醇胺、缓释剂均为微量。低温促凝剂制备工艺：将硫酸铝、碱式氧化铝、硫酸钾、氯化钾进行混合搅拌，将三乙醇胺、三异丙醇胺、缓释剂配制成适宜浓度的混合溶液，三乙醇胺、三异丙醇胺、缓释剂质量比为2.5：1.5：6，固体粉末搅拌过程中用混合溶液雾化拌合10min，以适当工艺低温干燥1天～2天，过筛研磨、混合搅拌30min。
9.优选的，所述低温胶结激活剂主要成份有：超细矿渣微晶核、无水铝酸钠、硫酸铝、改性硫酸钙晶须、氧化镁、高岭土、过硫酸铵，各组分的质量百分数为：超细矿渣微晶核25％-35％、改性硫酸钙晶须18-25％、过硫酸铵12％-25％、高岭土8％-15％、无水铝酸钠、氧化镁为微量。低温胶结激活剂制备工艺：首先制备超细矿渣微晶核，将熟石灰、矿渣粉、超细石英粉以1.5～2.0：5.0～7.0：1.5～2.0的比例进行充分混合，置入蒸压釜内，压力控制为0.7mpa,温度70℃，时间保持6h，充分搅拌再在0.7mpa,温度70℃，保持3h,泄压后尽可能快地置入旋转式烘箱内105℃脱水，降温并充分研磨，使其比表面积为500m2/kg～560m2/kg，即形成超细矿渣微晶核；将超细矿渣微晶核、硫酸铝、改性硫酸钙晶须、无水铝酸钠、氧化镁、高岭土、过硫酸铵按一定比例混合并充分混合均匀。
10.优选的，所述微晶膨胀剂主要成份有：铝酸钠、硝酸钾、硫铝酸钙、硫代硫酸钠、超细云母、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素，各组分的质量百分数为：硝酸钾18％～22％、铝酸钠18％～22％、硫代硫酸钠10％～15％、超细云母12％～18％、硫铝酸钙8％～12％、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素均为微量。微晶膨胀剂制备工艺：将硝酸钾、铝酸钠、超细云母、硫铝酸钙进行混合搅拌充分，配制适宜浓度的硫代硫酸钠溶液进行雾化再搅拌，50℃干燥一天粉碎研磨，再加入聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素混合搅拌1h即得成品。
11.优选的，适用于冻土层的低温降失水剂可由聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素等一种或几种复合材料组成，不局限于本公司生产的降失水剂，其配伍性能要求：
①
无缓凝效应、
②
对浆体稠度无明显影响、
③
对水泥石强度无不良影响；
12.优选的，所述低温早强剂早期强度之比≥1.35、24h强度之比≥1.2、稠化时间之比≤1.0、初始稠度≤30bc、游离液≤0.5％。
13.优选的，所述低温促凝剂抗压强度之比≥1.2、稠化时间之比≤0.5、游离液≤1.0％、初始稠度≤30bc。
14.优选的，所述低温降失水剂失水量≤50ml、40bc～100bc的时间≤30min、初始稠度≤30bc、游离液≤1.4％。
15.所述微晶膨胀剂48h相对膨胀率0.4％～3.2％、稠化时间变化值
±
30min、稠化线形突变值≤10bc、过渡时间≤40min。
16.优选的，所述低温胶结激活剂24h强度之比≥1.2、初始稠度≤30bc、稠化线形突变值≤5bc。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
18.本发明可大幅缩短水泥浆的稠化时间，稠化时间易调，初始稠度适中，利于现场配浆注替，利于快速封固油气层。
19.本发明可实现短候凝需要，胶凝强度发展速度快，0℃48h强度可达14mpa；-4℃48h强度可达10mpa，形成的水泥石具有微膨胀性、水泥石致密有韧性，有着较高的早期强度及稳定的后期强度，确保超低温油气水层长效封固质量及长期开发的需要。
20.本发明失水易于控制，浆体稳定性好，胶凝结构发展速度快，可较好地控制油气水窜，确保固井质量。
附图说明
21.图1为本发明提出的一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系中促凝剂的加量关系图；
22.图2为本发明提出的一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系中早强剂的加量关系图；
23.图3为本发明提出的一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系中低温胶凝激活剂的加量关系图；
24.图4为祁参1井表层固井声幅图；
25.图5为适用于冻土层固井的早强水泥浆体系的15℃稠化曲线图；
26.图6为适用于冻土层固井的早强水泥浆体系的4℃稠化曲线图；
27.图7为适用于冻土层固井的早强水泥浆体系的0℃稠化曲线图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.试验前将水泥及外加剂和搅拌设备应预先冷却至-7℃，拌合水应预先冷却至1℃。水泥浆的制备及试验方法依据《sy/t 19139油井水泥试验方法》执行，混合后应立即记录水泥浆的温度，对全部试验，都应测量并记录其温度。
30.实施例一
31.本发明提出的一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系，包括以下重量份的原料：嘉华g级油井水泥100份，低温早强剂2.5份，低温降失水剂3份，低温促凝剂3份，微晶膨胀剂2份，低温胶结激活剂2份；消泡剂0.2份；水44份。实施例中低温早强剂、低温胶结激活剂、低温促凝剂、低温降失水剂、微晶膨胀剂均为我公司产品。
32.实施例二
33.本实施例是一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系，包括以下重量份的原料：天山c级油井水泥100份，低温早强剂2份，低温降失水剂3份，低温促凝剂3份，微晶膨胀剂1.5份，低温胶结激活剂2份；消泡剂0.2份；水56份。实施例中低温早强剂、低温胶结激活剂、低温促凝剂、低温降失水剂、微晶膨胀剂均为我公司产品。
34.对比例1
35.g级油井水泥100份，水44份。
36.对比例2
37.青海油田低温超低温井常用配方：g级油井水泥100份，早强剂(欧美克)2.0份，低温降失水剂(明华化工)3份，低温促凝剂(中油渤星)3.0份，膨胀剂(卫辉化工)2份，消泡剂(卫辉化工)0.2份，水44份，水泥浆密度1.90g/cm3。
38.对比例1、2与实施例1、2检测数据如下表：
39.[0040][0041]
检测结果显示：本发明可大幅缩短水泥浆的稠化时间，稠化时间易调，初始稠度适中，利于现场配浆注替，利于快速封油气层；可实现短候凝需要，0℃24h强度可达8mpa，48h强度可达14mpa；-4℃48h强度可达10mpa。形成的水泥石具有微膨胀性、水泥石致密有韧性，有着较高的早期强度及稳定的后期强度，确保超低温油气水层长效封固质量及长期开发的需要。本发明失水可控制在50ml以内，浆体稳定性好，胶凝结构发展速度快，可较好地控制油气水窜。
[0042]
实施例中应用的低温早强剂是提高冻土层固井水泥浆早期强度稳定提高后期强度的重要技术措施，主要成份有：甲酸钙、硫铝酸钙、纳米金属硅、偏铝酸钠、甲酰胺、改性氧化钙；
[0043]
实施例中应用的低温促凝剂有效缩短冻土层固井水泥浆稠化时间，加速水泥浆凝结速度，并有助于提高水泥石早期强度，其成份主要有：硫酸铝、碱式氧化铝、硫酸钾、氯化钾、氟硅酸钠、三乙醇胺、三异丙醇胺等；
[0044]
实施例中应用的低温胶结激活剂是确保冻土层固井水泥浆在低温及超低温条件水化活性的重要技术措施，其主要成份有：超细矿渣微晶核、无水铝酸钠、硫酸铝、改性硫酸钙晶须、氧化镁、高岭土、过硫酸铵。
[0045]
实施例中应用的低温膨胀剂其主要成份有：铝酸钠、硝酸钾、硫铝酸钙、硫代硫酸钠、超细云母、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素；
[0046]
实施例中应用的低温降失水剂其主要成份有：聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、硝酸钾、硫代硫酸钠，低温降失水剂具有低温下良好的降失水性能，对浆体稠度无影响，无缓凝现象，有利于提高水泥石强度，与其它外加剂相容性好，亦可以使用市场其它相似同类性能的低温降失水剂。
[0047]
实施例中：
[0048]
确保冻土层固井质量的一项水泥浆的技术要求有：1、水泥浆的稠化时间满足短候凝的需要；2、提高水泥石抗压强度；3、超低温条件下水泥浆较好的水化活性；4、水泥石的微膨胀性。
[0049]
1、稠化时间的控制
[0050]
在本技术中稠化时间控制以低温促凝剂调节为主，其加量规律见图1。
[0051]
配方：嘉华g级水泥+低温早强剂1.0％+低温促凝剂调节+h2o44％
[0052]
低温促凝剂有良好的线性关系，稠化时间易于调节，其加量随基础配方的改变会有所改变。
[0053]
2、水泥石早期强度的提高
[0054]
本技术中水泥石强度的提高主要以调节低温早强剂为主，低温早强剂随加量的增加，其早强性能显著提高，加量关系见图2；
[0055]
配方：嘉华g级水泥+激活剂0.5％+低温早强剂调节+h2o44％
[0056]
随着早强剂加量的增大，早期强度显著提高，该早强剂同样适用于低密度水泥浆。应用中配以低温早强剂、低温胶结激活剂、高强水泥可取得更优化的效果。
[0057]
3、水泥浆在超低温条件下水化活性的提高
[0058]
本技术中低温胶结激活剂是确保冻土层固井水泥浆在低温及超低温条件下水化活性的重要技术措施，应用中的加量关系见图3。
[0059]
配方：jhg+低温促凝剂1.0％+低温激活剂调节+h2o 44％
[0060]
低温胶结激活剂不仅可提高水泥浆在超低温条件下的水化活性，在低密度水泥浆中亦可激发水泥浆中外掺料的活性，提高水泥石抗压强度。
[0061]
4、水泥石微膨胀性能的控制
[0062]
在本技术中水泥石的微膨胀性主要由微晶膨胀剂来调节，其相对膨胀率以0.5％-3.5％范围适宜即可，微晶膨胀剂加量在0.5％-3.0％即可控制在此范围。
[0063]
下面介绍本专利应用中创纪录的实例
[0064]
祁参1井
‑‑‑‑‑‑
世界海拔最高的井(海拔高度4100m，冻土层680m)南祁连区块最低气温-31.3℃，最高20℃，全年夜间温度在0℃以下，该区块的祁参1井冻土层达680m，冻土层含有丰富的地下冰，该地层对温度极为敏感，水泥浆注替过程中若温度升高冰土溶解速度很快，地层会产生下陷井壁垮塌，施工风险高、环境污染严重，复杂事故预防手段少。温度低于0℃时，水泥浆中水份凝结成冰不参与水泥水化，导致水泥浆不凝固无强度。
[0065]
祁参1井表层和技术均需要封固冻土层。通过数月的对比试验，确定了该井选用了我公司的冻土层固井水泥浆体系，该体系有一定的触变性，其强度，稠化时间等性能符合冻土层固井需要，水泥浆性能见下表
[0066][0067]
实验数据可以说明，本发明在超低温条件下可显著缩短水泥浆的稠化时间及凝结时间，稠化时间易调，浆体稠度适中，施工安全稳定性高；浆体滤失量小，浆体胶凝强度发展速度快，有着很好的防窜性能；形成的水泥石具有微膨胀性，有着较高的早期强度，界面胶结质量好，测井声幅评价好。
[0068]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。