一种低导热固井水泥浆体系及其制备方法与流程

本发明涉及一种低导热固井水泥浆体系及其制备方法，属于固井。

背景技术：

1、随着油气资源和地热资源勘探开发技术的不断进步，油气井和地热井的长期安全有效生产对井筒完整性提出了更高的要求，其中水泥环密封完整性是井筒完整性的核心。水泥环密封完整性一般是通过固井质量和井口环空带压情况宏观表现，是固井技术保证良好层间封隔的关键性体现。

2、由于固井是一次性、隐蔽性工程，是需要考虑材料、力学、热力学、化学等多学科的综合性技术。目前随着固井外加剂、固井水泥浆体系、固井工具、固井工艺等固井技术的不断进步，固井质量和预防环空带压在一定程度上得到大幅提升。但对于深井、超深井固井而言，仍是一项“有办法、无把握”的技术，原因是虽然固井外加剂、固井水泥浆体系、固井工具、固井工艺已经相对成熟，但仍存在固井技术难以与地质及工程条件相匹配的问题。目前高温高压天然气井、深层页岩气井在开发过程中出现井口窜气和环空带压问题的情况日益突出，而套管-水泥界面胶结质量差，环空微环隙等是主要原因。地热井采用常规水泥固井，水泥导热系数高，保温效果差，地热能输送到地面时损耗多。因此，亟需研发出一种低导热固井水泥浆体系，以解决勘探开发生产过程中的此类固井难题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种低导热固井水泥浆体系及其制备方法。本发明通过在水泥浆体系中加入低导热系数材料，能够降低固井水泥浆体系的导热系数，并且本发明的低导热固井水泥浆体系的稠化时间和流动性可调性强，应用范围较广。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种低导热固井水泥浆体系，以重量份计，所述低导热固井水泥浆体系包括以下组分：油井水泥100份，密度调节剂0～125份，低导热材料2～20份，增强材料5～35份，早强剂0～5份，悬浮剂1～3份，弹性材料0～10份，防窜增韧材料0～6份，分散剂0.5～1.5份，降失水剂1.5～6份，缓凝剂0～2份，消泡剂0.2～0.5份，水44～110份。

3、根据本发明的具体实施方式，优选地，以重量份计，所述低导热固井水泥浆体系包括以下组分：油井水泥100份，低导热材料2～20份，增强材料5～20份，悬浮剂1～3份，弹性材料0～10份，分散剂0.5～1.5份，降失水剂1.5～6份，消泡剂0.2～0.5份，水44～110份。更优选地，以重量份计，所述低导热固井水泥浆体系包括以下组分：油井水泥100份，低导热材料2～10份，增强材料5～10份，悬浮剂1～3份，分散剂0.5～1.5份，降失水剂3～6份，消泡剂0.2～0.5份，水44～110份。

4、根据本发明的具体实施方式，优选地，以重量份计，所述低导热固井水泥浆体系包括以下组分：油井水泥100份，密度调节剂10～125份，低导热材料2～13份，增强材料5～20份，早强剂2～4份，悬浮剂1～3份，弹性材料0～10份，防窜增韧材料2～4份，分散剂0.5～1.5份，降失水剂1.5～6份，缓凝剂0.2～2份，消泡剂0.2～0.5份，水44～110份。更优选地，以重量份计，所述低导热固井水泥浆体系包括以下组分：油井水泥100份，密度调节剂10～80份，低导热材料5～13份，增强材料5～15份，早强剂2～4份，悬浮剂1～3份，防窜增韧材料2～4份，分散剂0.5～1.5份，降失水剂3～6份，缓凝剂0.2～1份，消泡剂0.2～0.5份，水44～110份。

5、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述低导热材料包括空心玻璃微珠、漂珠、塑料颗粒、多孔陶瓷粉以及硅藻土等中的三种或三种以上的组合。更优选地，所述低导热材料包括质量比为(1.5-2.5)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)(优选为2：1：1)的空心玻璃微珠、多孔陶瓷粉和硅藻土的混合物。尤为优选地，所述空心玻璃微珠的密度为0.44-0.65g/cm3，平均粒径为10-200μm。尤为优选地，所述漂珠的密度为0.8-1.1g/cm3，平均粒径为20-250μm。尤为优选地，所述塑料颗粒包括聚丙烯(pp)塑料颗粒，其粒径为0.5-2mm。尤为优选地，所述多孔陶瓷粉的粒径为10-300μm，孔隙率为40％-80％。尤为优选地，所述硅藻土的粒径为150-250目。

6、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述密度调节剂包括减轻剂和/或加重剂。更优选地，所述减轻剂包括空心玻璃微珠；尤为优选地，所述空心玻璃微珠的密度为0.44-0.65g/cm3，平均粒径为10-200μm。更优选地，所述加重剂包括精铁矿粉；尤为优选地，所述精铁矿粉的密度为5.05-7.20g/cm3，平均粒径为100-200目。

7、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述增强材料包括sic晶须、埃洛石和莫来石等中的一种或几种的组合。更优选地，所述增强材料包括质量比为(2.5-3.5)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)(优选为3：1：1)的sic晶须、埃洛石和莫来石的混合物。

8、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述早强剂包括氯盐类早强剂、硫酸盐类早强剂、硝酸盐早强剂、亚硝酸盐类早强剂以、铝酸盐类早强剂及硅酸盐类早强剂等中的一种或几种的组合。更优选地，所述早强剂包括硫酸钠、硫代硫酸钠、铝酸钠、氯化钙、硅酸钠以及碱式氯化铝中的四种或四种以上的组合。尤为优选地，所述早强剂包括质量比为(0.5-1.5)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)(优选为1：1：1：1)的硫酸钠、硫代硫酸钠、铝酸钠以及氯化钙的混合物。

9、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述悬浮剂包括黄原胶、温轮胶、聚乙烯醇以及钠膨润土中的三种或三种以上的组合。更优选地，所述悬浮剂包括质量比为(0.5-1.5)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)：(1.5-2.5)(优选为1：1：1：2)的黄原胶、温轮胶、聚乙烯醇以及钠膨润土的混合物。

10、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述弹性材料包括橡胶类弹性材料，例如但不限于中石油集团工程技术研究院有限公司生产的橡胶类弹性材料dre-1s。

11、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述防窜增韧材料包括聚合物类防窜增韧材料，例如但不限于中石油集团工程技术研究院有限公司生产的聚合物类防窜增韧材料drt-1s。

12、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述分散剂包括醛酮缩聚物类分散剂和/或聚苯乙烯磺酸盐类分散剂等。更优选地，所述醛酮缩聚物类分散剂可以包括分散剂drs-1s、分散剂saf、分散剂sxy、分散剂usz以及分散剂sdjz-1等中的一种或几种的组合。更优选地，所述聚苯乙烯磺酸盐类分散剂可以包括聚苯乙烯磺酸钠等。尤为优选地，所述分散剂包括中石油集团工程技术研究院有限公司生产的分散剂drs-1s。

13、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述降失水剂包括丙烯酰胺聚合物类降失水剂等。更优选地，所述降失水剂包括降失水剂drf-1s、降失水剂drf-1l、降失水剂drf-2l、降失水剂pc-g83l、降失水剂pc-g80l以及降失水剂lx-1等中的一种或几种的组合。尤为优选地，所述降失水剂包括中石油集团工程技术研究院有限公司生产的丙烯酰胺聚合物类固体降失水剂drf-1s和/或丙烯酰胺聚合物类液体降失水剂drf-2l。

14、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述缓凝剂包括有机酸类缓凝剂、丙烯酰胺聚合物类缓凝剂以及2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸聚合物类缓凝剂等中的一种或几种的组合。更优选地，所述缓凝剂包括缓凝剂drh-1l、缓凝剂drh-2l、缓凝剂jxh-2l以及缓凝剂hx-36l等中的一种或几种的组合。尤为优选地，所述缓凝剂包括中石油集团工程技术研究院有限公司生产的有机酸类缓凝剂drh-1l和/或丙烯酰胺聚合物类缓凝剂drh-2l。

15、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述消泡剂包括有机酯类化合物、聚氧丙烯甘油醚以及聚二甲基硅氧烷等中的一种或几种的组合。更优选地，所述消泡剂为聚二甲基硅氧烷。

16、在上述的低导热固井水泥浆体系中，优选地，所述油井水泥包括g级油井水泥。例如：嘉华g级、华油g级、胜维g级以及萌成g级等中的一种或几种的组合。

17、根据本发明的具体实施方式，优选地，所述低导热固井水泥浆体系的密度为1.25-2.50g/cm3，适用油井的循环温度为60-150℃。

18、根据本发明的具体实施方式，优选地，所述低导热固井水泥浆体系的导热系数为0.18-0.42w/mk。

19、另一方面，本发明还提供了一种上述的低导热固井水泥浆体系的制备方法，其包括以下步骤：

20、(1)按照上述的各组分的重量份，将油井水泥，密度调节剂，低导热材料，增强材料，早强剂，悬浮剂，弹性材料，防窜增韧材料与分散剂混合均匀，并且当采用的降失水剂为固体时，在本步骤中与其他组分混合均匀，得到干混料；

21、(2)按照上述的各组分的重量份，将缓凝剂，消泡剂与水混合均匀，并且当采用的降失水剂为液体时，在本步骤中与其他组分混合均匀，得到湿混料；

22、(3)将所述干混料与所述湿混料混合均匀，得到所述的低导热固井水泥浆体系。

23、在上述的制备方法中，本领域技术人员应可以理解，当本发明的低导热固井水泥浆体系不包括上述的某一种或几种组分时，那么在步骤(1)和(2)不加入这个或这些组分即可。

24、在上述的制备方法中，优选地，步骤(1)中的混合是在搅拌下进行的，搅拌的转速为100-150r/min。

25、在上述的制备方法中，优选地，步骤(2)中的混合是在搅拌下进行的，搅拌的转速为1000-1200r/min。

26、在上述的制备方法中，优选地，步骤(3)具体为：在4000±200r/min的搅拌转速下，将所述干混料加入到所述湿混料中，待所述干混料完全润湿后，继续搅拌30-50s，得到所述的低导热固井水泥浆体系。

27、本发明的发明人研究发现在固井过程中，常规固井方式，回接套管段常规水泥石、套管的导热系数均较高，受地层温度和生产温度的影响较大，水泥加热升温和冷却降温速度均较快，由于套管热胀冷缩，水泥在液态时可以随套管形变而产生形变，而水泥固化后这种形变却难以恢复，因此套管界面易产生微环隙，胶结质量也就难以控制。而对于地热井，常规水泥石导热系数高也造成了地热井保温效果差，地热能输送到地面时的损耗比较大。水泥浆封隔段的温度变化快慢程度是与界面胶结质量的好坏即固井质量的好坏存在着一定联系的，目前固井行业并未对此引起重视，也在一定程度上制约了固井技术的进步。

28、因此，本发明提供了一种低导热固井水泥浆体系及其制备方法。本发明通过在水泥浆体系中加入特定比例复配的低导热系数材料来降低固井水泥浆体系的导热系数，在一定程度上减弱地层温度或生产温度等井下温变情况对回接段套管的有害应力和应变等形变的影响，从而在一定程度上减缓套管的收缩膨胀速度，进而降低形成微环隙的几率，可有效地改善水泥石与回接套管的界面(即水泥浆形成的水泥石与回接套管的界面)胶结质量，提高油气井回接套管固井质量，减少输送到地面的地热能损耗，改善地热井保温效果，降低井口窜气和环空带压风险。本发明的低导热固井水泥浆体系的密度范围为1.25-2.50g/cm3，适用循环温度为60-150℃，稠化时间和流动性可调性强，应用范围较广。因此，本发明的低导热固井水泥浆体系能够有效地促进固井行业技术进步，为深层天然气井和地热井的大规模勘探开发，预防井口窜气和环空带压风险提供强有力的技术支撑。