专利名称：一种固井用轻珠防漏失水泥浆及制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固井用轻珠防漏失水泥浆及制备工艺。
背景技术：
现有水泥浆体系会造成漏失严重、水泥低返、部分油层封固质量差或油层漏封，即当水泥浆密度高于压破地层的当量密度时，就会压漏地层发生漏失，使得水泥返高不够，但如果该水泥浆体系的密度太低时，水泥石胶结质量就会变差，引发固井质量问题；使用普通水泥浆体系固井存在的主要问题有
1、普通封固油层的水泥浆体系密度高，均大于1.85g/cm3，容易压漏承压能力较低的地层；
2、普通低密度水泥浆体系的体积随着压力变化不明显，在固井过程中不能有效减缓和阻止漏失；
3、粉煤灰低密度水泥浆体稳定性差，密度一般在1.45 g/cm3左右，稠化时间大于 350min,析水量在10%左右，容易出现分层现象。
发明内容
本发明提供一种固井用轻珠防漏失水泥浆及制备工艺，以克服现有技术中存在的缺陷。使用本发明的轻珠防漏失水泥浆体系的体积随着压力变化明显，不仅能有效降低水泥浆体系密度和提高水泥石胶结质量，而且能在发生漏失时起到减缓漏失和堵漏作用。本发明技术方案为一种固井用轻珠防漏失水泥浆，其特征在于 由G级油井水泥和轻珠按重量比例复配而成，其中
G级油井水泥60— 90份；
轻珠10 — 40份；
水65— 95份。
70份； 30份。
75份； 邪份。所述轻珠是由硅铝超轻材料成份复配而成的减轻材料，粒径在30—80 μ m,具有较大的比表面积，且吸水率低。一种制备如上述固井用轻珠防漏失水泥浆的方法，其特征在于，包含如下步骤
1)根据所需水泥浆的密度、稠化时间、游离水及抗压强度等性能要求，确定G级油井水泥和轻珠的加量比例和重量；
2)利用干混设备，根据确定的重量加入G级油井水泥和轻珠，将轻珠的加量控制在总重量的15% — 40%进行复配；
3)干混环境要保证干燥通风，以防水泥和轻珠吸水受潮而变质；G级油井水泥所述轻珠G级油井水泥
所述轻珠4)配制水泥浆时通过调节水量和灰量来控制体系的密度。所述水泥浆体系的密度为1. 24g/cm3—1. 60g/cm3 ； 所述稠化时间大于180min ；
所述游离水体积比为1. 6%—4. 1% ； 所述抗压强度为M小时抗压强度大于4MPa ； 所述水固比为0. 65—0. 95 ； 所述轻珠的加量占总重量的10%— 40%。本发明技术效果为
1、加入轻珠使该体系具备了在固井过程中减缓和阻止漏失的能力，现场使用时，可直接通过控制水固比，有效控制水泥浆密度，避免压漏地层。2、水泥与轻珠之间的颗粒级配使颗粒之间实现紧密堆积，提高单位体积水泥浆中的固相量，从而增加了浆体结构强度；
3、轻珠的微小粒径与水泥颗粒的能形成紧密堆积，改善了水泥石的孔隙结构，使孔隙度降低；
4、轻珠组分中含有的羟基水溶性聚合物可吸附于水泥颗粒表面，形成吸附水化层，使水泥颗粒发生桥接而形成网状结构，从而束缚了更多自由水；
5、水泥浆体系内的二氧化硅纤维组织及羟基聚合物水化层，形成了阻隔液体渗入膜， 有效地限制了液相在浆体中的运动，使水泥石的均勻性得以提高，渗透性降低。
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定 图1为试验模块电镜；
图2为试验模块电镜；
图3为水泥颗粒发生桥接而形成网状结构示意图。
具体实施例方式本发明涉及一种水泥浆体系，特别是轻珠防漏失水泥浆体系。它由G级油井水泥和轻珠按重量比例复配而成，其中
G级油井水泥60— 90份；
轻珠10 — 40份；
水65— 95份。该体系性能稳定、流动度20—23cm、粘度低、稠度系数K值<1，热稳定性和抗腐蚀性良好，通过调节轻珠的加量和水固比来控制水泥浆密度和水泥石强度，同时利用轻珠体积随压力变化可伸缩的特性，使水泥浆在由高压端向低压端漏失的过程中，随压力减小使体积产生一定量的膨胀，使得该体系具备减缓和阻止漏失的能力，在实施中可将“减轻”和 “堵漏”两项技术加以结合，形成一种新型的防漏失水泥浆体系。将G级油井水泥和轻珠按照一定比例进行复配得到的；通过调节轻珠的加量和水灰固比，可以控制泥浆密度在1. 24g/cm3—1. 60g/cm3之间，同时利用轻珠体积随压力变化可伸缩的特性，使水泥浆在由高压端向低压端漏失的过程中，随压力减小，轻珠体积产生一
4定量的膨胀，从而起到减缓和阻止漏失的作用，提高地层承压能力，确保固井质量。轻珠的加量占总重量的15%—40%，应用颗粒级配原理，优化不同粒级的重量配比， 使颗粒之间实现紧密堆积，提高单位体积水泥浆中的固相含量，在确保水泥浆体系稳定的前提下，通过调节轻珠的加量和水固比来控制水泥浆的密度和稠化时间，提高水泥石强度。本发明通过调节轻珠的加量和水固比，控制水泥浆体系的密度和水泥石的强度。 当轻珠加量不断增加时，用水量也随之增加，水泥浆密度则不断下降，强度也随之减小，因此根据使用条件的不同，在复配时将轻珠的加量控制在总量的10%—40%。实施例1 这种固井用轻珠防漏失水泥浆，由G级油井水泥和轻珠按重量比例复配而成，其中
G级油井水泥70份；
轻珠30份；
水80份；
G级油井水泥(该水泥，全国水泥厂家都有，是通用材料)，轻珠从甘肃庆阳煜辉建材原料有限公司购得，电话09；34-6659691 手机15109；342598。所述轻珠由硅铝超轻材料成份复配而成的减轻材料，粒径在60 μ m，具有较大的比表面积，且吸水率低。所以配制的水泥浆体具有良好的流动性和稳定性，同时其能改善水泥石的耐高温性，防止了在高温条件下水泥石强度的衰退，提高了水泥石的热稳定性和抗腐蚀性，使用时将G级油井水泥和轻珠按颗粒级配原理(属本行业公知技术)进行复配，即将两种不同粒径物质按比例混合均勻，组成一个有机的整体。轻珠的内部呈多孔组织结构，且排列整齐，互不相通，其体积随压力变化具有一定的可伸缩性，而水泥浆在地层中漏失是由高压端向低压端漏失，因此随着外部压力减小，轻珠体积产生一定量的膨胀，在漏失裂缝处不断堆积形成堵塞，使得该泥浆具备减缓和阻止漏失的能力。所述的轻珠有两种作用第一是调节水泥浆体系的密度和水泥石的强度；第二是利用轻珠体积随压力变化可伸缩的特性，增强水泥浆体系防漏、堵漏效果；轻珠的加量按照行业公知技术要求进行添加。制备上述固井用轻珠防漏失水泥浆的方法，包含如下步骤 1)选择所需水泥浆的密度为1. 4g/cm3 ；稠化时间^Omin ；
游离水体积比为2. 6% ；抗压强度为M小时抗压强度5MPa ； 水固比为0. 75 ；轻珠的加量占总重量的30%。2)利用干混设备，(设备采用本行业通用设备)加入G级油井水泥和轻珠，将轻珠的加量控制在总重量的30%进行复配；
3)干混环境要保证干燥通风，以防水泥和轻珠吸水受潮而变质；
4)配制水泥浆时通过调节水量和灰量来控制体系的密度。在该体系中轻珠为外掺料，干混时将G级油井水泥和轻珠按上述比例加入，轻珠的加量控制在总量的30%，配制水泥浆时，将体系的水固比控制在0. 75，(和上述的水固比为 0. 75—致)，调节水泥浆密度在1. 4 士 0. 03g/cm3的范围内；同时使用室内化验设备对水泥浆体系的性能进行复核检验，测试体系密度、水泥石强度、稠化时间、流动性等性能指标是否能够满足固井技术要求，确认各项指标达到设计要求后即可使用。现场施工时，使用地面混浆设备按照本行业公知技术要求的的水灰(固)比进行配浆，通过调整设备的供水和供灰量，将水泥浆密度控制在技术要求的范围内，避免固井过程中压漏地层，并通过地面管线以设计排量紊流顶替，将水泥浆注入井中进行固井作业。调配试验及性能测定
在满足平衡压力固井所需水泥浆密度值的基础上，满足水泥石结构强度> 3.5 Mpa/48hX55°C，且能保持浆体性能相对稳定性的前提下，优化和筛选水泥与减轻珠材料的最佳配伍关系就成了实验室研究的主要课题，实验室配方试验如下，见表1、表2。轻珠低密度水泥浆配方试验表1
濘Sm 方Hr* 水S比 I Zca24h βΑ/ I mhiMf街/终mini 邐pa/55"C J Ipa/55"C1水 M 85*+- 15 O, 1,454-6 8.93:12/4:191.62水灑》%+經_201O.S 1.354,3 J 6.63:36/4:312.63水泥75 +錄珠25*0.35 I 1.32X 8 I 5.93:53/4:592.14水泥70%+級嫌30S 0 I ^ w3.6 4.84:28/5:213.65水渡05鉍 +ft 35 0.95 I L2T3.1 J 3.54:32/5:394.1
轻珠低密度水泥浆优选配方试验表2
,串号霞方水謹ft V,24hHt/ UmMf扨/终min游鷂水*lpa/'55€ Ipa/SSC1水《 TO*+赚 30%0.85 1.382.1 4.25:38/6:483.52減75崎餘25%0,85 I L 323,8 I 5.93:53/4:592,1
实验结论
1、当轻珠加量不断增加时，水泥浆密度则不断下降，强度也随之减小。2、要降低水泥浆密度，不但要增加轻珠加量，同时要增大水灰比。3、当轻珠减轻剂加量达到35%、水泥浆密度下降到1. 32 g/cm3时，水泥石结构强度 > 3. 5 1^^/4811\551，游离水< 4%。4、将水泥浆置入直径25 mm、长250 mm的玻璃管中，玻璃管处于垂直状态在常压、 55°C条件下养护4 后，将试件分成5段分别测试密度，由各段密度差判定水泥浆的稳定性，结果表明垂直方向上最大密度差只有0.02g/ cm3，分布均勻，水泥浆体系稳定。试验模块电镜图1和图2进一步证明了水泥与轻珠之间的颗粒级配增强了浆体结构强度，二氧化硅纤维组织及羟基聚合物水化层有效地限制了液相在浆体中的运动，使水泥石的均勻性得以提高。5、从以上稠化时间试验数据可以看出轻珠低密度水泥浆的稠化时间> 180min，
完全能满足现场安全施工性能参数要求。6、轻珠低密度水泥体系性能稳定，流动性好，粘度和稠度系数都比较低，容易顶替。轻珠的微小粒径与水泥颗粒的良好级配作用，改善了水泥石的孔隙结构，使孔隙度降低，轻珠组分中含有的羟基水溶性聚合物可吸附于水泥颗粒表面，形成吸附水化层，使水泥颗粒发生桥接而形成网状结构，从而束缚了更多自由水，堵塞了水泥颗粒间空隙，降低水泥滤饼的渗透性，使渗透率显著下降，详见图3。7、轻珠低密度水泥体系的热稳定性、抗腐蚀性。因轻珠含有硅铝等超轻材料，改善了水泥石的耐高温性，特别是应用于高温深井段的封固，可有效防止高温造成的水泥石强度的衰退，减小水泥石随时间推移而引起的强度衰减，大大提高了水泥石的耐久性和抗腐蚀性。实施例2
具体制备步骤与实施例1相同所不同的是选择参数不同 G级油井水泥60份；
轻珠10份；
水65份。轻珠粒径在3O μ m，
所述水泥浆体系的密度为1. 24g/cm3 ；
所述稠化时间180min ；
所述游离水体积比为1. 6% ；
所述抗压强度为M小时抗压强度4MPa ；
所述水固比为0. 65；
所述轻珠的加量占总重量的10%。实施例3
具体制备步骤与实施例1相同，所不同的是选择参数不同
G级油井水泥90份；
轻珠40份；
水95份；
轻珠粒径在80 μ m,
水泥浆体系的密度为1. 60g/cm3 ；
所述稠化时间300 min ；
所述游离水体积比为4. 1% ；
所述抗压强度为M小时抗压强度大于7MPa ；
所述水固比为0. 95；
所述轻珠的加量占总重量的10%— 40%。实施例4
具体制备步骤与实施例1相同，所不同的是选择参数不同 轻珠粒径在40 μ m,
G级油井水泥75份；
所述轻珠25份；
水78份。所述水泥浆体系的密度为1. 5g/cm3 ； 所述稠化时间大于400min ；
所述游离水体积比为3% ；
所述抗压强度为M小时抗压强度大于6MPa ；
所述水固比为0. 75；
所述轻珠的加量占总重量的30%。
实施例5
具体制备步骤与实施例1相同，所不同的是选择参数不同
轻珠粒径在70 μ m,
所述水泥浆体系的密度为1. 24g/cm3 ；
所述稠化时间180min ；
所述游离水体积比为4. 1% ；
所述抗压强度为M小时抗压强度大于4MPa ；
所述水固比为0. 65；
所述轻珠的加量占总重量的10%。
G级油井水泥
轻珠
水
60份； 40份；
85份；
8
权利要求
1.一种固井用轻珠防漏失水泥浆，其特征在于由G级油井水泥和轻珠按重量比例复配而成，其中G级油井水泥60—90份；轻珠10— 40份；水65—95份。
2.根据权利要求1所述固井用轻珠防漏失水泥浆，其特征在于所述G级油井水泥70份；所述轻珠30份；水75份。
3.根据权利要求1所述固井用轻珠防漏失水泥浆，其特征在于所述G级油井水泥75份；所述轻珠25份；水78份。
4.根据权利要求1或2或3所述固井用轻珠防漏失水泥浆，其特征在于所述轻珠是由硅铝超轻材料成份复配而成的减轻材料，粒径在30—80 μ m,具有较大的比表面积，且吸水率低。
5.一种制备如权利要求1所述固井用轻珠防漏失水泥浆的方法，其特征是，包含如下步骤1)根据所需水泥浆的密度、稠化时间、游离水及抗压强度等性能要求，确定G级油井水泥和轻珠的加量比例和重量；2)利用干混设备，根据确定的重量加入G级油井水泥和轻珠，将轻珠的加量控制在总重量的15% — 40%进行复配；3)干混环境要保证干燥通风，以防水泥和轻珠吸水受潮而变质；4)配制水泥浆时通过调节水量和灰量来控制体系的密度。
6.根据权利要求5所述固井用轻珠防漏失水泥浆的方法，其特征在于所述水泥浆体系的密度为1. 24g/cm3—1. 60g/cm3 ；所述稠化时间大于ISOmin ；所述游离水体积比为1. 6%—4. 1% ；所述抗压强度为M小时抗压强度大于4MPa ；所述水固比为 0. 65—0. 95 ；所述轻珠的加量占总重量的10%— 40%。
全文摘要
本发明涉及一种固井用轻珠防漏失水泥浆及制备工艺，其特征在于由G级油井水泥和轻珠按重量比例复配而成，其中G级油井水泥 60-90份；轻珠10-40份；水65-95份。以克服现有技术中存在的缺陷。使用本发明的轻珠防漏失水泥浆体系的体积随着压力变化明显，不仅能有效降低水泥浆体系密度和提高水泥石胶结质量，而且能在发生漏失时起到减缓漏失和堵漏作用。
文档编号C09K8/473GK102504782SQ20111037107
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者冯文革, 冯旺成, 王大权, 王瑞玲, 窦虎清, 贾芝 申请人:中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司