一种深水低温低密早强固井水泥浆

摘要

本发明涉及石油钻井工程中固井用的深水低温低密早强固井水泥浆：低温早强水泥100份、低温增强材料10～30份、低密度减轻材料10～80份、减阻剂0.5～4份、降失水剂2.5～8份、缓凝剂0.1～5份、消泡剂0.15～1.2份、早强剂2.5～8份，水57～95份，能配置密度为1.2～1.7g/cm3的水泥浆。该水泥浆体系具有早期强度(24小时)最高可达到14.7MPa，强度长期稳定性好，静胶凝过渡时间短，体系稳定等优点，为提高深水固井质量提供技术保障。

说明书

技术领域

本发明是一种石油钻井工程领域，特别是固井注水泥技术所用的一种深水低温低密早强固井水泥浆，用于深水低温固井。

背景技术

世界海洋石油蕴藏量约为1000多亿吨，探明储量380多亿吨；海洋天然气储量约为140万亿立方米，已探明的储量约为40万亿立方米。海洋平均深度为3730米，3000米～6000米水深的海域占了海洋总面积的73.83％。但目前已探明的海洋石油储量的80％还是集中在500米水深以内的的近大陆架区域，这说明在深水(500米-1500米)甚至超深水(1500米以上)的海底还蕴藏着未勘探开发的丰富油气资源。目前超过300米以上的海洋深水钻井在世界各地每年都有大量的作业，最高的水深深度达到近3000米。

深水固井是深水油气资源勘探开发有效进行的前提条件和重要保障，但是深水固井尤其是深水表层段固井作业相对陆地作业其地形条件更加复杂，海底地层松软，地层破裂压力低，并容易产生流体移动。深水固井海底地层温度低，抑制油井水泥的水化过程，且深水作业日均费用昂贵，钻井船的日费一般在22～30万美元之间。一般情况下海底的温度很低，只有4℃左右，延缓了水泥的水化，影响了水泥抗压强度的发展，不能有效抵御流体的侵入并保证后续作业的顺利进行。表层地层孔隙压力和破裂压力之间“窗口”狭窄，地层易压漏，要求在固井时使用低密度水泥浆，密度在1.32～1.56g/cm³之间，这给水泥浆的性能提出了更高的要求。海水中富含氯盐和多种高价金属例子，会对固井水泥产生腐蚀，破坏其长期性能。因此，要求固井水泥具有较高的耐久性和良好的综合性能。

深水低温固井对水泥浆的基本性能要求是：①水泥浆密度低；②低温下较短的过渡时间和优良的抗压强度；③好的水泥浆完整性；④水泥浆与套管和地层的密封和胶结等长期性能好；⑤顶替效率高。

目前，国内刚开始对深水固井水泥浆进行研究，国外的深水固井水泥浆主要有：①充气水泥浆技术，如EP1123907，②高铝水泥浆体系，如US6244343、US6060535，③PSD水泥浆技术，采用常规G级油井水泥与超细颗粒材料配合形成紧密堆积，如Schlunberger的US6656265。

存在的主要问题：高铝水泥体系在抗压强度发展方面有优势，但对温度敏感性强，对污染物敏感，水化放热过快；充气水泥浆技术复杂，成本高；采用G级油井水泥在低温下强度发展缓慢，静胶凝发展慢，影响水泥浆的防窜能力，影响深水固井质量，深水固井质量影响着深水油气井的寿命，甚至危及油气开采及平台的安全性。

发明内容

本发明的目的是：提供一种深水低温低密早强固井水泥浆，在低温、浅层流、易漏井完成深水固井，提高固井水泥浆的适应性，提高固井质量。开展低温低密早强水泥浆的研究，开发出在深水低温条件具有良好综合性能低温低密早强水泥浆体系。

本发明采用的技术方案：根据各种组分在低温下水化活性不同，在水泥中适当提高低温下反应活性高的组分，形成低温早强水泥，并配合其他的外掺料和外加剂，配制出低密早强水泥浆。本发明的深水低温低密早强固井水泥浆，其特征是：各组分质量份为：

低温早强水泥    100份

低温增强材料    10～30份

低密度减轻材料  10～80份

早强剂    2.5～8份

减阻剂    0.5～4份

降失水剂  2.5～8份

缓凝剂    0.1～5份

消泡剂    0.15～1.2份

水        57～95份

上述深水低温低密早强固井水泥浆中：

所述的低温早强水泥为100重量份低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，3～13份；Al₂O₃，30～38份；Fe₂O₃，1～3份；CaO，38～45份；SO₃，8～15份。

所述的低温增强材料为超细粉末矿渣，100重量份超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，32～40份；Al₂O₃，8～16份；Fe₂O₃，1～3份；CaO，34～45份；MgO，3～10份。该材料在水中能够水化形成有强度的物质，超细粉末矿渣的粒度为粒径范围在1～100微米之间。

低密度减轻材料为空心玻璃微珠或合成钠硼微珠(3M公司生产)。合成钠硼微珠具有较低的密度一般为0.38g/cm³；有较高的耐压性能，最高可达18000psi；而且粒度较细(10-80μm)，而且其材料成分和水泥有些成分类似。

所述的早强剂是无水偏硅酸钠或天津中油渤星工程科技有限公司的CA903S促凝早强剂。无水偏硅酸钠的分子式Na₂SiO₃，PH值为12.4左右。

降失水剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、改性纤维素或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS共聚物)。聚丙烯酰胺采用阴离子、阳离子或非离子型聚丙烯酰胺均可以。改性纤维素为甲基纤维素、乙基纤维素或羧甲基纤维素。

减阻剂为甲醛和丙酮的缩聚物(FDN)或羧酸盐类，羧酸盐类包括丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物或丙烯酸-马来酸共聚物

缓凝剂为柠檬酸、有机磷酸盐类，有机磷酸盐类为羟基亚乙基二膦酸钠或羟基亚乙基二膦酸钾或乙二胺四亚甲基膦酸盐。

消泡剂为聚乙二醇醚或2-辛醇或磷酸三丁酯。

为了提高深水低温低密早强固井水泥浆的抗冲击性能，其中还可以加入油井水泥增韧剂。所述的油井水泥增韧剂是纤维材料或有机聚合胶乳。有机聚合胶乳为聚醋酸乙烯酯、聚苯乙烯或苯乙烯-丁二烯共聚物，纤维材料为碳纤维或尼龙纤维。尼龙纤维也称聚酰胺纤维。

深水低温低密早强固井水泥浆的制备和使用方法：首先制备成干混物料和液混物料。将低温早强水泥100份、低温增强材料10～30份、低密度减轻材料10～80份、早强剂2.5～8份和减阻剂0.5～4份混合搅拌均匀，成为干混物料。将水57～95份、降失水剂2.5～8份、缓凝剂0.1～5份和消泡剂0.15～1.2份混合搅拌均匀，成为液混物料。然后将干混物料与液混物料混拌均匀，配置成密度为1.2～1.7g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆。在固井现场，首先将液混物料混合均匀，然后加入干混物料混合均匀，制成深水低温低密早强固井水泥浆。深水低温低密早强固井水泥浆具有早期强度高，强度长期稳定性好，静胶凝过渡时间短，体系稳定等优点。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、本发明的深水低温低密早强固井水泥浆在低温下强度发展快，24小时最高可达到14.7MPa，即使在4℃时仍有较高的早期强度。

2、本发明的深水低温低密早强固井水泥浆，克服了普通低密度水泥浆的稳定性差的问题，具有良好的悬浮稳定性，水泥石的上下密度差小于0.05g/cm³。

3.本发明的深水低温低密早强固井水泥浆，采用紧密堆积设计理念，渗透率低，水泥石长期稳定性好，静胶凝强度发展快，具有优良的防气窜能力。

4、本发明的深水低温低密早强固井水泥浆，具有流变性好、失水小、稠化时间易于调节，方便现场施工。

本发明的深水低温低密早强固井水泥浆，解决了深水表层低温的固井技术难题，节约油井钻井时间，有利于提高固井质量，为深水油气开采提供技术支持。

具体实施方式：

实施例1：密度为1.7g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份。在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，10份；Al₂O₃，35份；Fe₂O₃，2份；CaO，43份；SO₃，10份。

低温增强材料20份。低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，38份；Al₂O₃，12份；Fe₂O₃，2.5份；CaO，42.5份；MgO，5份。超细粉末矿渣的粒径范围为45微米。

低密度减轻材料10份。低密度减轻材料采用的是空心玻璃微珠。

早强剂2.5份。早强剂采用的是天津中油渤星工程科技有限公司生产的CA903S促凝早强剂。

减阻剂0.5份。减阻剂采用的是甲醛和丙酮缩聚物(FDN)。

降失水剂2.5份。降失水剂采用的是聚乙烯醇。

缓凝剂1.2份。缓凝剂采用的是柠檬酸。

消泡剂，0.15份。消泡剂采用的是2-辛醇或磷酸三丁酯。

海水，57份。

实施例2：密度为1.5g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份。在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，8份；Al₂O₃，37份；Fe₂O₃，2份；CaO，38份；SO₃，15份。

低温增强材料25份。低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，35份；Al₂O₃，14份；Fe₂O₃，1.5份；CaO，40份；MgO，9.5份。超细粉末矿渣的粒径范围在45～90微米之间。

低密度减轻材料25份；低密度减轻材料采用的是合成钠硼微珠，粒度在10-80μm之间，合成钠硼微珠由3M公司生产。

早强剂4份。早强剂采用的无水偏硅酸钠。

减阻剂1.5份。减阻剂采用的是丙烯酸-马来酸共聚物。

降失水剂5份。降失水剂采用的是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS共聚物)。

缓凝剂1.2份。缓凝剂采用的是柠檬酸。

消泡剂，0.2份。消泡剂采用的是聚乙二醇醚。

淡水，67份。

实施例3：密度为1.4g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份，在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，5份；Al₂O₃，34份；Fe₂O₃，3份；CaO，44份；SO₃，14份。

低温增强材料25份；低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，33份；Al₂O₃，15份；Fe₂O₃，3份；CaO，42份；MgO，7份。超细粉末矿渣的粒径范围在45～90微米之间。

低密度减轻材料35份。低密度减轻材料采用的是空心玻璃微珠。

早强剂3份。早强剂采用是天津中油渤星工程科技有限公司生产的CA903S促凝早强剂。

减阻剂2.5份。减阻剂采用的是丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐共聚物。

降失水剂6份。降失水剂采用的是聚丙烯酰胺。

缓凝剂1份。缓凝剂采用的是羟基亚乙基二膦酸钠。

消泡剂0.2份。消泡剂采用的是聚乙二醇醚。

海水，75份。

实施例4：密度为1.2g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份。在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，6份；Al₂O₃，36份；Fe₂O₃，1.5份；CaO，43份；SO₃，13.5份。

低温增强材料10份；低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，39份；Al₂O₃，10份；Fe₂O₃，2份；CaO，40份；MgO，9份。超细粉末矿渣的粒径范围在60～90微米之间。

低密度减轻材料65份。低密度减轻材料采用的是空心玻璃微珠。

早强剂3份。早强剂采用的是无水偏硅酸钠。

减阻剂3份。减阻剂采用的是丙烯酸-马来酸共聚物。

降失水剂3份。降失水剂采用的是乙基纤维素。

缓凝剂0.8份。缓凝剂采用的是羟基亚乙基二膦酸钾。

消泡剂，0.2份。消泡剂采用的是2-辛醇或磷酸三丁酯。

海水，95份。

实施例5：密度为1.7g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份。在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，3份；Al₂O₃，34份；Fe₂O₃，3份；CaO，45份；SO₃，15份。

低温增强材料20份。低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，32份；Al₂O₃，16份；Fe₂O₃，1份；CaO，45份；MgO，6份。超细粉末矿渣的粒径范围为45微米。

低密度减轻材料10份。低密度减轻材料采用的是空心玻璃微珠。

早强剂2.5份无水偏硅酸钠。

减阻剂1.5份。减阻剂采用的是烯酸-马来酸共聚物。

降失水剂2份。降失水剂采用的是羧甲基纤维素。

缓凝剂1.2份。缓凝剂采用的是乙二胺四亚甲基膦酸盐。

消泡剂，0.15份。消泡剂采用的是2-辛醇或磷酸三丁酯。

增韧剂2份。增韧剂采用的是聚醋酸乙烯酯。

海水，57份。

实施例6：密度为1.5g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份。在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，9份；Al₂O₃，32份；Fe₂O₃，2份；CaO，43份；SO₃，14份。

低温增强材料30份。低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，38份；Al₂O₃，10份；Fe₂O₃，3份；CaO，45份；MgO，4份。超细粉末矿渣的粒径范围在1～100微米之间。

低密度减轻材料27份；低密度减轻材料采用的是合成钠硼微珠，粒度在10-80μm之间，合成钠硼微珠由3M公司生产。

早强剂4份。早强剂采用的是天津中油渤星工程科技有限公司生产的CA903S促凝早强剂。

减阻剂1.5份。减阻剂采用的是甲醛和丙酮的缩聚物(FDN)。

降失水剂5份。降失水剂采用的是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS共聚物)。

缓凝剂1.2份。缓凝剂采用的是柠檬酸。

消泡剂，0.2份。消泡剂采用的是聚乙二醇醚。

增韧剂5份。增韧剂采用的是苯乙烯-丁二烯共聚物。

淡水，67份。

实施例7：密度为1.4g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份，在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，8份；Al₂O₃，36份；Fe₂O₃，2份；CaO，41份；SO₃，13份。

低温增强材料15份；低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，37份；Al₂O₃，9份；Fe₂O₃，1份；CaO，43份；MgO，10份。超细粉末矿渣的粒径范围在5～80微米之间。

低密度减轻材料30份。低密度减轻材料采用的是合成钠硼微珠，粒度在10-80μm之间，合成钠硼微珠由3M公司生产。

早强剂2份。早强剂采用的是无水偏硅酸钠。

减阻剂2.5份。减阻剂采用的是丙烯酸-马来酸共聚物。

降失水剂2份。降失水剂采用的是聚乙烯醇。

缓凝剂1份。缓凝剂采用的是柠檬酸。

消泡剂0.2份。消泡剂采用的是聚乙二醇醚。

增韧剂3份。增韧剂采用的是碳纤维。

淡水，75份。

实施例8：密度为1.2g/cm³的深水低温低密早强固井水泥浆：各组分按重量份计。

低温早强水泥100份。在100重量份的低温早强水泥中矿物含量及重量份为：SiO₂，6份；Al₂O₃，36份；Fe₂O₃，1.5份；CaO，43份；SO₃，13.5份。

低温增强材料10份；低温增强材料是超细粉末矿渣，在100重量份的超细粉末矿渣中含下列成分及重量份：SiO₂，39份；Al₂O₃，10份；Fe₂O₃，2份；CaO，40份；MgO，9份。超细粉末矿渣的粒径范围在60～90微米之间。

低密度减轻材料65份。低密度减轻材料采用的是空心玻璃微珠。

早强剂2份。早强剂采用的是无水偏硅酸钠。

减阻剂3份。减阻剂采用的是丙烯酸-马来酸共聚物。

降失水剂4份。降失水剂采用的是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS共聚物)。

缓凝剂0.8份。缓凝剂采用的是羟基亚乙基二膦酸钾。

增韧剂3份。增韧剂采用的是尼龙纤维。

消泡剂0.2份。消泡剂采用的是2-辛醇或磷酸三丁酯。

海水，95份。

八个实施例的深水低温低密早强固井水泥浆的性能测试结果列表：

  序  号  密度  g/cm³  流动  /cm  API  失水  /ml  稠化时间  /min  初始  稠度  /Bc  稳定性  游离  液  /ml  4℃，16h  抗压强度  /MPa  4℃，72h  抗压强度  /MPa  1  1.7  23  39  264  17  稳定  0  14.5  18.2  2  1.5  22  41  250  20  稳定  0  9.8  15.6  3  1.4  21  32  211  22  稳定  0  7.2  14.3  4  1.2  22.5  35  309  21  稳定  0  5.2  12.1  5  1.7  21.5  62  212  18  稳定  0  13.8  18.3  6  1.5  21  55  254  16  稳定  0  10.1  16.2  7  1.4  20.5  42  202  20  稳定  0  6.7  15.1  8  1.2  22  46  183  22  稳定  0  5.5  11.7

测试的试验条件为：温度4℃，压力30MPa。