一种深水表层固井用低密度水泥浆体系及其用途

摘要

本申请公开了一种深水表层固井用低密度水泥浆体系及其用途，所述低密度水泥浆体系包括以下重量份的组分：水泥100份、液体悬浮剂5‑40份、液体增强剂5‑40份、液体降失水剂4‑10份、液体早强剂2‑10份、消泡剂0.05‑1.5份，淡水或海水50‑250份；该水泥浆体系的外加剂性能明确且全为液体，体系构成简单、造浆率高、低温早强性能优异。

说明书

技术领域

本申请涉及但不限于一种水泥浆体系，特别涉及但不限于一种深水表层固井用低密度水泥浆体系及其用途。

背景技术

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，其中，深水表层固井是深水油气井固井程序的初次固井作业，由于海底地层孔隙压力和破裂压力之间“窗口”狭窄，地层易压漏，因此通常使用低密度水泥浆(通常密度范围：1.30-1.60g/cm³)进行深水表层固井作业。

构建低密度水泥浆通常有两种方式，第一种是在水泥浆中加入如水玻璃、般土等物质作为悬浮剂(Extender)，为低密度水泥浆提供稳定性，但采用此种方式所构建的低密度水泥浆稠化时间不易调节，在低温下的强度发展十分缓慢，难以符合深水表层固井作业的需要。第二种是在水泥浆中加入密度很低的物质如空心微珠，作为减轻剂(Lightweightagent)，采用此种方式所构建的低密度水泥浆，尽管在低温下的强度发展较快，可以满足深水表层固井作业的需要，但同时存在水泥浆造浆率低，配方组成复杂；空心微珠使用量大，不利于运输储存；现场加料不便，施工工作量巨大等缺陷，对于缺乏岸基支持的作业现场，这种情况尤为明显。

目前，各大石油服务公司通常采用空心微珠构建深水表层固井作业所使用的低密度水泥浆，以满足对水泥浆密度及抗压强度的要求，但由于上述技术缺点以及近年来国际油价的下行与空心微珠价格的上涨，采用空心微珠所构建的低密度水泥浆体系已渐渐不能满足实际施工的需求，世界范围内的作业服务公司均在构建既能满足现场性能需求，又能有效控制成本的低密度水泥浆体系，以满足新形势下的作业需要。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本申请涉及一种可用于深水表层固井的低密度水泥浆体系，用以解决现有深水表层固井水泥浆造浆率低，配方组成复杂；空心微珠使用量大，不利于运输储存；现场加料不便，施工工作量巨大等缺陷，以提高深水表层固井效率及固井质量。

第一方面，本申请提供了一种深水表层固井用低密度水泥浆体系，所述低密度水泥浆体系包括以下重量份的组分：水泥100份、液体悬浮剂5-40份、液体增强剂5-40份、液体降失水剂4-10份、液体早强剂2-10份、消泡剂0.05-1.5份，淡水或海水50-250份。

可选地，所述低密度水泥浆体系包括以下重量份的组分：水泥100份、液体悬浮剂10-30份、液体增强剂10-30份、液体降失水剂5-8份、液体早强剂4-7份、消泡剂0.08-1.2份，淡水或海水100-200份。

可选地，所述液体悬浮剂包括二氧化硅液体、聚氨酯悬浮剂和水，并且所述二氧化硅液体:聚氨酯悬浮剂:水的重量比为40～70:10～30:20～50。

可选地，所述二氧化硅液体中二氧化硅的含量为20～60重量％。

可选地，所述二氧化硅液体中二氧化硅的粒径为5～1000nm，所述二氧化硅液体的pH为7～14；可选地，为8.5～11.5。

可选地，所述液体早强剂包括以下重量百分比的各组分：碱金属硫酸盐和/或碱土金属硫酸盐33～66％，碱金属硅酸盐1～15％，碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物5～15％，乙二醇10～30％，醇胺0.3～2％，助剂0.1～1％，增稠剂0.1-2％，余量为水。

可选地，所述碱金属硫酸盐选Li2SO4、Na2SO4或K2SO4中的一种或几种，所述碱土金属硫酸盐为CaSO4。

可选地，所述碱金属硅酸盐选的分子式为R2O·mSiO2，其中R为Na、K或Li，m＝1～6；可选地，m＝2～4。

可选地，所述碱金属氢氧化物选自由NaOH、KOH和LiOH组成的组，所述碱土金属氢氧化物为Ca(OH)2。

可选地，所述碱土金属氢氧化物为纳米Ca(OH)2，所述纳米Ca(OH)2的粒径为200～500nm。

可选地，所述液体增强剂为偏高岭土、微硅或超细矿渣中的一种或几种的液体悬浮液。

可选地，所述液体降失水剂为聚乙烯醇降失水剂或AMPS聚合物降失水剂。

可选地，所述液体消泡剂为有机硅类消泡剂。

第二方面，本申请提供一种如上所述的低密度水泥浆体系在深水表层固井中的用途。

与现有技术相比，该水泥浆体系中不含空心微珠，所有外加剂均为液体，因此具有造浆率高，体系构成简单，现场施工方便等优点。同时，水泥浆稠化时间、失水等性能易于调节，可泵性好，在低温下的强度发展迅速。

具体实施方式

下面通过实施例来描述本申请的实施方式，本领域的技术人员应当认识到，这些具体的实施例仅表明为了达到本申请的目的而选择的实施技术方案，并不是对技术方案的限制。根据本申请的教导，结合现有技术对本申请技术方案的改进是显然的，均属于本申请保护的范围。

以下实施例中所使用的原料和试剂，如无特别说明，均为普通市售产品。

以下实施例中，液体早强剂的制备方法为：

按重量百分比称量各组分；

将增稠剂加入水中，搅拌形成具有粘度的溶液；

将碱金属硫酸盐和/或碱土金属硫酸盐、碱金属硅酸盐加入到乙二醇中，搅拌后加入至所述溶液中；

加入碱金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物，搅拌；

加入醇胺，搅拌；

加入助剂，搅拌，即得到固井用早强剂。

以下实施例中，液体悬浮剂的制备方法为：

按重量百分比称量各组分；

将各组分搅拌均匀，即得到液体悬浮剂。

在本申请的实施方式中，所述聚氨脂悬浮剂可以为普通市售获得的产品或者利用本领域常用的方法制得。聚氨脂悬浮剂，又叫聚氨脂增稠剂(HEUR)，在涂料行业内广泛使用。由疏水基、亲水链和聚氨酯基三部分组成。疏水基起缔合作用，是增稠的决定因素，疏水基常是油基、十八烷基、十二烷苯基、壬酚基等。亲水链能提供化学稳定性和粘度稳定性，常用的是聚醚。HEUR的分子链是通过聚氨酯基来扩展的，所用聚氨酯基有IPDI、TDI、HMDI等。

实施例1

液体悬浮剂的制备：

分别称取50g二氧化硅液体LUDOX HS 40，15g聚氨脂悬浮剂ACRYSOL RM-8W，35g去离子水混合，搅拌均匀，即得液体悬浮剂。其中，LUDOX HS40中二氧化硅的粒径为12nm，含量为40％，pH＝9.5。

液体早强剂的制备：

纳米Ca(OH)₂的制备：

(1)称取11.1g氯化钙及40g去离子水置于烧杯中搅拌溶解，待完全溶解后置于60℃的水浴锅中；

(2)向烧杯中加入4g聚羧酸类分散剂，搅拌均匀；

(3)称取10g氢氧化钠溶于20g去离子水中，待完全溶解后置入滴液漏斗中，将氢氧化钠溶液以滴加的方式加入到烧杯中，并且一边滴加一边搅拌。

(4)抽滤得到固体，将抽滤得到的固体用乙醇冲洗并抽滤后再用去离子水冲洗并抽滤，总共冲洗8次。

制备的纳米Ca(OH)₂的粒径为200～500nm。

液体早强剂的制备：

(1)称取1g增稠剂，增稠剂为黄原胶，将增稠剂缓慢加入到盛有100g去离子水的烧杯中，并搅拌1h，形成均匀粘稠的溶液；

(2)称取87g>2SO₄、113g>2SO₄及16g>2SiO₃，加入到70g乙二醇中，搅拌使之分散均匀；

(3)称取80g步骤(1)得到的溶液加入步骤(2)得到的液体中，并搅拌使之混合均匀；

(4)加入24g所制备的纳米Ca(OH)₂，搅拌使之混合均匀；

(5)加入5g三乙醇胺，搅拌使之混合均匀；

(6)加入0.6g助剂，助剂为卡松，搅拌使之混合均匀，即得到早强剂。

液体增强剂的制备：

称取0.2g温伦胶(购自河北鑫合生物化工有限公司)，该温伦胶具有增稠作用，使偏高岭土、超细矿渣等组分均匀悬浮在水中，将温伦胶加入至50g去离子水中，搅拌均匀后加入50g偏高岭土(购自巴斯夫化学股份有限公司)，搅拌使之混合均匀，即得液体增强剂。

低密度水泥浆体系的制备：

称取G级油井水泥100份、如上所述的液体悬浮剂8份、如上所述的液体增强剂18份、聚乙烯醇降失水剂4份(PC-G75L，购自天津中海油服化学有限公司)、如上所述的液体早强剂6份、有机硅类消泡剂1.0份(PC-X63L，购自天津中海油服化学有限公司)，海水76份，按照API 10B RP中的规定搅拌使之混合均匀，即得低密度水泥浆体系。

实施例2

液体悬浮剂的制备：

分别称取50g二氧化硅液体LUDOX AS 40，20g聚氨脂悬浮剂ACRYSOL RM-8W，30g去离子水混合，搅拌均匀，即得液体悬浮剂。其中，LUDOX AS 40中二氧化硅的粒径为22nm，含量为40％，pH＝9.4。

液体早强剂的制备：

(1)称取1.38g黄原胶，缓慢加入到盛有100g去离子水的烧杯中，并搅拌1h，形成均匀粘稠的溶液；

(2)称取142g>2SO₄及148g>2SO₄及16g>2SiO₃，加入到80g乙二醇中，搅拌使之分散均匀；

(3)称取80g步骤(1)得到的溶液加入步骤(2)得到的液体中，并搅拌使之混合均匀；

(4)加入28g实施例1制备的纳米Ca(OH)₂，搅拌使之混合均匀；

(5)加入7.2g三乙醇胺，搅拌使之混合均匀；

(6)加入0.6g卡松，搅拌使之混合均匀，即得液体早强剂。

液体增强剂的制备：

称取0.32g温伦胶(购自河北鑫合生物化工有限公司)，将温伦胶加入至50g去离子水中，搅拌均匀后加入25g超细矿渣(购自南京柏阳化工有限公司)，25g偏高岭土(购自巴斯夫化学股份有限公司)，搅拌使之混合均匀，即得液体增强剂。

低密度水泥浆体系的制备：

称取G级油井水泥100份、如上所述的液体悬浮剂16份、如上所述的液体增强剂24份、AMPS聚合物降失水剂6份(AMPS聚合物降失水剂型号为PC-G80L，购自天津中海油服化学有限公司)、如上所述的液体早强剂8份、有机硅类消泡剂0.8份(有机硅类消泡剂型号为PC-X63L，购自天津中海油服化学有限公司)，淡水94份，按照API 10B RP中的规定搅拌使之混合均匀，即得低密度水泥浆体系。

实施例3

液体悬浮剂的制备：

分别称取55g二氧化硅液体LUDOX SM 30，25g聚氨脂悬浮剂ACRYSOL RM-2020W，20g去离子水混合，搅拌均匀，即得液体悬浮剂。其中，LUDOX SM30中二氧化硅的粒径为7nm，含量为30％，pH＝10。

液体早强剂的制备：

(1)称取1.2g黄原胶，缓慢加入到盛有100g去离子水的烧杯中，并搅拌1h，形成均匀粘稠的溶液；

(2)称取160g>2SO₄及3g>2SiO₃，加入到50g乙二醇中，搅拌使之分散均匀；

(3)称取50g步骤(1)得到的溶液加入步骤(2)得到的液体中，并搅拌使之混合均匀；

(4)加入20g实施例1制备的纳米Ca(OH)₂，搅拌使之混合均匀；

(5)加入3.8g三乙醇胺，搅拌使之混合均匀；

(6)加入1.2g卡松，搅拌使之混合均匀，即得液体早强剂。

液体增强剂的制备：

称取0.28g温伦胶(购自河北鑫合生物化工有限公司)，将温伦胶加入至50g去离子水中，搅拌均匀后加入10g超细矿渣(购自南京柏阳化工有限公司)，10g微硅(购自天津中海油服化学有限公司)，30g偏高岭土(购自巴斯夫化学股份有限公司)，搅拌使之混合均匀，即得液体增强剂。

低密度水泥浆体系的制备：

称取G级油井水泥100份、如上所述的液体悬浮剂22份、如上所述的液体增强剂30份、AMPS聚合物降失水剂8份(PC-G86L，购自天津中海油服化学有限公司)、如上所述的液体早强剂10份、有机硅类消泡剂1.0份(PC-X63L，购自天津中海油服化学有限公司)，海水142份，按照API 10B RP中的规定搅拌使之混合均匀，即得低密度水泥浆体系。

实施例4

液体悬浮剂的制备：

分别称取50g二氧化硅液体LUDOX HS 30，25g聚氨脂悬浮剂ACRYSOL RM-500，25g去离子水混合，搅拌均匀，即得液体悬浮剂。其中，LUDOX HS30中二氧化硅的粒径为12nm，含量为30％，pH＝9.8。

液体早强剂的制备：

(1)称取1.0g黄原胶，缓慢加入到盛有100g去离子水的烧杯中，并搅拌1h，形成均匀粘稠的溶液；

(2)称取200g>2SO₄及4g>2SiO₃，加入到60g乙二醇中，搅拌使之分散均匀；

(3)称取80g步骤(1)得到的溶液加入步骤(2)得到的液体中，并搅拌使之混合均匀；

(4)加入20g实施例1制备的纳米Ca(OH)₂，搅拌使之混合均匀；

(5)加入4.8g三乙醇胺，搅拌使之混合均匀；

(6)加入0.7g卡松，搅拌使之混合均匀，即得液体早强剂。

液体增强剂的制备：

称取0.30g温伦胶(购自河北鑫合生物化工有限公司)，将温伦胶加入至50g去离子水中，搅拌均匀后加入10g微硅(购自天津中海油服化学有限公司)，40g偏高岭土(购自巴斯夫化学股份有限公司)，搅拌使之混合均匀，即得液体增强剂。

低密度水泥浆体系的制备：

称取G级油井水泥100份、如上所述的液体悬浮剂30份、如上所述的液体增强剂40份、聚乙烯醇降失水剂10份(PC-G74L，购自中海油服化学有限公司)、如上所述的液体早强剂12份、有机硅类消泡剂0.5份(PC-X63L，购自中海油服化学有限公司)，海水224份，按照API 10B RP中的规定搅拌使之混合均匀，即得低密度水泥浆体系。

将实施例1-4制得的低密度水泥浆体系按照API 10B中的深水固井试验标准进行性能测试，结果如表1所示。

表1低密度水泥浆体系性能测试数据

从上表的测试结果可以看出，所得各密度水泥浆自由液均为零，性状稳定，失水、稠化时间及流变性能良好，低温下强度发展迅速，能够满足现场施工需要。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。