一种低液固比油井水泥浆及制备方法

摘要

本发明公开了一种低液固比油井水泥浆及制备方法。油井水泥浆是由包括以下组分的原料制备而得：各组分按重量份数计：油井水泥100份；球化硅粉10‑25份；普通硅粉0‑20份；其中球化硅粉和普通硅粉总量为20‑40份；液体油井水泥降失水剂1‑5份；油井水泥分散剂0.1‑1.0份；水49‑54份，其中油井水泥降失水剂、水总份数50‑55份；球化硅粉平均粒径在110‑180μm之间，球形度>0.9；普通硅粉平均粒径10μm‑70μm之间。本发明以球形化硅粉为基础的低液固比防气窜水泥浆体系，形成的水泥浆流动性好，渗透率低，水泥石强度提高，同时有效降低固井成本，提高水泥石防窜能力和耐久性。

说明书

技术领域

本发明涉及油气井领域，进一步地说，是涉及一种低液固比油井水泥浆及制备方法。

背景技术

随着气井环空带压现象越来越普遍，水泥浆的防气窜能力、水泥环的封固质量和耐久性越来越受到行业内的重视。针对当前高温高压气井、油井及其它复杂井，为了有效提高水泥石的防窜能力，采用特殊功能的油井水泥外加剂和外掺料提高水泥石性能，通常采用胶乳等材料，增加水泥浆气阻，同时有效降低水泥浆渗透率，提高水泥浆防窜效果和增强水泥石的耐久性；第二类方法即采用无基纳米填充材料，提高水泥石的密实性，增强水泥浆防窜能力和耐久性；第三类方法即采用紧密堆积技术，提高水泥石的密实性，提升水泥浆性能；第四类方法即采用配套的固井工艺技术，实现有效地压稳。

尽管上述技术在现场应用中均取得了较好的应用效果，但是采用胶乳及无机纳米材料填充显著增加固井成本，同时采用紧密堆积技术由于受水泥本身的差异及水泥浆设计的复杂性，难以得到广泛的应用，配套的防窜固井工艺通常需要性能优良的固井水泥浆体系，方能取得良好的应用效果。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种低液固比油井水泥浆及制备方法。以球形化硅粉为基础的低液固比防气窜水泥浆体系，形成的水泥浆流动性好，渗透率低，水泥石强度提高，相比同性能的水泥浆体系，能有效降低固井成本，有效提高水泥石防窜能力和耐久性。

本发明的目的之一是提供一种低液固比高性能防窜油井水泥浆配方。

所述油井水泥浆是由包括以下组分的原料制备而得：

各组分按重量份数计：

G级油井水泥100份；

球化硅粉10～25份，优选为15-25份；

普通硅粉0～20份，优选为10-20份；

其中球化硅粉和普通硅粉总量为20-40份；优选为35～40份；

液体油井水泥降失水剂1～5份，优选为2-4份；

油井水泥分散剂0.1-1.0份；

水49-54份；

其中油井水泥降失水剂、水总份数50-55份；

所述球化硅粉平均粒径在110-180μm之间，球形度>0.8；球化硅粉是利用高纯度普通超细硅粉，采用等离子技术成球，形成球形度较高的硅粉，添加适量的该类材料，提高滚珠效应，提高水泥浆流动性，降低水灰比，整体提高水泥浆性能指标。

所述普通硅粉平均粒径10μm-70μm之间；

所述液体油井水泥降失水剂2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸类(三元共聚物AMPS、二元共聚AMPS)、聚乙烯醇类(硼砂交联PVA)中的一种或组合，优选为聚乙烯醇类；

所述油井水泥分散剂为甲醛丙酮缩聚类、聚羧酸类中的一种或组合(磺化甲醛丙酮缩聚物SAF,聚丙烯酸)。

所述油井水泥浆的水固比0.38-0.40，水泥石渗透率<0.05mD，SPN<2。

现在有的水泥浆体系，如果实验温度超过110℃，就必须要求添加硅粉。目前没有水泥浆添加球形化硅粉；硅粉球形化的作用是：将形状不规则的硅粉球形化后，能够增强硅粉在水泥中的滚珠效应，增加水泥浆的流动性，降低液固比，提高加砂水泥浆体系的性能。

本发明的目的之二是提供一种低液固比油井水泥浆的制备方法。

所述组分按所述用量搅拌混合后制得所述低液固比油井水泥浆。

利用GB/T19139-2012油井水泥试验方法配置水泥浆

(1)按照组份比例称取粉体材料，并混拌；

(2)按照比例称取液体外加剂和水

(3)将液体外加剂和水在搅拌器中以1000-2000转/分钟转速搅拌30-60s；

(4)将粉体材料缓慢倒入搅拌器中，转速4000转/分钟，时间小于30s；

(5)按照10000转/分钟转速搅拌水泥浆50s；

(6)停止搅拌，形成低液固比油井水泥浆

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)形成的水泥浆体系水固比同类水泥浆低；

(2)形成的水泥浆体系渗透率低于0.05mD,强度高；

(3)形成的水泥浆体系同比相同类型的水泥浆体系成本有效降低；

(4)与常规水泥浆相比水泥石耐久性提高；

(5)与常规水泥浆相比水泥石防止气窜能力提高；

(6)与常规水泥浆相比水泥石环空密封能力提高。

附图说明

图1球化硅粉的电镜图；

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1

将100份质量重量嘉华G级油井水泥，15份平均粒径为180μm球形化硅粉,球型度0.9(S-SiOBall-180,德州大陆架公司生产)和20份平均粒径为70μm的普通硅粉(S-SiO-70,德州大陆架公司生产)，预先混拌均匀；称取2份油井水泥降失水剂(DZJ-Y，德州大陆架公司生产)，称取1.0份油井水泥分散剂(DZS，德州大陆架公司生产)，称取49份清水，体系总水固比为：0.385，将清水、降失水剂、分散剂按照先后顺序依次倒入搅拌浆杯中，按照1000-2000rpm转速搅拌30-60s，将搅拌器转速调整至4000rpm，在30s内将混有硅粉的水泥倒入搅拌浆杯中，水泥倒入浆杯后，调整转速至10000rpm，高速搅拌50s；设置常压稠化仪温度93℃，浆配置好的水泥浆倒入稠化仪浆杯中，养护20min，并采用六速度粘度计测量水泥浆流变性能，测量水泥浆流型指数n＝0.71，并将养护后的水泥浆倒入强度养护磨具，并放入高温高压养护釜中，设置养护压力和温度为20MPa和130℃，48h后测量水泥石气体渗透率为0.03mD，水泥石强度为37.3MP a,测量并计算SPN＝1；采用同样的方法配置水泥浆500ml，利用千德乐4268ES型水泥收缩/膨胀仪测量水泥石7天膨胀收缩量为0.04％，表现为微膨胀。采用CP-1型水泥环长期密封性评价装置开展水泥环在应力疲劳下的耐久性评价，在35MPa应力交变和50℃温度交变条件下，水泥环100周期内，然具有良好的密封能力。

实施例2

将100份质量重量嘉华G级油井水泥，25份平均粒径为110μm球形化硅粉，球形度0.9(S-SiOBall-110,德州大陆架公司生产)和10份平均粒径为10μm的普通硅粉(S-SiO-10,德州大陆架公司生产)，预先混拌均匀；称取4份油井水泥降失水剂(DZJ-Y，德州大陆架公司生产)，称取0.1份油井水泥分散剂(DZS，德州大陆架公司生产)，称取54份清水，体系总水固比为0.429，将清水、降失水剂、分散剂按照先后顺序依次倒入搅拌浆杯中，按照1000-2000rpm转速搅拌30-60s，将搅拌器转速调整至4000rpm，在30s内将混有硅粉的水泥倒入搅拌浆杯中，水泥倒入浆杯后，调整转速至10000rpm，高速搅拌50s；设置常压稠化仪温度93℃，浆配置好的水泥浆倒入稠化仪浆杯中，养护20min，并采用六速度粘度计测量水泥浆流变性能，测量水泥浆流型指数n＝0.65，并将养护后的水泥浆倒入强度养护磨具，并放入高温高压养护釜中，设置养护压力和温度为20MPa和130℃，48h后测量水泥石气体渗透率为0.04mD，水泥石强度为35.2Mpa，测量并计算SPN＝1.5；采用同样的方法配置水泥浆500ml，利用千德乐4268ES型水泥收缩/膨胀仪测量水泥石7天膨胀收缩量为0.02％，表现为微膨胀。采用CP-1型水泥环长期密封性评价装置开展水泥环在应力疲劳下的耐久性评价，在35MPa应力交变和50℃温度交变条件下，水泥环100周期内，然具有良好的密封能力。

对比例1

将100份质量重量嘉华G级油井水泥，35份平均粒径为70μm的普通硅粉(S-SiO-70,德州大陆架公司生产)，预先混拌均匀；称取4份油井水泥降失水剂(DZJ-Y，德州大陆架公司生产)，称取0.5份油井水泥分散剂(DZS，德州大陆架公司生产)，称取55.4份清水(水固比0.44)，将清水、降失水剂、分散剂按照先后顺序依次倒入搅拌浆杯中，按照1000-2000rpm转速搅拌30-60s，将搅拌器转速调整至4000rpm，在30s内将混有硅粉的水泥倒入搅拌浆杯中，水泥倒入浆杯后，调整转速至10000rpm，高速搅拌50s；设置常压稠化仪温度93℃，浆配置好的水泥浆倒入稠化仪浆杯中，养护20min，并采用六速度粘度计测量水泥浆流变性能，测量水泥浆流型指数n＝0.75，并将养护后的水泥浆倒入强度养护磨具，并放入高温高压养护釜中，设置养护压力和温度为20MPa和130℃，48h后测量水泥石气体渗透率为0.24mD，水泥石强度为21.4MPa；采用同样的方法配置水泥浆500ml，利用千德乐4268ES型水泥收缩/膨胀仪测量水泥石7天膨胀收缩量为-0.18％，表现为收缩。采用CP-1型水泥环长期密封性评价装置开展水泥环在应力疲劳下的耐久性评价，在35MPa应力交变和50℃温度交变条件下，水泥环13周期水泥环即发生气窜。

对比例2

将100份质量重量嘉华G级油井水泥，35份平均粒径为70μm的普通硅粉(S-SiO-70,德州大陆架公司生产)，预先混拌均匀；称取4份油井水泥降失水剂(DZJ-Y，德州大陆架公司生产)，称取0.5份油井水泥分散剂(DZS，德州大陆架公司生产)，称取丁苯胶乳15份(DC200，德州大陆架公司生产)，称取40.4份清水(液固比0.44)，将清水、丁苯胶乳、降失水剂、分散剂按照先后顺序依次倒入搅拌浆杯中，按照1000-2000rpm转速搅拌30-60s，将搅拌器转速调整至4000rpm，在30s内将混有硅粉的水泥倒入搅拌浆杯中，水泥倒入浆杯后，调整转速至10000rpm，高速搅拌50s；设置常压稠化仪温度93℃，浆配置好的水泥浆倒入稠化仪浆杯中，养护20min，并采用六速度粘度计测量水泥浆流变性能，测量水泥浆流型指数n＝0.61，并将养护后的水泥浆倒入强度养护磨具，并放入高温高压养护釜中，设置养护压力和温度为20MPa和130℃，48h后测量水泥石气体渗透率为0.08mD，水泥石强度为24.4MPa；采用同样的方法配置水泥浆500ml，利用千德乐4268ES型水泥收缩/膨胀仪测量水泥石7天膨胀收缩量为0.05％，表现为微膨胀。采用CP-1型水泥环长期密封性评价装置开展水泥环在应力疲劳下的耐久性评价，在35MPa应力交变和50℃温度交变条件下，水泥环100周期水泥环未发生气窜；

通过实施例1和实施例2及对比例1常规水泥浆可以发现，采用球形化硅粉，在有效降低水泥浆液固比时，水泥石渗透率显著降低，降幅达82.14％，48小时水泥石强度提高39.2％，疲劳周期提高至100周期以上，能够有效提高水泥环耐久性。

实施例与对比例2中胶乳水泥浆相比，水泥石渗透率相当，水泥石的耐久性相当，但是本采用球形化硅粉能够显著降低水泥浆成本。