CN116496065A - 一种低密度高强度页岩气固井水泥浆 - Google Patents
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Abstract
一种低密度高强度页岩气固井水泥浆。属于油田化学技术领域。其中固态物料按重量份数计，包括：水泥20～30、早强剂2～3、减水剂0～5；所述固态物料还包括以下重量份数的四元复合添加料：微硅5～15、陶瓷微粒25～35、珍珠粉10～15和矿渣25～30；以及二水石膏5；所形成的固态物料按水灰比为1‑1.2，得固井水泥浆。所述水泥为800‑1000目的超细水泥。本发明适用于低压易漏失地层,解决了水泥返高不够、固井漏失等问题；极大地降低油田固井成本；可直接与水按比例混合，操作简单，减少现场混拌工序。
Description
技术领域
本发明属于油田化学技术领域，涉及一种低密度高强度页岩气固井水泥浆及其制备方法和应用。
技术背景
循环液漏失是石油天然气行业钻井完井工程中常见的现象，是影响钻井固井作业安全和质量的主要因素。在固井作业中，为解决低压易漏失地层、地层压力不平衡等问题，减少油气循环损失，低密度水泥浆体系应运而生。石油和天然气公司设计了多种低密度水泥，如陶瓷微粒水泥、空心玻璃微珠水泥和泡沫水泥。由于空心玻璃微珠水泥的物理性能更为稳定，因此在固井作业中应用更为广泛，可防止循环液漏失。
目前，国内油田常用的低密度水泥浆体系主要有陶瓷微粒低密度水泥浆和漂珠低密度水泥浆。但陶瓷微粒受自身特性的限制及对水泥浆性能的影响较大，难以配制出密度小于1.50g/cm3的水泥浆。漂珠低密度水泥浆可将密度降低至1. l0g/cm3，但漂珠作为发电厂的工业副产品，随着环境保护理念的深化，国家不断加大自然生态系统和环境保护力度，对发电厂烟道排放设施的改进，漂珠的产量已经日趋减少，最终将停止对漂珠这种副产品的生产。尽管目前国外生产高性能的人造空心玻璃漂珠的技术成熟，但由于其价格昂贵，导致固井成本大幅度提高。此外，漂珠在较高的压力条件下或剪切速率较大时，容易破碎，造成固井事故，难以满足部分油气田要求。
国家知识产权局于2022.09.09授权公告的授权公告号为CN112723822B，名称为“一种固井用低水化热低密度水泥浆体系及其制备方法和用途”，该低水化热低密度水泥浆体系，按重量份数计，包括以下组份：低热硅酸盐水泥60～70份；复合减轻材料30～40份；降失水剂2～3份；缓凝剂0～0.15份；增强剂0～1.5份；水70～85份。所配制的低水化热低密度水泥浆体系，具有较宽的温度使用范围：40-85℃，适中的密度使用范围：1.25-1.45g/cm3；对比同条件下G级水泥低密度体系，具备更长的稠化时间(延长40-80min)，更高的24/48h凝固强度(提高15-30％)。同时给配方体系性能调整，留出了合理的单向调整空间，解决了现有体系中“缓凝剂”与“增强剂”同时使用的矛盾和难题，同时又大量降低外加剂的使用量。
然而，其低热硅酸盐水泥主要矿物为C2S，其早期水化速率往往不到C3S的1/10，水泥早期水化速率较低，虽然一定程度上降低了水化放热，但不利于早期强度的发展与性能发挥。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明的技术方案为：一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其中固态物料按重量份数计，包括：
水泥20～30、
早强剂2～3、
减水剂0～5；
所述固态物料还包括以下重量份数的四元复合添加料：微硅5～15、陶瓷微粒25～35、珍珠粉10～15和矿渣25～30；
以及二水石膏5；
所形成的固态物料按水灰比为1-1.2，得固井水泥浆。
所述水泥为800-1000目的超细水泥。
所述超细水泥，包括如下质量百分比的矿物组份：硅酸三钙15%~35%；硅酸二钙17%~45% ；铝酸三钙20%~24%；铁铝酸四钙15%~24% ；氧化钙0.1~0.3%，余量为混合矿物杂质；
所述超细水泥的密度为3.18g/cm3，放热速率3d水化热小于210kJ/kg。
所述微硅的密度为2.80g/cm3，微硅中SiO2的质量含量≥85%。
所述陶瓷微粒的密度为2.44g/cm3。
所述珍珠粉的化学成分包括:SiO270～76%，Al2O313～15% ，Fe2O30.5～1% ，CaO 1～2%和MgO 0.5～1%，余量为混合矿物杂质。
所述早强剂为G204油井水泥早强剂。
所述减水剂为聚羧酸型减水剂。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明的“低密度高强度水泥浆体系”，适用于低压易漏失地层,解决了水泥返高不够、固井漏失等问题；
2、本发明用复合减轻材料（微硅、陶瓷微粒和珍珠粉）代替漂珠，极大地降低油田固井成本；
3、本发明所使用的早强剂为卫辉市化工有限公司在市场上公开出售的产品，容易获取，提高中小型企业经济效益；
4、本发明的水泥可直接与水按比例混合，操作简单，减少现场混拌工序。
具体实施方式
本发明提供了一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其中固态物料按重量份数计，包括：
水泥20～30、
早强剂2～3、
减水剂0～5；
所述固态物料还包括以下重量份数的四元复合添加料：微硅5～15、陶瓷微粒25～35、珍珠粉10～15和矿渣25～30；
以及二水石膏5；二水石膏为碱激发剂，激活矿渣，提高强度。
所形成的固态物料按水灰比为1-1.2，得固井水泥浆。
本发明中的固井水泥浆为能够达到密度1.25~1.35g/cm3的非漂珠不可压缩低密度水泥浆体系，在实现降低固井成本的同时，保障施工安全。
本发明中微硅、矿渣和珍珠粉协同作用。根据水泥浆组成材料颗粒堆积理论模型,选择不同粒径的胶凝材料（微硅、矿渣和珍珠粉）进行紧密堆积。一方面，在水泥浆水化过程中充分分布于水泥浆浆体空隙中，起到良好的充填作用；另一方面,可以提高水泥石的致密性，有效促进水泥石早期强度发展。
所述水泥为800-1000目的超细水泥。组分粒径小，可提高水泥石填充性及致密性，水化反应快，可提高水泥石早期强度。
所述超细水泥，包括如下质量百分比的矿物组份：硅酸三钙15%~35%；硅酸二钙17%~45% ；铝酸三钙20%~24%；铁铝酸四钙15%~24% ；氧化钙0.1~0.3%，余量为混合矿物杂质；
所述超细水泥的密度为3.18g/cm3，放热速率3d水化热小于210kJ/kg。
所述微硅的密度为2.80g/cm3，微硅中SiO2的质量含量≥85%。降低密度，减少水灰比，降低自由水，提高单位体积内固相颗粒含量，促进水泥石强度发展。同时，也是保证浆体稳定性的材料。
所述陶瓷微粒的密度为2.44g/cm3。这样，在降低浆体密度的同时，在碱性环境中具有火山灰反应活性，提供强度。
所述珍珠粉的化学成分包括:SiO270～76%，Al2O313～15% ，Fe2O30.5～1% ，CaO 1～2%和MgO 0.5～1%，余量为混合矿物杂质。降低浆体密度，减少水灰比，降低自由水，防止水泥浆出现泌水现象，避免不稳定。
所述早强剂为G204油井水泥早强剂，由无机早强材料为主组合而成，为卫辉市化工有限公司在市场上公开出售的产品，24h 强度＞6MPa。
所述减水剂为SD105，是一种聚羧酸型减水剂。降低水泥浆稠度，使水泥更容易均匀地分布在水中，提高水泥浆的流动性。
本发明中固井水泥浆的制备方法为：将超细水泥、微硅、矿渣、陶瓷微粒、珍珠粉、二水石膏、早强剂和减水剂，按照以上重量份配料后，按照水灰比1.00~1.20的配比混合。
由于超细水泥粒径小，比表面积大，颗粒表面润湿需水量大，在水泥浆达到相同流变性能的条件下，水泥浆需水量更大，水灰比(水泥浆中水与水泥重量百分比)更高，增大水泥浆硬化后水泥石的孔隙度。
现在结合具体实施例，对本发明作进一步描述。显然，不能因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均应属于本发明的保护范围。
一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，按重量份数计：超细水泥20、矿渣25、微硅10、陶瓷微粒25、珍珠粉15、二水石膏5、G204 2、减水剂0.5，将上述原料混合均匀后按照水灰比1：1配置。本实施例的水泥物理性能如表1所示。
实施例2
一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，按重量份数计：超细水泥20、矿渣30、微硅15、陶瓷微粒35、珍珠粉10、二水石膏5、G204 3，将上述原料混合均匀后按照水灰比1：1.2配置。本实施例的水泥物理性能如表1所示。
实施例3
一种低密度高强度页岩气固井水泥浆及，按重量份数计：超细水泥30、矿渣25、微硅10、陶瓷微粒30、珍珠粉10、二水石膏5、G204 2、减水剂0.5，将上述原料混合均匀后按照水灰比1：1配置。本实施例的水泥物理性能如表1所示。
实施例4
一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，按重量份数计：超细水泥25、矿渣30、微硅15、陶瓷微粒30、珍珠粉15、二水石膏5、G204 3，将上述原料混合均匀后按照水灰比1：1.2配置。本实施例的水泥物理性能如表1所示。
表1 实施例各物化性能指标
本发明所提供的低密度高强度页岩气固井水泥浆体系具有低密度、高强度、流变稳定性良好等特点，能满足我国不同区域低漏失压力井固井要求，且其成本较低，满足油田需求。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (8)
1.一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其中固态物料按重量份数计，包括：
水泥20～30、
早强剂2～3、
减水剂0～5；
其特征在于，所述固态物料还包括以下重量份数的四元复合添加料：微硅5～15、陶瓷微粒25～35、珍珠粉10～15和矿渣25～30；
以及二水石膏5；
所形成的固态物料按水灰比为1-1.2，得固井水泥浆。
2.根据权利要求1所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述水泥为800-1000目的超细水泥。
3.根据权利要求2所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述超细水泥，包括如下质量百分比的矿物组份：硅酸三钙15%~35%；硅酸二钙17%~45% ；铝酸三钙20%~24%；铁铝酸四钙15%~24% ；氧化钙0.1~0.3%，余量为混合矿物杂质；
所述超细水泥的密度为3.18g/cm3，放热速率3d水化热小于210kJ/kg。
4.根据权利要求1所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述微硅的密度为2.80g/cm3，微硅中SiO2的质量含量≥85%。
5.根据权利要求1所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述陶瓷微粒的密度为2.44g/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述珍珠粉的化学成分包括:SiO2 70～76%，Al2O3 13～15% ，Fe2O3 0.5～1% ，CaO 1～2%和MgO 0.5～1%，余量为混合矿物杂质。
7.根据权利要求1所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述早强剂为G204油井水泥早强剂。
8.根据权利要求1所述的一种低密度高强度页岩气固井水泥浆，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸型减水剂。
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