用于油井等的低密度和低孔隙度的灌注泥浆

本发明涉及油井、气井、水井、地热井等的钻井技术。更精确地，本 发明涉及低密度和低孔隙度的灌注泥浆。

油井等钻完之后，将套管或挠性油管下到钻孔中，并在其整个或部分 高度灌注水泥。灌注水泥的具体作用是消除钻孔通过的各构造层之间的流 体交换，防止气体通过套管周围的环形间隙上升，它甚至还具有限制水进 入生产井的作用。当然，灌注水泥的另一主要目的是加固钻孔和保护套管。

由于是制备后即注入井中以便放置在需要加注水泥的区段，所以灌注 泥浆必须具有较低的粘度，而且它必须具有实际上恒定的流变学特性。然 而，一旦处于适当的位置，理想的水泥应迅速产生高的抗压强度，以便使 在建井的其他工作迅速重新开始，特别是使钻井继续进行。

水泥的密度必须调整，以便井底的压力至少补偿井通过的地质层组中 的钻孔压力，以避免坍塌的危险。除了密度下限外，还存在密度上限。该 上限即水泥柱所产生的静压力加上因泵送的流体循环所产生的压头损失， 必须保持低于灌注段中岩层的破裂压力。某些地质层组是非常容易碎裂的， 并且要求其密度接近于水的密度甚至更低。

坍塌的危险随着柱高而减小，因此补偿钻孔压力所需的密度就更低。 另外，灌注大高度柱是有利的，因为这能使灌注区段的数目降低。待区段 灌注完毕，钻井必须以更小的直径重新开始，所以具有大量的区段需要在 大直径区段的表面附近钻孔，从而导致额外的成本，因为大量的岩石需要 钻孔，还因为套管区段需要更多的直径更大的钢材。

所有这些因素均支持使用密度非常低的水泥浆。

使用最广泛的水泥浆具有约1900kg/m3的密度，该密度约为某些矿层 所需密度的2倍。为了降低密度，最简单的技术是增加水的数量，同时向 泥浆中加入稳定剂(称作“增量剂”)，以避免颗粒沉淀和/或在泥浆表面形 成游离水。显然，该技术不能使密度下降至接近1000kg/m3。而且，由这种 泥浆形成的硬化水泥具有大大降低了的抗压强度、高度的渗透性和差的粘 附能力。由于这些原因，该技术不能用来将密度降低至约1300kg/m3以下， 同时又保持地质层之间的良好隔离性并为套管提供充分的加强。

另一技术包括在水泥浆凝固之前向其中注入气体(一般为空气或氮气) 而使该水泥浆轻质化。加入的空气或氮气的数量使达到所需的密度。其可 以例如形成水泥泡沫。该技术提供的性能稍好于前面的技术，因为气体的 密度低于水的密度，所以需要加入的更少。然而，在石油工业的应用中， 即使是以已经用水轻质化的泥浆开始时，实际密度也保持大于1100kg/m3。 在一定“泡沫品质”即一定的气体体积与泡沫化泥浆体积之比以上，泡沫 的稳定性迅速衰退，泡沫凝固后的抗压强度变得太低，而且其渗透性变得 太高，从而危及在包含离子的热的含水介质中的耐久性，所述的离子可一 定程度地侵蚀水泥。

本发明的目的是提供灌注水泥浆，该水泥浆更适用于灌注油井等，具 有低密度和低孔隙度，而且不须混入气体就可以得到。

根据本发明，该目的是通过一种灌注油井等的水泥浆来实现的，该水 泥浆具有0.9～1.3g/cm3、特别是0.9～1.1g/cm3的密度，并且是由固体部分和 液体部分构成的，具有38～50％，优选小于45％的孔隙度(液体部分与固体 部分的体积比)。

该固体部分优选由包含下列组分的混合物组成：

-60～90％(按体积计)平均尺寸为20～350μm的轻质颗粒；

-10～30％(按体积计)平均颗粒直径为0.5～5μm的微细水泥；

-0～20％(按体积计)平均颗粒直径为20～50μm的波特兰水泥；和

-0～30％(按体积计)石膏。

所取得的低孔隙度能使机械性能和渗透性最优化。由于具有比常规的 轻质化体系好得多的机械性能及更低的渗透性，因此，超轻质水泥的防漏 与粘结特性以及这种制剂的抗化学侵袭性均优于目前使用的低密度体系， 即使本发明能够达到格外低的、甚至比水的密度还低的密度。此外，本发 明的水泥浆不需要气体，因此可以避免制备泡沫水泥将会需要的后勤供应。

本发明方法的特征在于将颗粒添加剂混入水泥浆，致使互相混合并与 泥浆的其他颗粒组分混合，特别是与微细水泥(或相容的水凝胶结剂)颗粒混 合，它们导至粒径分布显著地改变了泥浆的性质。所述的颗粒添加剂是有 机或无机的并且因其低密度而选取。

低密度是通过混合轻质颗粒与水泥(或相容的水凝胶结剂)混合而实现 的。然而，流变学和机械性能只有在颗粒尺寸及其体积分布按固体混合物 致密性最大化的方式选取时才是令人满意的。

对于具有两组分(轻质颗粒和微细水泥)的固体混合物，这种最大化的 致密性通常是通过轻质颗粒与微细水泥的体积比来实现的，该体积比为 70∶30～85∶15，优选75∶25～80∶20，所选取的轻质颗粒在尺寸上至少为微细水 泥颗粒尺寸的大约100倍，即一般选取尺寸大于100μm的颗粒。这些值是 可以变化的，特别是作为轻质颗粒的粒径分布中较大离差或较小离差的函 数。也可以使用平均尺寸大于20μm的颗粒，但是性能不太好。因为要灌 注的环形间隙的尺寸窄，一般不使用大于350μm的颗粒。

优选具有三种或更多种组分的混合物，因为它们能够获得更大的致密 性，只要各组分的平均尺寸显著不同。例如，可以使用平均尺寸150μm的 轻质颗粒、平均尺寸30μm的轻质颗粒与微细水泥的体积比接近55∶35∶10 的混合物，或者体积比较此最佳比例偏离一些，即由50～60％(按体积计)平 均直径100～400μm的第一轻质颗粒、30～45％平均直径20～40μm的第二 轻质颗粒和5～20％微细水泥构成的混合物。根据应用，中间尺寸的轻质颗 粒部分可以用普通尺寸的波特兰水泥，特别是G级的波特兰水泥代替。

本发明中所使用的术语“微细水泥”是指由平均尺寸约3μm的颗粒 构成的任何水凝胶结剂，其中不包含或者至少没有显著数量的尺寸大于 10μm的颗粒。它们具有如通过空气渗透试验测定的每单位重量的比表面 积，该比表面积一般约为0.8m2/g。

微细水泥基本上可以由波特兰水泥，特别是通常包含约65％石灰、25％ 硅石、4％矾土、4％氧化铁和小于1％氧化锰的G级波特兰水泥来构成，或 者等同于波特兰微细水泥与微细炉渣的混合物，即基本上由包含45％石灰、 30％硅石、10％矾土、1％氧化铁和5～6％氧化锰的渣块组合物制成的混合物 (这里只提到了主要的氧化物；而且这些浓度可自然地随供应商不同而略微 地变化)。对于极低温度(＜30℃)下的应用，因其反应活性而优选微细波特 兰水泥而不优选微细水泥与炉渣的混合物。如果需要在直角下凝固，可以 用石膏作为全部或部分的中等大小的颗粒。

轻质颗粒通常具有小于2g/cm3的密度，而且一般小于0.8g/cm3。举例 来说，可以使用中空微球体，特别是硅铝酸盐的中空微球体，称作煤胞 (cenospheres)，由燃烧煤得到的平均直径约150μm的剩余物。也可以使用 合成材料，如中空的玻璃珠，特别优选具有高抗压强度的硼硅酸钠钙玻璃 珠甚至陶瓷微球体，如硅石-矾土型的陶瓷微球体。这些轻质颗粒还可以是 塑料材料的颗粒，如聚丙烯珠。

一般而言，所述泥浆的密度基本上随着所选取的轻质颗粒的功能而进 行调整，但也可以改变水与固体(保持其体积为38～50％)的比例、微细水泥 或水凝胶结剂的数量(10～30％)，并加入普通尺寸的波特兰水泥代替部分的 轻质颗粒。

当然，所述泥浆还可以包括一种或多种如下类型的添加剂：分散剂、 防冻剂、保水剂、水泥凝固加速剂或减速剂和/或泡沫稳定剂，这些添加剂 通常加到液相中或者适当地混合在固相中。

根据本发明的制剂所具有的机械性能显著地优于具有相同密度的泡沫水 泥的机械性能。抗压强度非常高而且孔隙度非常低。结果，渗透性比具有相 同密度的泡沫水泥低若干个数量级，因而赋予该体系以显著的硬度特性。

本发明的方法大大地简化了灌注操作，因为它避免了发泡类型所需的 任何后勤供应。

根据本发明制备的泥浆还具有这样的优点，即可以在泥浆加入井之前 测定其全部特性(流变学特性、凝固时间、抗压强度等)，不象泡沫泥浆那样， 其中的某些参数只有在引入气体(凝固时间)之前才可以对泥浆进行测量。

下面的实施例是对本发明的解释而不是对本发明的范围的限制。

实施例1

只要摇实体积分数(PVF)最优化，就可以由两种或三种(甚至多种)不同 尺寸颗粒的混合物得到低密度和低孔隙度的水泥浆。

下面描述根据本发明制备的三种水泥浆的性质，并与常规的低密度稀 释水泥浆的性质以及泡沫体系的性质进行比较。

水泥浆A：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，取自平均尺 寸150μm的煤胞(比重0.75)；35％体积的平均尺寸为30μm的玻璃微球体； 及10％体积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm的炉渣的混合物。

所使用的微球体由3MTM出售，名称为Scotchlite S60/10000；这种微球 体具有0.6g/cm3的密度和这样的粒径分布，即10％的颗粒(按体积计)具有小 于15μm的尺寸，50％的颗粒具有小于30μm的尺寸，90％的颗粒具有小 于70μm的尺寸；选取这些颗粒的特别原因是它们具有高的抗压强度(90％ 的颗粒可以承受68.9MPa或10000psi的均衡压力)。

将水和下列添加剂与该粉末混合以确保水泥浆中液体的体积百分数为 42％：0.2％(粉末，即放在一起的所有固体颗粒(用于泥浆A的微细水泥、微 球体和煤胞)的重量百分比))的基于2-丙烯酰基氨基2-甲基丙烷磺酸(AMPS) 保水剂；每袋粉末0.03加仑的消泡剂；以及每袋粉末0.07加仑的基于聚萘 磺酸盐的超级增塑剂。应当注意，一袋粉末是类比水泥袋来定义的，每袋 包含45.359kg的混合物，换言之，1gpb＝0.03834升添加剂/1kg混合物。

水泥浆B：制备粉末混合物。它包含78％体积的中空球，取自平均尺 寸150μm和密度0.63g/cm3的煤胞；及22％体积的波特兰微细水泥与平均 尺寸约3μm的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.1加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆C：制备粉末混合物。它包含78％体积的平均尺寸30μm的 scotchlite玻璃微球体；及22％体积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm 的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 45％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.145加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆D：制备粉末混合物。它包含78.4％体积的来源于平均尺寸 150μm(密度0.72g/cm3)煤胞的中空微球及21.6％体积的G级波特兰水泥。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 57％：每袋粉末0.03加仑的消泡剂。

水泥浆E：基于G级波特兰水泥制备密度1900kg/m3的常规水泥浆。

用50％的泡沫数量将该水泥浆泡沫化，以便得到最终密度为950kg/m3 的水泥浆。 泥浆       A        B       C       D       E 密度     924(7.7)   1068(8.9)   1056(8.8)   1130(9.4)   950(7.9) 孔隙度     42％   42％   45％   57％   78％# PV     87   68   65 Ty     3.7(7.7)   8.6(18)   3.4(7.2) CS     11.7(1700)   19.3(2800)   14.5(2100)   2.48(360)   4.62(670)

密度以kg/m3(括号中每加仑的磅数)来表示。流变学特性以流动阈值Ty 来表示，单位为帕斯卡(括号中为每100平方英尺的磅数)，并且利用Bingham 流体模型以塑性粘度PV来表示，单位为mPa.s或厘泊。这些参数是在环境 温度下测定的。CS是指水泥在60℃(140°F)及6.9MPa(1000psi)压力下硬化24 小时之后的抗压强度，并且以MPa来表示(括号中为每平方英尺的磅数)。

★这种情况下，孔隙度是按气体加上水的体积除以水泥浆总体积来计 算的。

可以看出，对于根据本发明制备的水泥浆，在密度如此低的情况下具 有极高的抗压强度，而且这些水泥浆除低孔隙度之外还具有优异的流变学 特性。

实施例2

对于密度大于每加仑8磅(ppg)的水泥浆，部分轻质颗粒可以用G级波 特兰水泥来代替。

水泥桨A：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；35％体积的平均尺寸为30μm的Scotchlite 玻璃微球体；及10％体积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm的炉渣的 混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.07加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆B：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；25％体积的平均尺寸为30μm的Scotchlite 玻璃微球体；10％体积的G级波特兰水泥；及10％体积的波特兰微细水泥 与平均尺寸约3μm的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.01加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆C：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；20％体积的平均尺寸为30μm的Scotchlite 玻璃微球体；15％体积的G级波特兰水泥；及10％体积的波特兰微细水泥 与平均尺寸约3μm的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.01加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆D：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；15％体积的平均尺寸为30μm的Scotchlite 玻璃微球体；20％体积的G级波特兰水泥；及10％体积的波特兰微细水泥 与平均尺寸约3μm的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.01加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。     水泥浆       A        B       C        D     密度     924(7.7)     1068(8.9)     1040(9.5)     1218(10.15)     孔隙度     42％     42％     42％     42％     PV     87     90     100     109     Ty     7.7     8.8     9.0     11.2     CS(24小时)     7.58(1100)     18.3(2650)     19.7(2850)     20.7(3000)     CS(48小时)     9.0(1300)     19.0(2750)     29.7(4300)     28.3(4100)

密度以kg/m3(括号中每加仑的磅数)来表示。流变学特性以流动阈值Ty 来表示，单位为帕斯卡(括号中为每100平方英尺的磅数)，并且利用Bingham 流体模型以塑性粘度PV来表示，单位为mPa.s或厘泊。这些参数是在环境 温度下测定的。CS是指水泥在60℃及6.9MPa(1000psi)压力下硬化24小时 和48小时之后的抗压强度，并且以MPa来表示(括号中为每平方英尺的磅 数)。

加入波特兰水泥作为部分“中等尺寸”颗粒可以覆盖从8ppg至11ppg 的整个密度范围，并且显著地提高抗压强度。无论如何这种加入不妨碍良 好的流变学特性。

实施例3

对于密度大于8ppg的水泥浆，部分轻质颗粒可以用微细波特兰水泥或 用微细波特兰水泥与炉渣的混合物来代替。

水泥浆A：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；30％体积的平均尺寸为30μm的Scotchlite 玻璃微球体；及15％体积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm的炉渣的 混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.07加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆B：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；25％体积的平均尺寸为30μm的Scotchlite 玻璃微球体；及20％体积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm的炉渣的 混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.07加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。     水泥浆     A     B     密度     990(8.25)     1056(8.8)     孔隙度     42％     42％     CS(24小时)     11.2(1630)     21.4(3100)     CS(48小时)     11.7(1700)     22.1(3200)

密度以kg/m3(括号中每加仑的磅数)来表示。CS是指水泥在60℃及 6.9MPa(1000psi)压力下硬化24小时和48小时之后的抗压强度，并且以MPa 来表示(括号中为每平方英尺的磅数)。

增加微细水泥与炉渣混合物的含量，使9ppg时的抗压强度性能异常。

实施例4

依据所需的机械性能(挠曲性、耐高压能力)，可以使用不同的轻质颗 粒，只要PVF是最优化的。

水泥桨A：制备粉末混合物。它包含55％体积的中空球，该中空球来 源于平均尺寸150μm的煤胞；30％体积的中空球，该中空球来源于平均尺 寸45μm的煤胞；及15％体积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm的炉 渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.2％的基于AMPS聚合物的保水剂；每袋粉末0.03加仑的 消泡剂；以及每袋粉末0.07加仑的基于聚萘磺酸盐的超级增塑剂。

水泥浆B：制备粉末混合物。它包含55％体积的平均尺寸300μm的 聚丙烯颗粒；30％体积的平均尺寸30μm的scotchlite玻璃微球；及15％体 积的波特兰微细水泥与平均尺寸约3μm的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使水泥浆中液体的体积百分数为 42％：粉末重量0.22％的基于纯化的木质素磺酸盐的减速剂；粉末重量0.2％ 的基于AMPS聚合物的保水剂；以及每袋粉末0.05加仑的基于聚萘磺酸盐 的超级增塑剂。     水泥浆     A     B     密度     990(8.25)     1068(8.9)     孔隙度     42％     42％     PV     93     116     Ty     20     9.3     CS(24小时)     18.3(2640)     10.3(1500)#     CS(48小时)     18.7(2700)     22.1(3200)#

密度以kg/m3(括号中每加仑的磅数)来表示。流变学特性以流动阈值Ty 来表示，单位为帕斯卡(括号中为每100平方英尺的磅数)，并且利用Bingham 流体模型以塑性粘度PV来表示，单位为mPa·s或厘泊。这些参数是在环境 温度下测定的。CS是指水泥在60℃及6.9MPa(1000psi)压力下硬化24小时 和48小时之后的抗压强度，并且以MPa来表示(括号中为每平方英尺的磅 数)。

★在104℃(220°F)及20.7MPa(3000psi)压力下硬化24小时的水泥抗压 强度，以MPa来表示，括号中以psi来表示。

实施例5

对于低温应用，可以用纯的微细水泥代替微细水泥与炉渣的混合物， 或者可以加入石膏以代替中等尺寸的颗粒。

我们已经比较了本发明的制剂与发泡的石膏制剂。

水泥浆A：制备粉末混合物。它包含42.7％体积的中空球，该中空球 来源于平均尺寸150μm的煤胞；20％体积的中空球，该中空球来源于平均 尺寸45μm的煤胞；27.3％体积的石膏；及10％体积的波特兰微细水泥与 平均尺寸约3μm的炉渣的混合物。

将水和下列添加剂与该粉末混合致使泥浆中液体的体积百分数为 42％：每袋粉末0.05加仑的基于纯化的木质素磺酸盐的减速剂；及每袋粉 末0.03加仑的消泡剂。

水泥浆B(参照)：该泥浆与现有技术相当。制备粉末混合物。它包含40％ 体积的G级水泥和60％体积的石膏。将水和添加剂与该粉末混合，致使该 水泥浆的密度为1900kg/m3(15.8ppg)。

为使该水泥浆发泡，加入全部常规的润湿剂：1∶1的D138与F052.1。 加入的数量取决于泡沫的质量。对其进行调整，以便获得密度为1320kg/m3 (每加仑11磅)的泥浆。 密度 1320(11) 1218(10.15) 水泥浆A (本发明) Q 0 PV 112 Ty 6.7 CS(4℃和6.9MPa下水泥硬化12小时) 2.41(350) CS(25℃和6.9MPa下水泥硬化24小时) 14.8(2150) 水泥浆B (对照) Q 30％ CS(18℃和大气压下水泥硬化24小时) 2.96(430) CS(18℃和大气压下水泥硬化48小时) 4.55(660)

密度以kg/m3(括号中每加仑的磅数)来表示。流变学特性以流动阈值Ty 来表示，单位为帕斯卡(括号中为每100平方英尺的磅数)，并且利用Bingham 流体模型以塑性粘度PV来表示，单位为mPa·s或厘泊。这些参数是在环境 温度下测定的。CS代表表中所述条件下的抗压强度，以MPa来表示(括号 中为每平方英尺的磅数)。