深水低温固井水泥体系
阅读：228发布：2024-01-11
专利汇可以提供深水低温固井水泥体系专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于一种适用于低温、易浅层 水 －气窜的海洋深水固井 水泥 体系，其特征在于其矿物组份和 质量 百分组成为： 硅 酸三 钙 23～45％、硫 铝 酸钙12～25％、 硅酸 二钙15～23％、 石膏 3～10％、 碳 酸钙4～8％，其余为 铁 铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。本发明的深水低温固井水泥体系在使用过程中，加入0～3％促凝剂、0～1.2％ 缓凝剂 、15～45％中空微珠和水可配制出1.35～1.60g/cm3低 密度 水泥浆体系，其稠化时间可调并且具有优异“直 角 稠化”性能、低温下强度发展快、水泥石体积微膨胀。本发明的深水低温固井水泥体系具有 早期强度 高、候凝时间短、防窜能 力 强、微膨胀等优异性能，能为提高深水固井质量提供有力保障。，下面是深水低温固井水泥体系专利的具体信息内容。
1.一种深水低温固井水泥体系，其特征在于其矿物组份和质量百分比为：硅 酸三钙23～45％、硫铝酸钙12～25％、硅酸二钙15～23％、石膏3～10％、碳 酸钙4～8％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。
2.根据权利要求1所述的深水低温固井水泥体系，其硫铝酸钙化学式为 [3(CaO)·3(Al2O3)·(CaSO4)]。
3.根据权利要求1所述的深水低温固井水泥体系，可加入占水泥质量百分数 0～3％促凝剂。
4.根据权利要求3所述的深水低温固井水泥体系，其特征在于促凝剂为CaCl2、 KCl、NaNO3、Ca(NO2)2、LiOH、NaAlO2或者Ca(AlO2)2中的一种或者几种。
5.根据权利要求1所述的深水低温固井水泥体系，可加入占水泥质量百分数 为0～1.2％缓凝剂。
6.根据权利要求5所述的深水低温固井水泥体系，其特征在于缓凝剂为酒石 酸、柠檬酸、硼酸或者硼酸钠中的一种。
技术领域
本发明涉及一种油气井钻井领域所用的一种低温固井水泥体系，是一种特 别适用于低温、易浅层水-气窜的海洋深水固井水泥体系，也可用于陆上油田寒 冷地区的表层段、浅层段固井。
背景技术
深水是指水深超过500m的海域。在过去几年中，深水油气发现占了全球油 气发现总量的40％，特别在2002-2003年更是上升到65％。到目前为止已在深 水海域探明石油储量为90.573亿m3石油当量，估计还有135.065-158.9亿m3石 油当量的未探明储量，吸引当今许多石油公司都竞相涉足深水海域。深水固井 的作用除了封隔井眼内的油、气和水层，经受住射孔、开采、各项增产措施和 修井作业的考验，还需给复杂的井口设备提供足够支撑作用。可以说深水固井 技术是深水油气资源高效、经济、安全开采的前提条件和重要保障。然而，深 水固井特别是深水表层段固井却面临着低温、浅层水-气窜、松软地层和高昂深 水钻井装置租赁费等一系列新问题。深水海域的海底温度一般在4℃左右，如此 低的温度必将导致水泥水化速率大大降低，以及为满足松软地层固井需要而采 用加中空微珠或增大水灰比等方式以获得低密度水泥浆(一般密度为 1.35～1.70g/cm3)，这些因素都不利于水泥的水化反应，都将延长水泥浆由液态转 变为固态的过渡时间而使水泥浆长时间处于胶凝失重状态，加上地层中存在浅 层气、异常高压层等，使深水固井极易发生固井流体窜流现象。另外，低温使 水泥浆凝结时间变长并且水泥石抗压强度发展缓慢，水泥石无法在较短时间内 达到足够的剪切应力以支撑套管重量，这无疑将延长了建井周期，增大了建井 成本。
目前，针对深水固井国内刚开始开展研究，国外有关深水低温固井水泥体 系主要有：①高铝水泥体系，如US6,244,343、US6,060,535；②采用G级水泥 与超细水泥、超细颗粒体系，并优化粒径分布以形成紧密堆积，如US6,656,265、 US6,874,578；③采用A级水泥或H级水泥，并通过加入促凝剂以提高低温下的 强度，如US6,457,524、US6,478,868。高铝水泥体系具有强度发展快的优点，即 使在低温下也能获得较高的早期抗压强度，但高铝水泥易受到“污染”，与许多 油井水泥外加剂都不配伍，使得水泥浆体系性能不易调节，如氯化钙对高铝水 泥是缓凝作用；超细水泥或超细颗粒材料在低温下具有较强水化能力，但成本 较高；A级、G级和H级水泥在4℃低温条件下的水化能力较弱，水泥浆胶凝强 度“过渡时间”很长，无法达到较短候凝时间(WOC)和防窜能力强的固井设 计要求。而深水固井的封固质量好坏却对深水油气井的使用寿命具有非常重要 的意义。因为深水固井要为井口装置提供有效支撑和承受表层未固结或冲蚀地 层的塑性变性影响。如果固井质量较差，则固井结构体系中易存在窜槽、微间 隙以及应力裂缝(松软地层中热应力、液压应力或异常高压实然释放后引起地 层孔隙压力降低，使水泥环受地层沉陷所产生的压实应力破坏所产生的裂缝)， 破坏水泥环的整体封隔性，表现出套管环空压力持续升高(Sustained Casinghead Pressure，简称SCP)，减少深水油气井的使用寿命从而增大成本，危害到油气开 采和平台的安全性。严重时还会使钻井底盘或平台装置不稳定，造成人员伤亡 或失去整个钻井装置设备或平台装置，使油气井完全报废。为此，针对深水固 井所面临的低温和浅层水-气窜问题，很有必要开发出具有低温早强的新型固井 水泥体系。
目前，针对深水固井国内刚开始开展研究，国外有关深水低温固井水泥体 系主要有：①高铝水泥体系，如US6,244,343、US6,060,535；②采用G级水泥 与超细水泥、超细颗粒体系，并优化粒径分布以形成紧密堆积，如US6,656,265、 US6,874,578；③采用A级水泥或H级水泥，并通过加入促凝剂以提高低温下的 强度，如US6,457,524、US6,478,868。高铝水泥体系具有强度发展快的优点，即 使在低温下也能获得较高的早期抗压强度，但高铝水泥易受到“污染”，与许多 油井水泥外加剂都不配伍，使得水泥浆体系性能不易调节，如氯化钙对高铝水 泥是缓凝作用；超细水泥或超细颗粒材料在低温下具有较强水化能力，但成本 较高；A级、G级和H级水泥在4℃低温条件下的水化能力较弱，水泥浆胶凝强 度“过渡时间”很长，无法达到较短候凝时间(WOC)和防窜能力强的固井设 计要求。而深水固井的封固质量好坏却对深水油气井的使用寿命具有非常重要 的意义。因为深水固井要为井口装置提供有效支撑和承受表层未固结或冲蚀地 层的塑性变性影响。如果固井质量较差，则固井结构体系中易存在窜槽、微间 隙以及应力裂缝(松软地层中热应力、液压应力或异常高压实然释放后引起地 层孔隙压力降低，使水泥环受地层沉陷所产生的压实应力破坏所产生的裂缝)， 破坏水泥环的整体封隔性，表现出套管环空压力持续升高(Sustained Casinghead Pressure，简称SCP)，减少深水油气井的使用寿命从而增大成本，危害到油气开 采和平台的安全性。严重时还会使钻井底盘或平台装置不稳定，造成人员伤亡 或失去整个钻井装置设备或平台装置，使油气井完全报废。为此，针对深水固 井所面临的低温和浅层水-气窜问题，很有必要开发出具有低温早强的新型固井 水泥体系。
发明内容
本发明的目的是提供一种在低温下具有较强水化能力和强度发展较快的固 井水泥体系，以解决深水固井现有固井水泥体系的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：根据硫铝酸钙具有较强的水 化活性，即使在低于0℃以下仍有较快的水化和硬化性能，通过加入硫铝酸钙并 适当调整水泥其它成分比例的方式，增大固井水泥硅酸盐材料在低温下的水化 能力，获得具有较强低温水化能力的深水低温固井水泥体系；另外，硫铝酸钙 能与水泥中的石膏组分发生反应生成钙矾石，使水泥石在低温下仍具有一定的 体积膨胀性能。本发明的深水低温固井水泥体系其特征在于其矿物组份和质量 百分组成为：硅酸三钙23～45％、硫铝酸钙12～25％、硅酸二钙15～23％、石膏 3～10％、碳酸钙4～8％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。
上述深水低温固井水泥体系中，所述硫铝酸钙的化学式为[3(CaO)·3 (Al2O3)·(CaSO4)]。
本发明的深水低温固井水泥体系在使用时，可加入占水泥质量百分数0～3％ 的促凝剂以增强水泥低温水化能力并提高水泥石早期强度，其促凝剂为CaCl2、 KCl、NaNO3、Ca(NO2)2、LiOH、NaAlO2或者Ca(AlO2)2中的一种或者几种。
本发明的深水低温固井水泥体系在使用时，可加入占水泥质量百分数为 0～1.2％的缓凝剂以调节水泥浆稠化时间以满足施工要求，其缓凝剂为酒石酸、 柠檬酸、硼酸或者硼酸钠等中的一种。
本发明的深水低温固井水泥体系在使用时，可加入占水泥质量百分数为 15～45％的中空微珠，水灰比为0.5～0.78，可配制出密度1.35～1.60g/cm3的低密 度水泥浆体系。
本发明的深水低温固井水泥体系具有以下四个方面的优异性能：
(1)本发明的深水低温固井水泥体系在低温下强度发展快。在相同条件 下，它比油井G级水泥的早期强度发展快并且强度很高。
(2)本发明的深水低温固井水泥体系在低温下的稠化曲线具有优异的“直 角稠化”性能，并且稠化时间可通过加入缓凝剂进行调整。优异的“直 角稠化”性能可有效防止深水固井所面临的浅层水-气窜。
(3)本发明的深水低温固井水泥体系终凝后其水泥石体积具有一定膨胀 性能。这有利于固井界面胶结强度的提高，增强水泥环柱的层间封隔 能力。
(4)本发明的固井水泥体系与常用的促凝剂和缓凝剂配伍性好，水泥浆体 系性能易调。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：根据硫铝酸钙具有较强的水 化活性，即使在低于0℃以下仍有较快的水化和硬化性能，通过加入硫铝酸钙并 适当调整水泥其它成分比例的方式，增大固井水泥硅酸盐材料在低温下的水化 能力，获得具有较强低温水化能力的深水低温固井水泥体系；另外，硫铝酸钙 能与水泥中的石膏组分发生反应生成钙矾石，使水泥石在低温下仍具有一定的 体积膨胀性能。本发明的深水低温固井水泥体系其特征在于其矿物组份和质量 百分组成为：硅酸三钙23～45％、硫铝酸钙12～25％、硅酸二钙15～23％、石膏 3～10％、碳酸钙4～8％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。
上述深水低温固井水泥体系中，所述硫铝酸钙的化学式为[3(CaO)·3 (Al2O3)·(CaSO4)]。
本发明的深水低温固井水泥体系在使用时，可加入占水泥质量百分数0～3％ 的促凝剂以增强水泥低温水化能力并提高水泥石早期强度，其促凝剂为CaCl2、 KCl、NaNO3、Ca(NO2)2、LiOH、NaAlO2或者Ca(AlO2)2中的一种或者几种。
本发明的深水低温固井水泥体系在使用时，可加入占水泥质量百分数为 0～1.2％的缓凝剂以调节水泥浆稠化时间以满足施工要求，其缓凝剂为酒石酸、 柠檬酸、硼酸或者硼酸钠等中的一种。
本发明的深水低温固井水泥体系在使用时，可加入占水泥质量百分数为 15～45％的中空微珠，水灰比为0.5～0.78，可配制出密度1.35～1.60g/cm3的低密 度水泥浆体系。
本发明的深水低温固井水泥体系具有以下四个方面的优异性能：
(1)本发明的深水低温固井水泥体系在低温下强度发展快。在相同条件 下，它比油井G级水泥的早期强度发展快并且强度很高。
(2)本发明的深水低温固井水泥体系在低温下的稠化曲线具有优异的“直 角稠化”性能，并且稠化时间可通过加入缓凝剂进行调整。优异的“直 角稠化”性能可有效防止深水固井所面临的浅层水-气窜。
(3)本发明的深水低温固井水泥体系终凝后其水泥石体积具有一定膨胀 性能。这有利于固井界面胶结强度的提高，增强水泥环柱的层间封隔 能力。
(4)本发明的固井水泥体系与常用的促凝剂和缓凝剂配伍性好，水泥浆体 系性能易调。
具体实施方式
实施例1，本发明深水低温固井水泥体系的低温抗压强度性能评价
水泥组份：硅酸三钙42.27％、硫铝酸钙15.10％、硅酸二钙19.04％、石膏 6.20％、碳酸钙4.31％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。代号为样 品L1。
水泥组份：硅酸三钙32.10％、硫铝酸钙20.73％、硅酸二钙21.38％、石膏 8.05％、碳酸钙6.61％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。代号为样 品L2。
按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，并测定水泥浆的密 度、不同温度时的抗压强度，并与相同条件下的常规密度油井G级水泥浆体系 进行抗压强度比较，评定结果见表1。实验结果表明，本发明的深水低温固井水 泥体系与油井G级水泥在相同水灰比条件下，无论是低温4℃或是35℃，其12h、 24h抗压强度明显高于油井G级水泥，表现出优异的低温早强性能；在采用中空 微珠作为减轻剂和增大水灰比条件下，密度低至1.37g/cm3的水泥浆体系仍具有 优良的低温早强性能，其抗压强度也比常规密度的油井G级水泥浆体系高很多。
表1 水泥 样品 中空 微珠 /％ 水 /％ 密度 g/cm3 4℃抗压 强度/MPa 10℃抗压 强度/MPa 20℃抗压 强度/MPa 35℃抗压 强度/MPa 12h 24h 12h 24h 12h 24h 12h 24h G级 0 44 1.92 - 0.25 - 0.83 0.52 5.14 2.47 11.50 L1 0 44 1.90 4.50 7.37 6.20 10.87 8.17 13.40 10.15 18.33 L2 0 44 1.90 4.80 8.34 6.73 11.33 8.45 14.00 10.46 18.42 L1 30 77 1.37 2.20 5.08 4.16 7.52 6.52 10.70 8.55 15.60 L2 30 77 1.37 2.43 5.30 4.32 7.81 6.57 11.10 8.60 15.57
实施例2，促凝剂对本发明深水低温固井水泥体系抗压强度性能影响评价
按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，测定水泥浆在不同 温度养护下的抗压强度，并与相同条件下的常规密度油井G级水泥浆体系进行 抗压强度比较，评定结果见表2。实验结果表明，CaCl2、LiOH和Ca(AlO2)2促 凝剂对本发明的深水低温固井水泥体系具有明显的促凝早强作用，表现出良好 的配伍性。
表2 水泥 体系 CaCl2 /％ LiOH /％ Ca(AlO2)2 /％ 4℃抗压 强度/MPa 10℃抗压 强度/MPa 20℃抗压 强度/MPa 12h 24h 12h 24h 12h 24h 1# 2.5 - - 0.50 2.15 1.83 5.83 7.20 13.85 2# 2.0 - - 3.70 7.97 6.20 10.87 8.57 15.40 2# 1.0 0.5 - 3.45 8.04 6.43 11.63 8.55 16.00 2# 1.0 - 0.3 4.20 9.35 6.90 12.53 9.00 16.30
1#：G级+44％水，密度1.92g/cm3；
2#：L1+30％中空微珠+77％水，密度1.37g/cm3；
实施例3，凝缓剂对本发明深水低温固井水泥体系稠化性能影响评价
在本发明的深水低温固井水泥体系中加入30％中空微珠、1.3％促凝剂、 0～1.0％缓凝剂和水，按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，得 到密度为1.37g/cm3的低密度水泥浆体系，并进一步按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准测定该水泥浆的稠化时间、稠度从30Bc～100Bc的过渡时间、水 泥石的抗压强度和体积膨胀率，评定结果见表3。实验结果表明，本发明深水低 温固井水泥浆体系的稠化时间随缓凝剂柠檬酸加量增加而延长，稠化时间在 125min～330min间可调；水泥浆体系在14℃下稠度从30Bc～100Bc的过渡时间都 ≤25min，表现出优异的“直角稠化”性能，可有效防止深水固井所面临的浅层 水-气窜；在低温4℃下，其水泥石仍具较高的早期强度并且水泥石体积略有微 小膨胀，有利于提高固井封隔质量。
表3 水泥 体系 柠檬酸 /％ 稠化时间 /14℃，min 30～100Bc 过渡时间 4℃抗压 强度/MPa 35℃抗压 强度/MPa 24h体积 膨胀率/％ 12h 24h 12h 24h 4℃ 35℃ 2# 0.0 125 25min 4.20 9.35 9.00 16.30 0.13 0.30 2# 0.2 150 21min 3.92 8.70 8.37 15.70 0.10 0.33 2# 0.5 210 15min 2.80 7.27 7.30 14.32 0.15 0.29 2# 1.0 330 13min 1.70 5.24 6.50 13.10 0.09 0.31
2#：L1+30％中空微珠+1.0％CaCl2+0.3％Ca(AlO2)2+77％水，密度1.37g/cm3；
水泥组份：硅酸三钙42.27％、硫铝酸钙15.10％、硅酸二钙19.04％、石膏 6.20％、碳酸钙4.31％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。代号为样 品L1。
水泥组份：硅酸三钙32.10％、硫铝酸钙20.73％、硅酸二钙21.38％、石膏 8.05％、碳酸钙6.61％，其余为铁铝酸四钙、铝酸钙和其它微量元素。代号为样 品L2。
按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，并测定水泥浆的密 度、不同温度时的抗压强度，并与相同条件下的常规密度油井G级水泥浆体系 进行抗压强度比较，评定结果见表1。实验结果表明，本发明的深水低温固井水 泥体系与油井G级水泥在相同水灰比条件下，无论是低温4℃或是35℃，其12h、 24h抗压强度明显高于油井G级水泥，表现出优异的低温早强性能；在采用中空 微珠作为减轻剂和增大水灰比条件下，密度低至1.37g/cm3的水泥浆体系仍具有 优良的低温早强性能，其抗压强度也比常规密度的油井G级水泥浆体系高很多。
表1 水泥 样品 中空 微珠 /％ 水 /％ 密度 g/cm3 4℃抗压 强度/MPa 10℃抗压 强度/MPa 20℃抗压 强度/MPa 35℃抗压 强度/MPa 12h 24h 12h 24h 12h 24h 12h 24h G级 0 44 1.92 - 0.25 - 0.83 0.52 5.14 2.47 11.50 L1 0 44 1.90 4.50 7.37 6.20 10.87 8.17 13.40 10.15 18.33 L2 0 44 1.90 4.80 8.34 6.73 11.33 8.45 14.00 10.46 18.42 L1 30 77 1.37 2.20 5.08 4.16 7.52 6.52 10.70 8.55 15.60 L2 30 77 1.37 2.43 5.30 4.32 7.81 6.57 11.10 8.60 15.57
实施例2，促凝剂对本发明深水低温固井水泥体系抗压强度性能影响评价
按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，测定水泥浆在不同 温度养护下的抗压强度，并与相同条件下的常规密度油井G级水泥浆体系进行 抗压强度比较，评定结果见表2。实验结果表明，CaCl2、LiOH和Ca(AlO2)2促 凝剂对本发明的深水低温固井水泥体系具有明显的促凝早强作用，表现出良好 的配伍性。
表2 水泥 体系 CaCl2 /％ LiOH /％ Ca(AlO2)2 /％ 4℃抗压 强度/MPa 10℃抗压 强度/MPa 20℃抗压 强度/MPa 12h 24h 12h 24h 12h 24h 1# 2.5 - - 0.50 2.15 1.83 5.83 7.20 13.85 2# 2.0 - - 3.70 7.97 6.20 10.87 8.57 15.40 2# 1.0 0.5 - 3.45 8.04 6.43 11.63 8.55 16.00 2# 1.0 - 0.3 4.20 9.35 6.90 12.53 9.00 16.30
1#：G级+44％水，密度1.92g/cm3；
2#：L1+30％中空微珠+77％水，密度1.37g/cm3；
实施例3，凝缓剂对本发明深水低温固井水泥体系稠化性能影响评价
在本发明的深水低温固井水泥体系中加入30％中空微珠、1.3％促凝剂、 0～1.0％缓凝剂和水，按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准制备水泥浆，得 到密度为1.37g/cm3的低密度水泥浆体系，并进一步按深水固井试验标准API 10B-3-2004标准测定该水泥浆的稠化时间、稠度从30Bc～100Bc的过渡时间、水 泥石的抗压强度和体积膨胀率，评定结果见表3。实验结果表明，本发明深水低 温固井水泥浆体系的稠化时间随缓凝剂柠檬酸加量增加而延长，稠化时间在 125min～330min间可调；水泥浆体系在14℃下稠度从30Bc～100Bc的过渡时间都 ≤25min，表现出优异的“直角稠化”性能，可有效防止深水固井所面临的浅层 水-气窜；在低温4℃下，其水泥石仍具较高的早期强度并且水泥石体积略有微 小膨胀，有利于提高固井封隔质量。
表3 水泥 体系 柠檬酸 /％ 稠化时间 /14℃，min 30～100Bc 过渡时间 4℃抗压 强度/MPa 35℃抗压 强度/MPa 24h体积 膨胀率/％ 12h 24h 12h 24h 4℃ 35℃ 2# 0.0 125 25min 4.20 9.35 9.00 16.30 0.13 0.30 2# 0.2 150 21min 3.92 8.70 8.37 15.70 0.10 0.33 2# 0.5 210 15min 2.80 7.27 7.30 14.32 0.15 0.29 2# 1.0 330 13min 1.70 5.24 6.50 13.10 0.09 0.31
2#：L1+30％中空微珠+1.0％CaCl2+0.3％Ca(AlO2)2+77％水，密度1.37g/cm3；
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