CN104650836B - 一种水平井水泥浆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水平井水泥浆，一包括以下组成成份：水泥+增韧剂GZR+GFC膨胀剂+GH缓凝剂，所述的各成份的重量百分比为，增韧剂GZR0.5％‑2.5％，GFC膨胀剂1％‑3％，GH缓凝剂0.04％‑0.08％，其余的为水泥，零析水、低失水；形成的水泥石不收缩，且具有一定的膨胀率；良好的水泥石力学性能，表现出优异的韧性。水泥石抗折强度高，脆度系数小，韧度系数增大，水泥石杨氏模量减小，泊松比增大，水泥石弯曲半径减小，三轴应力应变曲线表现出良好的弹塑性；防窜能力的提高。缩短稠化时间，减少地层流体入侵到水泥浆内部的时间和窜流量；浆体均匀稳定，流动性好，有助于减小环空流动阻力，提高顶替效率的水平井水泥浆。

Description

一种水平井水泥浆

技术领域

本发明属于水平井固井领域，尤其设计一种水平井水泥浆。

背景技术

油水平井通常指的是井斜角在86°以上的定向井，其井身轨迹不仅在油气层中穿行一定的长度，而且还增加了与油气储层之间的接触面积，改变了泄油面积、降低了油气的流速与压力，是低渗透油气田开发增产稳产的有效措施和主要手段。

二十世纪90年代以来，世界水平井钻井技术快速推广和普及，成为提高油田勘探开发综合效益的重要途径。1990年国外钻成水平井1290口，是1989年的5.2倍；1995年钻成水平井2590口，又比1990年增加1倍以上。目前，国际上水平井钻井技术已日臻成熟和完善，随着不同的地面条件、地下油层状况与勘探开发要求，应用地质导向技术、旋转导向钻井系统已钻成了多种多样的水平井。

我国是发展水平井钻井技术最早的几个国家之一，二十世纪60年代中期在四川打成了磨3井和巴24井两口水平井，但限于当时的技术水平，未取得应有的效益。二十世纪90年代后，中国石油企业在“八五”期间组织了大规模攻关，取得了重大成果，把我国水平井钻井技术向前推进了一大步，不仅能够钻常规的水平井，而且能够钻阶梯式水平井、水平分支井、分支水平井等高难度的水平井。薄油层阶梯式水平井，油层平均厚0.6米，最薄0.4m。

随着水平井开发的不断深入，对水平井固井技术提出了更高的要求，水平井固井时,需解决套管下入问题、居中及清除岩屑床、水泥浆失水及析水等问题。在水平井段，因重力作用，套管总趋向于紧贴井眼下侧而形成窄边环空，导致在注替水泥浆过程中井眼下侧的泥饼及钻井液顶替效率较低，易形成窜槽,影响固井质量。另外，若水平井段的水泥浆存在析水，产生的析水易聚积于井眼上侧，形成一条水带而影响固井质量。这条水带在水平井开采过程中，将为分层开采防水及防砂造成较大困难。水平井固井时水泥浆的失水需控制得更低，大量文献介绍水泥浆失水应控制在50ml以内，这样有利于提高水平井的固井质量。

钻井过程中岩屑床的存在是必然的，这不仅影响钻井施工的安全，也影响固井质量。在固井前的井眼准备阶段，必须将岩屑床清除干净。结合地层特点及技术能力，采取在大斜度及水平井段，每钻井50-60m短起下一次，通过钻具的上下往复运动，破坏岩屑床，并大排量洗井，排出岩屑，提高钻井液动塑比，增强其悬浮、携砂能力，比普通直井或斜井要提高30—50％。频繁短起下钻还有利于井壁光滑，为以后下套管创造条件。因为重力作用，在水平段钻井过程中，钻屑将沉积在井眼下侧并累积成较厚的假泥饼形成岩屑床，若不清除干净，则在封固后，这条岩屑床也将为油、气、水窜提供通道，为水平井的分层开采留下较大隐患，严重的导致水平井工程报废。

目前通常实用的常规水泥韧性差，不能发生弹性塑变，不能够更好的抵抗固井后期的射孔和压裂作业，不能够保持了水泥环的完整性，另外，水平井固井水泥浆体系的稳定性差，不能使水泥浆体系中的水泥颗粒能够有效均匀分散而不沉降，从而防止水平段水泥浆在高边形成通道，进而阻止了水平段的流体之间的互窜等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种稳定的水泥浆，零析水、低失水；形成的水泥石不收缩，且具有一定的膨胀率；良好的水泥石力学性能，表现出优异的韧性。水泥石抗折强度高，脆度系数小，韧度系数增大，水泥石杨氏模量减小，泊松比增大，水泥石弯曲半径减小，三轴应力应变曲线表现出良好的弹塑性；防窜能力的提高。缩短稠化时间，减少地层流体入侵到水泥浆内部的时间和窜流量；浆体均匀稳定，流动性好，有助于减小环空流动阻力，提高顶替效率的水平井水泥浆。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种水平井水泥浆，一包括以下组成成份：水泥+增韧剂GZR+GFC膨胀剂+GH缓凝剂，所述的各成份的重量百分比为，增韧剂GZR0.5％-2.5％，GFC膨胀剂1％-3％，GH缓凝剂0.04％-0.08％，其余的为水泥。

还包括GSJ降失水剂和USZ分散剂，所述的GSJ降失水剂所占的重量百分比是0.2％-0.4％，所述USZ分散剂所占的重量百分比是0.04％-0.08％。

所述的GZR增韧剂是由弹性颗粒材料、防断裂材料和防渗材料组成，所述的弹性颗粒材料、防断裂材料和防渗材料是按照20:1.5:1.5比例混合而成。

所述的膨胀剂是按照以下成份的重量百分比组成氯化钠1.2％、硫代硫酸钠1.5％、拉开粉BX 0.3％、减水剂JN0.4％、氯化铵0.8％、铝粉0.005％、铁粉95％。

所述的GH缓凝剂是蔗糖、葡萄糖、木质磺酸钙盐或钠盐、羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素一种或二种以上的混合物。

所述的GSJ降失水剂羧甲基维生素或羟乙基维生素或羧甲基羟乙基维生素。

所述的水泥+增韧剂GZR+GFC膨胀剂+GH缓凝剂各组份的重量百分比是增韧剂GZR2.0％+GFC膨胀剂2％+GH缓凝剂0.06％，其余的为水泥。

所述的GSJ降失水剂所占的重量百分比是0.3％，所述USZ分散剂所占的重量百分比是0.06％。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

①稳定的水泥浆体系，零析水、低失水。

②形成的水泥石不收缩，且具有一定的膨胀率。

③良好的水泥石力学性能，表现出优异的韧性。水泥石抗折强度高，脆度系数小，韧度系数增大，水泥石杨氏模量减小，泊松比增大，水泥石弯曲半径减小，三轴应力应变曲线表现出良好的弹塑性。

④防窜能力的提高。缩短稠化时间，减少地层流体入侵到水泥浆内部的时间和窜流量。

⑤浆体均匀稳定，流动性好，有助于减小环空流动阻力，提高顶替效率。

附图说明

图1是本发明加量为0％GZR-1的水泥石应力应变曲线；

图2是本发明加量为1.0％GZR-1的水泥石应力应变曲线；

图3是本发明加量为1.5％GZR-1的水泥石应力应变曲线；

图4是本发明加量为2.0％GZR-1的水泥石应力应变曲线；

图5是本发明膨胀剂加量与净线性膨胀率的关系；

图6是本发明中“晶体”膨胀剂的膨胀率与时间的关系；

图7是本发明微膨胀防窜水泥浆体系55℃稠化时间曲线；

图8是本发明微膨胀防窜水泥浆体系60℃稠化时间曲线；

图9是本发明韧性防窜水泥浆防窜性能评价曲线。

具体实施方式

下面实施例进一步对一种水平井水泥浆进行详细的说明。

实施例1

所示的一种水平井水泥浆，包括以下组成成份：水泥+增韧剂GZR+GFC膨胀剂+GH缓凝剂，所述的各成份的重量百分比为，增韧剂GZR0.5％-2.5％，GFC膨胀剂1％-3％，GH缓凝剂0.04％-0.08％，其余的为水泥。还包括GSJ降失水剂和USZ分散剂，所述的GSJ降失水剂所占的重量百分比是0.2％-0.4％，所述USZ分散剂所占的重量百分比是0.04％-0.08％。采用本配方，对本水泥浆做出如下性能评价

1、韧性评价：

表1韧性防窜水泥浆体系常规性能评价：

2、膨胀性能评价

表2掺入不同加量GFC膨胀剂在不同温度下的膨胀试验

从表2中可以看出，晶格膨胀材料GFC在加量不同(0.5％～1.5％)，不同温度(40℃～70℃)均表现出一定的膨胀效果，且随加量的增大、温度的升高，膨胀效果更加明显。

实施例2

在实施例1的基础上，所述的GZR增韧剂是由弹性颗粒材料、防断裂材料和防渗材料组成，所述的弹性颗粒材料、防断裂材料和防渗材料是按照20:1.5:1.5比例混合而成，所述的弹性颗粒材料选用东莞捷佳塑胶科技有限公司的热塑性弹性体TPR颗性材料，所述的防断裂材料为废橡胶颗粒，所述的防渗材料为聚乙烯；

以下是对个增韧性材料的性能评价，不同加量下的水泥石杨氏模量泊松比

确定增韧材料GZR-1为韧性水泥浆主材料，改变其在水泥中的加量，测得水泥石性能见下表：

表3不同加量下水泥石性能测试

实验条件：60℃/24h；水灰比：0.44。

由表3可以看出，随着GZR-1加量的增加，水泥石表现出的韧性逐渐增强，但当加量≥3.0％时，水泥石强度过低。

(2)不同加量下水泥石应力应变性能比较

室内对GZR-1加量分别为0％、1.0％、1.5％、2.0％的水泥石进行了比较，

由图图1至图4可以看出，随着GZR-1加量的增加，水泥石应力应变性能逐渐增强，呈现出良好的弹塑性。当加量为2.0％时水泥石弹性形变达到了0.95％，水泥石塑性形变达到了5.0％以上。

防断裂材料优选

将溶胀性优异的带支链高分子防断裂材料加入水泥浆中，使其在水泥浆中均匀分布，形成网状结构，以提高水泥石抗折强度。

室内对不同防断裂材料进行了性能比较测试，见表4：

表4不同防断裂材料性能比较

由表4可以看出，防断裂材料GZR-2对水泥石抗折强度提高明显，水泥石脆度系数低，表现出良好的防断裂能力。

防断裂材料GZR-2性能评价

室内对防断裂材料GZR-2的性能进行了评价，评价结果见表5：

表5GZR-2性能评价

由表5可以看出，随着GZR-2的增加，水泥石抗折强度不断提高，GZR-2的最佳加量为0.15％。

防渗材料优选

为提高水泥石本体完整密封性，降低水泥石渗透率，防止地层及井筒内流体在水泥石基体内窜流，将超细防渗材料引入水泥浆体系中，根据紧密堆积理论及颗粒级配原则，使水泥石致密性提高。室内对3种超细防渗材料进行了比较，性能如下：

表6超细防渗材料性能比较

由上表6可以看出，防渗材料GZR-3对改善水泥石渗透率效果最好，形成的水泥石渗透率最低，达到0.038mD。

防渗材料GZR-3性能评价

将不同量的GZR-3加入到水泥浆体系中，测试GZR-3对水泥石性能影响：

表7防渗材料性能评价

由表7可以看出，随着防渗材料加量的增大，水泥石渗透率降低，防渗材料最佳加量为0.15％。

实施例3

所述的膨胀剂是按照以下成份的重量百分比组成氯化钠1.2％、硫代硫酸钠1.5％、拉开粉BX 0.3％、减水剂JN0.4％、氯化铵0.8％、铝粉0.005％、铁粉95％，氯化钠即工业用盐；硫代硫酸钠；本剂中用作碱性添加剂，拉开粉BX染发剂，本剂中用作分散剂；减水剂JN又名甲基萘磺酸钠甲醛缩合物，棕褐色粉末；易溶于水，化学性能稳定，不燃，无毒。用作水泥添加剂，对水泥颗粒有强烈的分散作用，扩大了水泥和水的接触面积，促进水化反应，减少用水量，提高混凝土的强度、密实性和抗渗性。选用工业品。氯化铵乳制品设备清洗剂。本剂中用作稳定剂；铝粉环氧树脂防腐涂料，本剂中用作气体发生剂；铁粉银白色金属，由纯铁研磨成粉状，易溶于盐酸、硫酸和稀硝酸，有还原性，本剂中用作气体发生剂。

实施例4

膨胀剂材料优选

利用水泥膨胀试验仪器测定“晶体”膨胀剂的线性膨胀率。试验结果表明，在合适的加量范围内，掺有GP1、GP2、GP3、GFC的水泥浆与同条件下的原浆相比，具有良好的膨胀效果，有效补偿了水泥浆凝固后的“化学收缩”。“晶体”膨胀剂加量一般为1.0％～3.0％，水泥石净线性膨胀率在2.5％以上(见表8，图6)。随着膨胀剂加量的增加，水泥线性膨胀率增大，当膨胀剂加到一定程度时，其膨胀的趋势趋向于平缓。膨胀剂加量在3.0％以内时，GFC膨胀效果要好于GP1、GP2、GP3。

表8油井水泥膨胀剂加量对水泥膨胀性能的影响

膨胀剂性能评价

(1)时间对膨胀剂膨胀率的影响

为了测定时间对膨胀剂膨胀率的影响，使用自行研制的水泥体积膨胀率试验装置。试验表明，掺有膨胀剂的水泥浆随时间的延长，其膨胀效果有所不同。掺有“晶体”膨胀剂的水泥浆在初凝之前，其水泥浆呈先膨胀后收缩的趋势，但在初凝至终凝之间，水泥凝固过渡阶段处于收缩状态，原浆收缩比加有膨胀剂的水泥浆收缩要大的多详见图6。

(2)膨胀剂对抗压强度的影响

膨胀剂对抗压强度的影响试验结果见表3-10，由表3-10可知GP1、GP2、GP3、GFC能大幅度提高水泥石的抗压强度，常压70℃/24h强度大于21MPa，与同条件下的原浆相比，其强度值可提高15％以上，甚至高达70％。

表9膨胀剂对抗压强度的影响

(3)膨胀剂对水泥浆初始稠度及自由水的影响：

试验证明，掺有膨胀剂的水泥浆略有增稠现象，其流动度也相应减小，但初始稠度可控制在20Bc以内。一般来说，水泥浆配方中很少单独使用膨胀剂，通常与降滤失剂、分散剂等联合使用，能配制出综合性能优越的水泥浆体系。

“晶体”膨胀剂GP1、GP2、GP3、GFC能降低水泥浆自由水析出，其自由水含量小于0.5％，甚至为0(见表3-11)。这说明膨胀剂能有效降低水泥浆自由水含量，有助于改善水泥浆的沉降稳定性能，在水平井和大斜度井有着广泛的应用前景。

表10膨胀剂加量对自由水的影响

通过上述数据可以看出：

(1)“晶体”膨胀剂加量一般为1％～3％，可使水泥石净线性膨胀率大于4％。

(2)“晶体”膨胀剂能有效降低水泥浆自由水含量(小于0.5％，甚至为0)。

(3)“晶体”膨胀剂GFC在相同实验条件下各项性能优于GP1、GP2、PG3。

实施例5

所述的水泥+增韧剂GZR+GFC膨胀剂+GH缓凝剂各组份的重量百分比是增韧剂GZR2.0％+GFC膨胀剂2％+GH缓凝剂0.06％，其余的为水泥。所述的GSJ降失水剂所占的重量百分比是0.3％，所述USZ分散剂所占的重量百分比是0.06％。GH缓凝剂是蔗糖、葡萄糖、木质磺酸钙盐或钠盐、羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素一种或二种以上的混合物。所述的GSJ降失水剂羧甲基维生素或羟乙基维生素或羧甲基羟乙基维生素，所述的分散剂是烯丙基醚酯单体

配方及性能评价

通过室内评价优选晶格膨胀剂材料GFC，在水泥水化的不同阶段保持稳定的膨胀，在成石后继续产生微小的膨胀，有效降低因水泥石体积的收缩导致环空油气水窜的风险。

G级油井水泥+2.0％GZR+2.0％GFC膨胀剂+0.3％GSJ降失水剂+0.3％USZ分散剂+0.06％GH

表11韧性防窜水泥浆体系常规性能评价

膨胀性能评价

表12掺入不同加量GFC膨胀剂在不同温度下的膨胀试验

由表12评价数据可以看出,晶格膨胀材料GFC在加量不同(0.5％～1.5％)，不同温度(40℃～70℃)均表现出一定的膨胀效果，且随加量的增大、温度的升高，膨胀效果更加明显。

防窜性能评价

对韧性防窜水泥浆配方进行防窜性能评价，采用仟德乐公司油气水窜模拟分析仪进行评价。

从图7、8和图9可以看出，韧性防窜水泥浆体系过度时间短，能够有效抵制外来流体的入侵；

①稳定的水泥浆体系，零析水、低失水。

②形成的水泥石不收缩，且具有一定的膨胀率。

③良好的水泥石力学性能，表现出优异的韧性。水泥石抗折强度高，脆度系数小，韧度系数增大，水泥石杨氏模量减小，泊松比增大，水泥石弯曲半径减小，三轴应力应变曲线表现出良好的弹塑性。

④防窜能力的提高。缩短稠化时间，减少地层流体入侵到水泥浆内部的时间和窜流量。

⑤浆体均匀稳定，流动性好，有助于减小环空流动阻力，提高顶替效率。

Claims (2)

1.一种水平井水泥浆，其特征在于，包括以下组成成份：水泥+增韧剂GZR+GFC膨胀剂+GH缓凝剂，所述的各成份的重量百分比为，增韧剂GZR0.5％-2.5％，GFC膨胀剂1％-3％，GH缓凝剂0.04％-0.08％，其余的为水泥；还包括GSJ降失水剂和USZ分散剂，所述的GSJ降失水剂所占的重量百分比是0.2％-0.4％，所述USZ分散剂所占的重量百分比是0.04％-0.08％；

所述的GZR增韧剂是由弹性颗粒材料、防断裂材料和防渗材料组成，所述的弹性颗粒材料、防断裂材料和防渗材料是按照20:1.5:1.5比例混合而成；

所述的GH缓凝剂是蔗糖、葡萄糖、木质磺酸钙盐或钠盐、羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素一种或二种以上的混合物；

所述的GSJ降失水剂是羧甲基维生素或羟乙基维生素或羧甲基羟乙基维生素。

2.根据权利要求1所述的水平井水泥浆，其特征在于，所述的GSJ降失水剂所占的重量百分比是0.3％，所述USZ分散剂所占的重量百分比是0.06％。