CN109880604B - 一种油井水泥用弱促凝型早强剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油井水泥用弱促凝型早强剂，所述早强剂含有以下组分：以重量份计，纳米材料30～70份，无机盐20～50份，有机盐5～20份，减阻剂5～30份；其中纳米材料选自纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的混合物。本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，对水泥浆稠化时间影响轻微，但可显著增加水泥石的早期强度，表现出弱促凝高早强的性能，且可改善水泥浆稳定性，对水泥浆其他性能无不良影响，具有良好的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种油井水泥用弱促凝型早强剂，属于油田完井技术固井领域。
背景技术
随着石油勘探开发的进程，越来越多地遇到各种复杂地层，再加上人们对固井质量要求的提高和作业成本的压缩，给固井技术带来严峻的挑战。水泥石抗压强度是影响固井质量以及后续钻井、开采的重要指标。水泥石抗压强度达到3.5MPa才能支撑套管所形成的轴向载荷，而满足继续钻进要求；水泥石强度达到7MPa以上水泥环才具有较好的胶结和密封性能。如果水泥石强度低于所需压裂地层的破裂强度，不仅达不到压裂的预期效果，反而会破坏套管周围的水泥环。因此，有效提高水泥石的强度具有重要意义。
低密度水泥浆技术是解决低压易漏层固井问题的有效手段，但由于投资压缩，目前各大油田常用的低密度水泥浆体系性能也捉襟见肘，水泥石强度低的问题尤为凸显，影响封隔质量。尤其随着一次上返技术的发展，长封固段井顶部水泥石强度发展缓慢，甚至出现水泥浆长时间不凝固的问题。此外，一些海上、陆上表层、技套的封固水泥石早期强度发展慢，候凝时间长，不能满足快速钻进要求，增加作业成本。
在固井领域，早强剂常被称作促凝剂，两者没有明显区分，是指能够缩短水泥浆稠化时间、加速水泥凝结及硬化的一种外加剂。加入促凝剂也是目前提高水泥石抗压强度最常用的方法。但目前常规促凝剂常会明显缩短水泥浆稠化时间，对水泥石早期增强作用并不明显，不能很好解决以上油气井固井面临强度低的问题。有些油气井为了满足施工要求和降低成本，还要求水泥浆在具有较长稠化时间的情况下迅速发展到一定的早期强度。这样常规促凝剂的加入不但对早期强度作用不明显，还会明显缩短稠化时间影响施工安全，有时为了满足施工安全需加入缓凝剂，使水泥石强度进一步降低难以满足要求。因此，开发一种对水泥浆稠化时间影响小对水泥石早期强度提高明显的高效早强剂具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种油井水泥用弱促凝型早强剂，用于解决常规促凝剂对水泥石早期增强作用并不明显且还会明显缩短稠化时间等技术问题。本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂可用于低压易漏井、长封固段、以及海上、陆上等短候凝需求的油气井固井，从而实现油气井的优快钻进。
本发明涉及一种油井水泥用弱促凝型早强剂，所述早强剂含有以下组分：以重量份计，纳米材料30～70份，无机盐20～50份，有机盐5～20份，减阻剂5～30份；其中纳米材料选自纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的混合物。
进一步地，所述纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的质量比为1:1。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述纤维状结构纳米材料为纳米碳化硅；所述片状结构纳米材料为纳米氢氧化铝和/或纳米氢氧化镁。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述纳米材料的尺寸为20～50nm。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述无机盐选自硫酸钾、硝酸钠、或硫酸钙中的一种或几种。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述有机盐为乙酸钠或甲酸钙。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述减阻剂为萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的复合物，其质量比为2:1。
相比于现有技术，本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂具有以下优点：
1)本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂将纳米技术引入到早强剂设计中，利用纳米材料小尺寸效应、表面与界面效应等特殊性能，激发油井水泥水化活性，并将纤维状结构和片状结构纳米材料有机结合在一起，起到复合增强的作用，从而显著提高水泥石的早期强度。
2)本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂通过将无机盐和有机盐的的合理复配，促进水泥的早期水化，进一步加快水泥石早期强度发展。
3)本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂引入纳米材料与缓凝性减阻剂，克服常规早强剂促凝作用明显的缺陷，使体系对水泥浆稠化时间影响小的情况下大幅度提高水泥石强度。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明提供了一种油井水泥用弱促凝型早强剂，所述早强剂含有以下组分：以重量份计，纳米材料30～70份，无机盐20～50份，有机盐5～20份，减阻剂5～30份；其中纳米材料选自纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的混合物。本发明将纤维状结构和片状结构纳米材料有机结合在一起，起到复合增强的作用，从而显著提高水泥石的早期强度。
进一步地，所述纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的质量比为1:1。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述纤维状结构纳米材料为纳米碳化硅；所述片状结构纳米材料为纳米氢氧化铝和/或纳米氢氧化镁。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述纳米材料的尺寸为20～50nm。本发明利用纳米材料小尺寸效应、表面与界面效应等特殊性能，激发油井水泥水化活性，在20～50nm的尺寸范围能使纳米材料在水泥浆中可更好的发挥其纳米效应，起到更好的增强作用。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述无机盐选自硫酸钾、硝酸钠、或硫酸钙中的一种或几种。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述有机盐为乙酸钠或甲酸钙。
根据本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，所述减阻剂为萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的复合物，其质量比为2:1。
实施例1
首先称取纳米材料70份，其中纳米碳化硅与纳米氢氧化镁的混合质量比为1:1；萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的混合物共5份，其中萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的质量比为2:1，将上述纳米材料和减阻剂混拌均匀。然后加入硫酸钾与硝酸钠的混合物共20份，乙酸钠5份，混拌均匀，即可得到粉末状油井水泥用弱促凝型早强剂，标记为1#样品。
实施例2
首先称取纳米材料50份，其中纳米碳化硅、纳米氢氧化铝与纳米氢氧化镁的混合质量比为1:0.3:0.7；萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的混合物共10份，其中萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的质量比为2:1，将上述纳米材料和减阻剂混拌均匀混拌均匀。然后加入硫酸钾与硫酸钙的混合物共25份，乙酸钠与甲酸钙的混合物共15份，混拌均匀，即可得到粉末状油井水泥用弱促凝型早强剂，标记为2#样品。
实施例3
首先称取纳米材料30份，其中纳米碳化硅与纳米氢氧化铝的混合质量比为1:1；萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的混合物共15份，其中萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的质量比为2:1，将上述纳米材料和减阻剂混拌均匀。然后加入硝酸钠与硫酸钙的混合物共35份，乙酸钠与甲酸钙的混合物共20份，混拌均匀，即可得到粉末状油井水泥用弱促凝型早强剂，标记为3#样品。
实施例4
首先称取纳米材料30份，其中纳米碳化硅、纳米氢氧化铝、纳米氢氧化镁的混合质量比为1:0.6:0.4；萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的混合物共30份，其中萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的质量比为2:1，将上述纳米材料和减阻剂混拌均匀。然后加入硝酸钠与硫酸钙的混合物共35份，乙酸钠与甲酸钙的混合物共5份，混拌均匀，即可得到粉末状油井水泥用弱促凝型早强剂，标记为4#样品。
性能评价
按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》中规定的试验方法对本发明实施例中的油井水泥用弱促凝型早强剂样品的性能进行评价。
本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂评价所用水泥浆基础配方(质量比)为：
配方1：以占水泥质量的百分数计，G级水泥+50％减轻增强混材+6.0％降失水剂+73％水+早强剂样品(加量见表中所示)(水泥浆密度为1.50g/cm3)。
配方2：以占水泥质量的百分数计，G级水泥+100％减轻增强混材+6.0％降失水剂+112％水+早强剂样品(加量见表中所示)(水泥浆密度为1.35g/cm3)。
测试1：测试不同温度下高效早强剂1#、2#、3#、4#样品对水泥浆稠化时间和强度的影响，测试结果见表1。测试所用水泥浆配方为配方1。
表1.不同温度下水泥浆稠化时间和抗压强度测试结果
由上述实验结果可知，加入现有技术常用的油井水泥促凝剂氯化钙，水泥浆稠化时间明显缩短，但水泥石强度提高有限；而加入本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品1#、2#、3#、4#后，水泥石的强度显著提高，但对稠化时间影响轻微。当所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品加量在3％时，水泥浆30℃时稠化时间缩短在10％以内，90℃时稠化时间缩短率在15％以内，而强度提高率分别可达100％和50％以上。实验表明本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品1#、2#、3#表现出较弱的促凝作用，却体现出了明显的增强作用。
测试2：测试本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品1#、2#、3#、4#对水泥浆稠化时间和顶部强度以及8h早期强度的影响，测试结果见表2。测试所用水泥浆配方为配方2。
表2.水泥浆稠化时间和抗压强度测试结果
由上述实验结果可知，在未加入早强剂样品时，水泥石8h早期强度和24h顶部强度都小于3.5MPa，难以满足下步钻进。加入本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品1#、2#、3#、4#后，水泥浆90℃时稠化时间变化不大，但8h早期强度、24h顶部强度以及90℃、24h强度都有了显著提高，从而可满足长封固段固井要求和快速钻进的要求。
测试3：测试本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品1#、2#、3#、4#对水泥浆其他性能的影响，测试结果如表3。测试所用水泥浆配方为配方1。
表3.本发明所述早强剂样品对水泥浆其他性能的影响
由上述实验结果可知，加入本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂样品1#、2#、3#、4#后，水泥浆仍具有良好的流动性能，且其对水泥浆失水量无不良影响，可有效降低水泥浆的密度差，显著改善水泥浆稳定性。
本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂将纳米技术引入到材料设计中，通过各种材料的有机复配，制备出对水泥浆稠化时间影响小的高效早强剂，从而在满足固井施工安全的基础上大幅提高水泥石的强度。实验证明，本发明所述油井水泥用弱促凝型早强剂，对水泥浆稠化时间影响轻微，但可显著增加水泥石的早期强度，表现出弱促凝高早强的性能，且可改善水泥浆稳定性，对水泥浆其他性能无不良影响，具有良好的综合性能。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种油井水泥用弱促凝型早强剂，所述早强剂含有以下组分：以重量份计，纳米材料30～70份，无机盐20～50份，有机盐5～20份，减阻剂5～30份；其中纳米材料选自纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的混合物，所述纤维状结构纳米材料与片状结构纳米材料的质量比为1:1，纤维状结构纳米材料为纳米碳化硅；所述片状结构纳米材料为纳米氢氧化铝和/或纳米氢氧化镁，所述纳米材料的尺寸为20～50nm，所述减阻剂为萘磺酸盐甲醛缩合物与木质素磺酸盐的复合物，其质量比为2:1。
2.如权利要求1所述的油井水泥用弱促凝型早强剂，其特征在于，所述无机盐选自硫酸钾、硝酸钠、或硫酸钙中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的油井水泥用弱促凝型早强剂，其特征在于，所述有机盐为乙酸钠或甲酸钙。
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