CN104946220A - 一种固井用早强泡沫水泥浆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固井用早强泡沫水泥浆，其组分及质量配比为：硫铝酸盐水泥100份、发泡剂4～12份、稳泡剂2～7份、缓凝剂1～3份、降失水剂3～5份，水30～40份。本发明的泡沫水泥浆密度在0.55～1.40g/cm3可调，并且低温强度发展快，可用于井底温度为4～25℃的油气井固井施工。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工程领域，特别涉及低温易漏地层固井用早强泡沫水泥浆。
背景技术
泡沫水泥浆是采用直接在水泥浆中充气的方法降低水泥浆密度，即以气体作为减轻剂达到降低密度的目的。1978年，美国S.Yamada等人试验并第一次成功地制造出油井用泡沫水泥。八十年代，泡沫水泥的固井技术有了很大发展。研究人员改进了泡沫发生器，并严格选择表面活性剂作为稳泡剂，使气体以互相分离的均匀气泡的形式稳定分散于整个体系中，制造出性能优良的泡沫水泥浆。
前苏联、美国、加拿大等地的油田以及一些海上油田，多次应用泡沫水泥固井，成功率较高。我国新疆也成功的应用了泡沫水泥的固井技术。泡沫水泥浆为平衡压力固井、保护地层提供了条件，而且是典型的可压缩体系，为克服“失重”现象发生，以及超长封固段固井提供了可能。
随着石油资源的勘探开发的不断拓展，目前勘探区域已经向深海及寒冷地区发展。深海固井时，表层温度低、地层疏松，易发生漏失、浅层窜流等问题，而泡沫水泥浆具有良好的防漏、防窜的能力，同时具有可压缩性的特点，有利于保持水泥环的完整性，因此国外深水表层固井广泛采用了泡沫水泥浆技术。目前的泡沫水泥浆主要有机械发泡和化学发泡两种方法。国外主要采用机械发泡方法，机械充气泡沫水泥浆需要设备多，工艺复杂，需精心设计和计算机自动控制，不适当的设计和控制将导致泡沫不稳定而造成严重后果。
在文章“适用于长庆油田固井的超低密度泡沫水泥浆”(《钻井液与完井液》1997年05期)研究了化学发泡水泥浆，开发了发泡剂FCA、FCB和稳泡剂FCF，采用以漂珠水泥浆为基浆，加入FCA和FCB产生氮气，进一步降低水 泥浆密度，加入稳泡剂FCF提高泡沫稳定性，配成超低密度泡沫水泥浆，使水泥浆密度可降至1.20g/cm3。
在专利CN103525387中公开了一种化学发泡水泥浆体系，其发泡剂1为含有氯、氧、溴或氮的阴离子基团与含有钾、钠、铵、镁、锂、钙或铝组成了阳离子基团组成的易溶于水的化合物，发泡剂2为含氮物质配制的溶液，可为氯化铵、盐酸羟胺、乙二胺等。该发明的化学充氮泡沫水泥浆密度在0.80～1.50g/cm3可调，可用于10～95℃范围油气井固井作业。
以上的化学发泡水泥浆均采用油井水泥配制基浆，而油井水泥在低温下强度发展缓慢，静胶凝发展慢，影响水泥浆的防窜能力，导致固井质量差，不能适应低温尤其深水表层固井要求。
发明内容
本发明所要解决是针对采用油井水泥配制的泡沫水泥在低温下强度发展缓慢的问题，提供一种满足低温易漏地层固井要求的早强泡沫水泥浆。
本发明采用的技术方案是：
一种固井用早强泡沫水泥浆，组分及质量配比为：硫铝酸盐水泥100份、发泡剂4～12份、稳泡剂2～7份、缓凝剂1～3份、降失水剂3～5份，水30～40份。
进一步地，所述发泡剂由发泡剂A和发泡剂B组成，其中发泡剂A为2～6份，发泡剂B为2～6份；所述的发泡剂A是由氯酸钾、氯酸钠、高氯酸钠、氯酸钙、硝酸钙、硝酸钠和硝酸钾中的一种或几种组合，所述发泡剂B是由氯化铵、盐酸羟胺、亚硝酸铵、甲酰胺、硫酸铵和乙酰胺中的一种或几种组合所配成质量百分浓度为40～60％的溶液。
进一步地，所述稳泡剂为N-十二烷基亚氨基二乙酸钠脂肪醇、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚和十六烷基三甲基氯化铵的混合物料，以质量分数计算，N-十二烷基亚氨基二乙酸钠脂肪醇含量为30～60份，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚含量为20～50份，十六烷基三甲基氯化铵的含量为10～30份。
进一步地，所述缓凝剂为柠檬酸和有机膦酸的水溶液，其中以质量百分比计，柠檬酸为20～30％，有机膦酸为20～30％，水为40～60％。
进一步地，所述的降失水剂是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和烯丙基聚氧乙烯醚的三元共聚物；三种单体以质量分数计算，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为40～50份，丙烯酸为30～50份，烯丙基聚氧乙烯醚5～20份。
一种制备上述早强泡沫水泥浆的方法，将缓凝剂、降失水剂和水混合，水泥与发泡剂A混合，然后将二者混合配制成水泥基浆；将发泡剂B和稳泡剂配制成混合液，然后将混合液与水泥基浆混合，即得。
本发明提供的一种固井用早强泡沫水泥浆，密度在0.55～1.40g/cm3可调，并且低温强度发展快，可用于井底温度为4～25℃的油气井固井施工。具有如下优点：
1、本发明的固井用早强泡沫水泥浆采用硫铝酸盐水泥配制基浆在低温下强度发展快，可应用于地层温度为4℃甚至更低极地或深水表层固井。
2、本发明的固井用早强泡沫水泥浆采用了新的稳泡剂，解决了旧的稳泡剂不适用于硫铝酸盐水泥的问题，保证了泡沫水泥的的均匀和稳定性。
3、本发明的固井用早强泡沫水泥浆早期强度高，体系稳定，过渡时间短，具有优良的防漏、防气窜能力。
具体实施方式
一种固井用早强泡沫水泥浆，组分及质量配比为：硫铝酸盐水泥100份、发泡剂4～12份、稳泡剂2～7份、缓凝剂1～3份、降失水剂3～5份，水30～40份。采用硫铝酸盐水泥配制基浆以提高水泥浆的早期强度发展，采用发泡剂在水泥浆中充入氮气降低水泥浆密度，加入高效泡沫稳定剂提高泡沫的稳定，使得泡沫在硫铝酸盐水泥能均匀分散保持稳定。
所述发泡剂由发泡剂A和发泡剂B组成，其中发泡剂A为2～6份，发泡剂B为2～6份；所述的发泡剂A是由氯酸钾、氯酸钠、高氯酸钠、氯 酸钙、硝酸钙、硝酸钠、硝酸钾等化合物中的一种或几种组合，所述发泡剂B是由氯化铵、盐酸羟胺、亚硝酸铵、甲酰胺、硫酸铵、乙酰胺、等物质中的一种或几种组合所配成质量百分浓度为40～60％的溶液。采用上述的发泡剂，可以在水泥浆中进行完全反应，不受温度和压力变化的影响，生成气量大。
所述稳泡剂为N-十二烷基亚氨基二乙酸钠脂肪醇、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚和十六烷基三甲基氯化铵的混合物料，以质量份数计算，N-十二烷基亚氨基二乙酸钠脂肪醇含量为30～60份，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚含量为20～50份，十六烷基三甲基氯化铵的含量为10～30份。上述三种物质复配适用，可以从物理结构，电荷分布及表面张力方面形成复合效应，提高泡沫在水泥浆的稳定性。
所述缓凝剂为柠檬酸和有机膦酸的水溶液，其中以质量百分比计，柠檬酸为20～30％，有机膦酸为20～30％，水为40～60％。
所述的降失水剂是一种2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和烯丙基聚氧乙烯醚的三元共聚物；三种单体按质量份数计算为：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为40～50份，丙烯酸为30～50份，烯丙基聚氧乙烯醚5～20份。
本发明的固井用早强泡沫水泥浆在使用时，将缓凝剂、降失水剂和水混合均匀，水泥与发泡剂A混合均匀成干料，然后将二者混合配制成水泥基浆；将发泡剂B和稳泡剂配制成混合液，然后将混合液与水泥基浆混合，形成本产品。
实例1
本发明实施例提供的固井用早强泡沫水泥浆配方如下：
配方1：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 6份，发泡剂B 6份，稳泡剂7份，降失水剂3份，缓凝剂1份，水31份。
配方2：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 6份，发泡剂B 6份，稳泡 剂7份，降失水剂4份，缓凝剂2.5份，水30份。
配方3：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 5份，发泡剂B 5份，稳泡剂5.4份，降失水剂4份，缓凝剂1.2份，水33份。
配方4：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 5份，发泡剂B 5份，稳泡剂5.4份，降失水剂5份，缓凝剂3.0份，水32份。
配方5：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 4份，发泡剂B 4份，稳泡剂5份，降失水剂3.5份，缓凝剂1.6份，水36份。
配方6：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 4份，发泡剂B 4份，稳泡剂5份，降失水剂4.5份，缓凝剂2.8份，水35份。
配方7：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 3份，发泡剂B 3份，稳泡剂4.6份，降失水剂4.6份，缓凝剂1.4份，水37份。
配方8：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 3份，发泡剂B 3份，稳泡剂4.6份，降失水剂4.0份，缓凝剂2.4份，水38份。
配方9：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 2份，发泡剂B 2份，稳泡剂4份，降失水剂3.8份，缓凝剂1.6份，水40份。
配方10：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂A 2份，发泡剂B 2份，稳泡剂4份，降失水剂4.6份，缓凝剂2.8份，水40份。
水泥浆的性能按照ISO10426-4Petroleum and natural gas industries Cements and materials for well cementing-Part 4:Preparation and testing of Foamed Cement进行实验。其性能见表1。
表1 泡沫水泥浆性能-1
备注：*稳定性采用密度差表示，当密度差小于0.05g/cm3，表示稳定性好，当密度差大于0.05g/cm3时，稳定性差。
实例2
与专利CN103525387及文章“适用于长庆油田固井的超低密度泡沫水泥浆”中的配方对比
采用CN103525387中的水泥浆配方及外加剂：
水泥浆配方11：油井水泥100份，发泡剂I 1.0份，发泡剂II 1.0份，稳泡剂1.3份，降失水剂1.45份，分散剂0.2份，缓凝剂0.6份，水52份。
水泥浆配方12：硫铝酸盐水泥100份，发泡剂I 1.0份，发泡剂II 1.0份，稳泡剂1.3份，降失水剂1.45份，分散剂0.2份，缓凝剂0.6份，水52份。
采用文章“适用于长庆油田固井的超低密度泡沫水泥浆”中所述的外加剂配制以下水泥浆：
水泥浆配方13：油井水泥100份，FCA 3.0份，FCB 3.0份，稳泡剂FCF 4.0份，早强剂3份，水52份。
水泥浆配方14：硫铝酸盐水泥100份，FCA 3.0份，FCB3.0份，稳泡剂FCF 4.0份，早强剂3份，水52份。
水泥浆的性能按照ISO10426-4Petroleum and natural gas industries Cements and materials for well cementing-Part 4:Preparation and testing of Foamed Cement进行实验。其性能见表2。
表2 泡沫水泥浆性能-2
备注：**稳定性差，水泥浆收缩很大，未进行其他实验。
以上实例说明了本发明相比于现有技术的实质性进步，提高了水泥浆的稳定性和低温早期强度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种固井用早强泡沫水泥浆，其特征在于：组分及质量配比为：硫铝酸盐水泥100份、发泡剂4～12份、稳泡剂2～7份、缓凝剂1～3份、降失水剂3～5份，水30～40份。
2.根据权利要求1所述的早强泡沫水泥浆，其特征在于：所述发泡剂由发泡剂A和发泡剂B组成，其中发泡剂A为2～6份，发泡剂B为2～6份；所述的发泡剂A是由氯酸钾、氯酸钠、高氯酸钠、氯酸钙、硝酸钙、硝酸钠和硝酸钾中的一种或几种组合，所述发泡剂B是由氯化铵、盐酸羟胺、亚硝酸铵、甲酰胺、硫酸铵和乙酰胺中的一种或几种组合所配成质量百分浓度为40～60％的溶液。
3.根据权利要求1所述的早强泡沫水泥浆，其特征在于：所述稳泡剂为N-十二烷基亚氨基二乙酸钠脂肪醇、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚和十六烷基三甲基氯化铵的混合物料，以质量分数计算，N-十二烷基亚氨基二乙酸钠脂肪醇含量为30～60份，聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚含量为20～50份，十六烷基三甲基氯化铵的含量为10～30份。
4.根据权利要求1所述的早强泡沫水泥浆，其特征在于：所述缓凝剂为柠檬酸和有机膦酸的水溶液，其中以质量百分比计，柠檬酸为20～30％，有机膦酸为20～30％，水为40～60％。
5.根据权利要求1所述的早强泡沫水泥浆，其特征在于：所述的降失水剂是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和烯丙基聚氧乙烯醚的三元共聚物；三种单体以质量分数计算，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为40～50份，丙烯酸为30～50份，烯丙基聚氧乙烯醚5～20份。
6.一种制备权利要求1-5任一项所述早强泡沫水泥浆的方法，其特征在于：将缓凝剂、降失水剂和水混合，水泥与发泡剂A混合，然后将二者混合配制成水泥基浆；将发泡剂B和稳泡剂配制成混合液，然后将混合液与水泥基浆混合，即得。
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