1.高寒冻土层深水低温固井均存在低温及超低温条件下水泥浆水化

1.本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种适用于冻土层固井的早强水泥浆体系。

背景技术：

2.高山多年冻土固井和深水低温固井存在低温和超低温条件下水泥浆水化速度慢、等待凝固时间长、浅层油气水窜、软地层容易塌陷。 目前，国内关于超低温固井水泥浆研究的报道较少。国外的方法主要有高铝水泥浆体系、g级水泥和超细水泥的水泥浆体系、g级水泥和促凝剂体系。虽然在低温下强度发展较快，但后期存在强度下降严重的问题。 G级水泥加超细水泥浆体系存在浆体稠度高、抗窜性能差、现场施工时泵送困难等问题。水泥速凝剂体系常存在水泥浆在超低温条件下不能很好地缩短稠化时间、等待时间长、水泥浆水化放热明显、抗窜性能差等问题。可怜。

技术实施要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中水泥浆在超低温下等待时间长的问题，从而提出一种适用于固井的早强水泥浆体系。在冻土层中。

4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

5.一种适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系，按重量计由以下原料组成：符合GB10238标准的G级或C级油井水泥100份，低-低温早强剂1～5份，低温减水剂1～3份，低温促凝剂1～4份，微晶膨胀剂0.2～2.5份，低温胶结活化剂0.5～5份，消泡剂0.1～0.6份，g级水泥用水量为44份，c级水泥用水量为级水泥为 56 份。

6. 优选的，g级油井水泥为符合gb10238标准要求的g级高抗硫酸盐油井水泥，成分中硅酸三钙含量为60%-65%，硅酸二钙含量14%-19%，铝酸三钙含量1.0%～2.0%，铝酸四钙铁含量10%～15%，铝酸三钙含量1.0%～2.0%三氧化硫0.5%～2.0%，氧化镁含量0.5%～5.0%，细度300m2/kg-400m2/kg， C级油井水泥为满足GB10238标准C级高抗硫酸盐油井水泥的要求，硅酸三钙含量为60%~75%，硅酸二钙含量为13%~16%，铝酸三钙含量1.5%～3.0%，氧化镁含量3.0%～5.0%，三氧化硫含量2.@ >5%～3.@ >0%，细度440m2/kg～500m2/kg。

2.4@> 优选地，低温早强剂的主要成分为：甲酸钙、硫铝酸钙、纳米金属硅、偏铝酸钠、甲酰胺、改性氧化钙，质量百分比为：甲酸钙12 %-20%、硫铝酸钙12%-18%、甲酰胺12%-15%、纳米金属硅10%-15%、偏铝酸钠、改性氧化钙均为微量。低温早强剂的制备过程如下：将甲酸钙、硫铝酸钙、纳米金属硅置于鼓式搅拌器中。在搅拌过程中，通过小进料口加入改性氧化钙，混合1小时，制成合适浓度的部分浓度。适当浓度的铝酸钠溶液和甲酰胺溶液依次喷雾搅拌，适当工艺低温干燥1～2天，过筛研磨，混合搅拌30分钟。

2.5@> 优选地，低温混凝剂的主要成分为：硫酸铝、碱式氧化铝、硫酸钾、氯化钾、氟硅酸钠、三乙醇胺、三异丙醇胺、缓释剂等，质量百分比各成分为：硫酸铝10%～16%，基本形态

氧化铝12%～16%、硫酸钾10%～12%、氯化钾8%～12%、氟硅酸钠6%～10%、三乙醇胺、三异丙醇胺、缓释剂均为微量。低温混凝剂的制备工艺：将硫酸铝、碱式氧化铝、硫酸钾和氯化钾混合搅拌均匀，将三乙醇胺、三异丙醇胺和缓释剂配制成合适浓度的混合溶液，三乙醇胺、三异丙醇胺与缓释剂的质量比代理是 2.5:1.5:6。在固体粉末的搅拌过程中，将混合溶液雾化混合10分钟，低温干燥1~2天，筛磨，混合搅拌30分钟。

2.8@> 优选地，低温胶结活化剂的主要成分为：超细矿渣微晶核、无水铝酸钠、硫酸铝、改性硫酸钙晶须、氧化镁、高岭土、硫酸铵，质量百分比各组份为：超细矿渣微晶核25%-35%、改性硫酸钙晶须18-25%、过硫酸铵12%-25%、高岭土8%-15%、无水铝酸钠和微量氧化镁。低温胶结活化剂制备工艺：先制备超细矿渣微晶核，将熟石灰、矿渣粉、超细石英粉与1.5～2.0:5.混合0～2.4@>0：1.5～2.0的比例充分混合，放入高压釜，压力控制在0.7mpa，温度70 ℃，保持6h。 0.7mpa搅拌，温度70℃，保温3h，减压后尽快放入回转烘箱105℃脱水，冷却充分研磨至比表面积500m2/kg～ 560m2/kg，即形成超细渣微晶核；将超细矿渣微晶核、硫酸铝、改性硫酸钙晶须、铝酸钠、氧化镁、高岭土、过硫酸铵按一定比例充分混合均匀。

10. 优选地，微晶膨胀剂的主要成分为：铝酸钠、硝酸钾、硫铝酸钙、硫代硫酸钠、超细云母、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素，各组分的质量百分比为：钾硝酸盐18%-22%、铝酸钠18%-22%、硫代硫酸钠10%-15%、超细云母12%-18%、硫铝酸钙8%~12%、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素均为微量。微晶膨胀剂的制备工艺：将硝酸钾、铝酸钠、超细云母、硫铝酸钙调匀，配成适当浓度的硫代硫酸钠溶液，雾化后再搅拌，50℃干燥1天，粉碎研磨，然后加入聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素，混合搅拌1 h即得成品。

11.优选地，适用于多年冻土的低温降失水剂可由聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素等一种或多种复合材料组成，不限于所生产的降失水剂由我们公司对其兼容性性能要求：

①

没有延迟效果，

②

对浆料稠度无明显影响，

③

对水泥强度无不利影响；

12. 优选地，低温早强剂的早强比≥1.35、24h强度比≥1.2、化学时间比例≤1.0、初始稠度≤30bc，游离液≤0.5%。

13.优选低温混凝剂的抗压强度比≥1.2、增稠时间比≤0.5、游离液≤1.0%，初稠度≤30bc。

14.优选低温降失水剂的失水量≤50ml，40bc-100bc时间≤30min，初稠度≤30bc，游离液≤< @1.4%。

15.微晶膨胀剂48h相对膨胀率0.4%～3.2%，增稠时间变化值

±

30min，加粗线性突变值≤10bc，过渡时间≤40min。

16.优选地，低温胶结活化剂24h强度之比≥1.2、初始稠度≤30bc，浓度线性突变值为≤5bc。

12.4@>与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12.5@>本发明可大大缩短水泥浆的稠化时间，稠化时间易于调节，初稠度适中，便于现场制浆、注入和油气层更换、快速密封。

12.8@>本发明可满足短期凝结的需要，固井强度发展速度快。 0℃48h强度可达14mpa； , 水泥石致密坚韧，早期强度高，后期强度稳定，保证了超低温油气水层的长期封闭质量和长期发展的需要。

20.本发明失水容易控制，浆液稳定性好，胶结结构发展速度快，能较好地控制油气水窜，提高固井质量有保障。

图纸说明

21.图。图1为本发明提出的适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系中混凝剂添加量关系图；

22.图。图2为本发明提出的适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系中早强剂添加量的关系图；

23.图。图3为本发明提出的适用于多年冻土胶结的早强水泥浆体系中低温凝胶活化剂的添加量示意图；

24.图。图4为七灿1井地面固井声图；

25.图。图5为适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系15℃稠化曲线；

26.图。图6为适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系4℃稠化曲线；

22.4@>图7为适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系0℃增稠曲线。

具体实现方法

22.5@>下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然铝酸钙水泥成分，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，并非全部示例。

22.8@>试验前应将水泥、外加剂及搅拌设备预冷至-7℃，拌合水预冷至1℃。水泥浆的配制和试验方法按《sy/t 19139油井水泥试验方法》执行。搅拌后应立即记录水泥浆的温度。对于所有测试，都应测量并记录温度。

30.示例 1

31.本发明提出的适用于多年冻土层固井的早强水泥浆体系，按重量计包括以下原料：嘉化G级油井水泥100份，低温早-强度剂2.5份、低温减水剂3份、低温混凝剂3份、微晶膨胀剂2份、低温胶结活化剂2份； 2份消泡剂0.； 44份水。实施例中低温早强剂、低温胶结活化剂、低温混凝剂、低温降失水剂、微晶膨胀剂均为我公司产品。

32.示例 2

33.本实施例为适用于多年冻土固井的早强水泥浆体系，按重量计包括以下原料：天山C级油井水泥100份，低温水泥2份早强剂、低温降失水剂3份、低温混凝剂3份、微晶膨胀剂1.5份、低温胶结活化剂2份； 2份消泡剂0.； 56份水。实施例中低温早强剂、低温胶结活化剂、低温混凝剂、低温降失水剂、微晶膨胀剂均为我公司产品。

34.比较例1

100 份 35.g 级油井水泥和 44 份水。

36.比较例2

32.4@>青海油田低温及超低温井常用配方：g级油井水泥100份、早强剂（欧克）2.0份、低温液减损剂（明华化工）3份、低温混凝剂（中国石油博兴）3.0份、膨胀剂（威辉化工）2份、消泡剂（威辉化工）0.2份、水44份, 水泥 纸浆密度 1.90g/cm3.

32.5@>对比示例1、2和Example1、2测试数据如下：

32.8@>[0040][0041]

测试结果表明：本发明可大大缩短水泥浆的稠化时间，稠化时间易于调节，初稠度适中，有利于现场注浆和置换，有利于油气层的快速封闭； ℃24h强度可达8mpa，48h强度可达14mpa； -4℃48h强度可达10mpa。成型的水泥石具有微膨胀、致密坚韧的水泥石，早期强度高，后期强度稳定，保证了超低温油气水层的长期封闭质量和长期发展的需要。本发明的失水量可控制在50ml以内，浆液稳定性好，胶凝结构发展速度快，油、气、水窜能得到较好的控制。

[0042]

本实施例使用的低温早强剂是提高多年冻土层水泥浆早强的重要技术措施，主要成分为：甲酸钙、硫铝酸钙、纳米金属硅、金属-铝钠、甲酰胺、改性氧化钙；

[0043]

本实施例使用的低温混凝剂有效缩短了冻土层水泥浆的稠化时间，加快了水泥浆的凝结速度，有利于提高水泥石的早期强度。其主要成分有：硫酸铝、碱氧化铝、硫酸钾、氯化钾、氟硅酸钠、三乙醇胺、三异丙醇胺等；

[0044]

本实施例使用的低温胶结活化剂是保证低温和超低温条件下冻土层水泥浆水化活性的重要技术措施。其主要成分有：超细渣微晶核、无水铝酸钠、硫酸铝、改性硫酸钙晶须、氧化镁、高岭土、过硫酸铵。

[0045]

本实施例使用的低温膨胀剂的主要成分为：铝酸钠、硝酸钾、硫铝酸钙、硫代硫酸钠、超细云母、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素；

[0046]

本实施例中使用的低温失水剂的主要成分为：聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、硝酸钾、硫代硫酸钠，该低温失水剂具有良好的低温性能。减水失水性能对浆体稠度无影响，无缓凝现象，有利于提高水泥石的强度，与其他添加剂有良好的相容性。

[0047]

在示例中：

[0048]

保证冻土层胶结质量的水泥浆技术要求是：1、水泥浆的稠化时间满足短期凝结的需要；2、提高水泥浆的抗压强度水泥石； 3、超低温条件下水泥浆良好的水化活性；4、水泥石的微膨胀。

[0049]

1、增稠时间的控制

[0050]

该工艺中，增稠时间主要由低温混凝剂控制，其投加规律见图1。

[0051]

配方：嘉华G级水泥+低温早强剂1.0%+低温促凝剂调节+h2o44%

[0052]

低温混凝剂具有良好的线性关系，稠化时间易于调节，其用量随基本配方的变化而变化。

[0053]

2、提高水泥石早期强度

[0054]

该工艺主要通过调整低温早强剂来提高水泥石的强度。添加低温早强剂后，其早强性能明显提高，添加量关系如图2所示；

[0055]

配方：嘉华G级水泥+活化剂0.5%+低温早强剂调整+h2o44%

[0056]

随着早强剂的增加，早强明显提高。早强剂也适用于低密度水泥浆。低温早强剂、低温胶结活化剂、高强水泥的应用可以达到更优的效果。

[0057]

3、超低温条件下提高水泥浆水化活性

[0058]

该技术中的低温胶结活化剂是保证低温和超低温条件下冻土层水泥浆水化活性的重要技术措施。

[0059]

配方：jhg+低温混凝剂1.0%+低温活化剂调节+h2o 44%

[0060]

低温胶结活化剂不仅可以提高水泥浆在超低温条件下的水化活性，还可以在低密度水泥浆中激发水泥浆中外加剂的活性，提高水泥石的抗压强度.

[0061]

4、水泥石微膨胀性能的控制

[0062]

该技术中水泥石的微膨胀主要通过微晶膨胀剂调节，其相对膨胀率适宜在0.5%-3.5%范围内, 微晶膨胀 用量为0.5%-3.0%铝酸钙水泥成分，用量可控制在此范围内。

[0063]

以下是本专利申请破纪录的例子

[0064]

七神一号

-------

世界最高井（海拔4100m，冻土层680m） 南祁连地块最低气温-31.3℃，最高20℃，夜间气温0℃以下全年。区块内七灿1井冻土层达680m，冻土层富含地下冰。该层对温度极为敏感。如果在注水泥浆过程中温度升高，冰土会迅速溶解，地层会下沉。墙体坍塌，施工风险高，环境污染严重，预防复杂事故的手段少。当温度低于0℃时，水泥浆中的水凝结成冰，不参与水泥的水化，导致水泥浆不凝固，没有强度。

[0065]

七灿1井表层及工艺需封冻冻土层。经过几个月的对比试验，确认该井选用了我公司的冻土水泥浆体系。该体系具有一定的触变性，其强度、增稠时间等性能满足冻土胶结的需要。纸浆性能见下表

[0066][0067]

实验数据表明，本发明可显着缩短超低温条件下水泥浆的稠化时间和凝结时间，稠化时间易于调节，浆料稠度适中，施工安全稳定高；浆料滤失量小，浆料胶结强度发展迅速，抗窜性能好；成型的水泥石膨胀微、早期强度高、界面结合质量好、测井声幅评价好。

[0068]

以上所述仅为本发明的较佳具体实施例而已，但本发明的保护范围并不限于此。对本发明的技术方案和发明构思进行等同替换或变化，均应包含在本发明的保护范围之内。