一种低温水泥浆及其制备方法与应用与流程

本发明属于油气井固井外加剂，具体涉及一种低温水泥浆及其制备方法与应用。

背景技术：

1、深海、极地地区具有巨大的油气资源开发潜力，随着深海、极地地区逐渐成为油气资源勘探开发的展开，低温固井水泥浆及其关键外加剂成为保障低温固井作业安全和有效运行的关键。深海、极地地区环境温度低，特别是北极冻土地区表层温度可达-5℃以下，上述环境中，常规水泥浆体系在固井作业时的水化进程、强度发展速度极为缓慢，甚至水泥浆中水凝结成冰，不参与水泥浆水化反应，导致水泥浆不凝固无强度，无法为后续钻井施工作业提供安全保障。因此，通常向体系中加入低温增强材料，缩短低温下水泥浆凝结时间、提高水泥石强度，对确保低温水泥浆体系综合性能、保障作业安全和提高固井质量具有非常重要的作用。

2、目前，中-低温早强剂种类众多，主要以无机盐类早强剂为主，可在提高固井水泥石早期强度，缩短候凝时间。然而目前常见早强剂仍然存在一些问题：①最广泛使用的氯化钙早强剂易使水泥浆流变性能变差，出现下灰难、注替时稠度高的问题，甚至出现“假凝”现象；②钾盐早强剂中，k+由于不参与水泥水化，易在水泥石表面析出，特别是在低温下水泥石表层结晶，进而膨胀开裂，造成水泥石表面出现缺陷；③常见中-低早强剂作用温度10-30℃，对低温、超低温下水泥浆早强效果不明显，更甚者出现水泥浆中水凝结成冰，水泥石无强度发展，增加固井作业风险。

3、针对以上技术问题，现有技术公开了多种低温早强韧性水泥浆技术，如cn106986584公开了一种低温高强韧性水泥浆体系，由水泥、低温活性材料、早强剂、膨胀韧性材料、分散剂、降失水剂等组成原料组分，其中低温活性材料为矿渣粉和超细水泥的组合，早强剂为氯化钙、碳酸钠、偏硅酸钙的组合，结果表明，该专利公开的水泥浆体系能够有效改善常规水泥石低温下强度发展缓慢、强度不高、脆性强等缺陷。然而，该技术采用的低温活性材料为矿渣粉，未考虑矿渣粉在提高早期强度的同时增加水泥浆的需水量，使其丧失流动度；同时氯化钙、碳酸钠、偏硅酸钙都会造成水泥浆的增稠，甚至出现“闪凝”的现象，极易出现固井事故。

4、以上述专利为代表的现有技术中，低温水泥浆虽能在低温早强、韧性膨胀等方面有突出进步，但在低温(0-5℃)环境中，特别是在温度接近冰点(0℃)的条件下，水泥浆防结冰效果与水泥石在极低温条件下早强效果不理想，并且现有公开技术的水泥浆低温增强材料普遍对流动度影响较大。因此，为保障极地或深海低温地层固井质量，研制一种适用温度范围更低的水泥浆低温增强材料具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种低温水泥浆及其制备方法与应用，该水泥浆利于低温环境下(0-5℃)水泥石早期强度发展，具有早强、微膨胀、水泥综合性能可调的特点，能够满足深水、极地等低温地层的固井技术需求。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种低温水泥浆，按重量份数计算，其组成包括：100份水泥、5-20份水泥基底材料、5-15份低温活性材料、1-6份早强剂、0-15份减轻剂、0.5-2份分散剂、0.5-2.5份降失水剂、0.1-1份缓凝剂、0.1-1份消泡剂和40-80份水；

3、其中，所述早强剂包括氯化锂、硫酸钠、硫代硫酸钠、铝酸钠、三乙醇胺、偏硅酸钠中的一种或两种以上的组合。采用本发明的这些早强剂能够缩短水泥浆起强度时间、促进水泥石强度发展。

4、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述缓凝剂添加量为0.1-0.5份。

5、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述减轻剂添加量为0.001-15份；更优选地，所述减轻剂包括玻璃微珠；减轻剂(例如玻璃微珠)加入的目的是调节水泥浆密度与减缓热量散失、防止水泥浆内部温度降低过快，加入量为0-15份，若需要得到的是低密度水泥浆，则需要加入减轻剂玻璃微珠；若需要得到的是常规密度水泥浆，则无需加入玻璃微珠。

6、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述水泥包括g级油井水泥。

7、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述水泥基底材料包括硫铝酸盐水泥和/或磷酸镁水泥。采用本发明的水泥基底材料能够加快水泥的水化放热与水化速率，缩短水泥浆初凝时间，能够增加水泥石致密性，从而达到耐盐蚀、抗渗透、防止孔隙水结晶冻裂水泥石，除此之外，水泥基底材料有微膨胀特性，可解决水泥石孔隙内水结晶体积膨胀导致的胀裂等问题，具有膨胀、早强、抗冻融作用，同时对钢筋的防锈能力好，可阻止氯盐、硫酸盐早强剂对套管管柱的腐蚀。

8、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述硫铝酸盐水泥为硫铝酸钙水泥。

9、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述低温活性材料包括偏高岭土。所述低温活性材料的水化活性较高，在与早强剂的配合激活下，能够缩短水泥浆初凝时间，提高水泥石早期强度，可弥补低温条件下，水泥石体积收缩导致的水泥石开裂；采用偏高岭土作为低温活性材料，可与早强剂(碱激发剂)中的金属离子发生火山灰效应，生成更大量的水化产物，释放热量；同时偏高岭土粒度较细，可填充密实空隙，使水泥基材料趋于密实。

10、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述偏高岭土的纯度≥95％，密度≥2.50g/cm3，目数≥5000目。

11、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述早强剂为氯化锂、硫酸钠和铝酸钠以重量比为2-4:1-2:0.2-1的组合，优选为3:1.5:0.5，更优选地，进一步包括三乙醇胺。

12、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述早强剂为氯化锂、硫代硫酸钠和铝酸钠以重量比为2-4:1-2:0.2-1的组合，优选为3:1.5:0.5，更优选地，进一步包括三乙醇胺。

13、li+具有半径小、极化作用强等特点，采用氯化锂作为早强剂可起到减阻、分散的作用，适当的加量下可改变浆体的流动度与流变性能。

14、采用氯化锂、偏硅酸钠等无机盐材料形成复合早强剂，配合水中湿混三乙醇胺，可有效激发水泥基底材料与低温活性材料，加快反应的进行，缩短低温水泥浆的初凝时间，提高水泥石的早期强度。

15、采用氯化锂、硫酸钙等无机盐材料配合三乙醇胺可将水泥浆结晶点降至-5℃以下，起到防冻作用，缓解因水泥浆中水分冻结而导致的水化停滞问题。

16、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述三乙醇胺的添加量为0.03-0.06份。

17、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述玻璃微珠的密度为0.35-0.45g/cm3，破裂强度大于80mpa。

18、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述分散剂包括聚萘磺酸钠盐。

19、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述降失水剂包括聚乙烯醇和/或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸类聚合物。

20、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述缓凝剂包括羟基乙叉二膦酸。

21、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述消泡剂包括磷酸三丁酯。

22、本发明还提供了上述低温水泥浆的制备方法，其包括以下步骤：

23、(1)按比例将水泥、水泥基底材料、低温活性材料、早强剂、分散剂、降失水剂、缓凝剂混合，得到干混料；

24、(2)按比例将消泡剂和水混合，得到湿混料；

25、(3)将上述干混料与湿混料混合，得到所述低温水泥浆。

26、根据本发明的具体实施方案，优选地，步骤(1)中，混合原料进一步包括减轻剂。

27、根据本发明的具体实施方案，优选地，当早强剂包括三乙醇胺时，三乙醇胺于步骤(2)中与所述消泡剂和水混合，得到湿混料；早强剂中除了三乙醇胺的其他组分于步骤(1)中添加。

28、本发明还提供了上述低温水泥浆在油气井固井中的应用。

29、根据本发明的具体实施方案，优选地，在上述应用中，所述油气井固井的所处温度为0-5℃。

30、综上所述，本发明通过将油井水泥与低温增强材料、减轻材料、分散剂、早强剂、降失水剂等按比例混合，得到一种低温固井水泥浆体系，其有效解决了0-5℃(特别是0℃)低温环境下水泥石收缩、开裂、强度发展缓慢，甚至0℃温度下水泥浆中水分结晶、水泥浆冻结的问题，具有低温下早强、微膨胀、防锈与水泥综合性能可调特性，且流变性能好、无下灰问题，能很好地应用于深水、极地等固井施工作业，缩短水泥浆稠化时间，可以满足极寒环境中油气井固井质量的要求；本发明的低温水泥浆制备方法简单，原料成本和加工成本较低，能够进行大规模的生产和推广。