一种低密度油井水泥制造技术

本发明专利技术公开了一种低密度油井水泥，属于油气井固井技术领域。所述油井水泥包括以下按重量百分比计的原料：水泥熟料82～90%、石膏1～8%、空心玻璃微珠5～10%、分散剂0～0.3%、缓凝剂0.5～0.8%；所述水泥熟料为硫铝酸盐水泥熟料、高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的一种。所述硫铝酸盐水泥熟料的比表面积为470～520cm

Low density oil well cement

The invention discloses a low-density oil well cement, belonging to the technical field of oil and gas well cementing. The cement comprises the following raw materials by weight percent: 82 ~ 90% cement clinker, gypsum is 1 ~ 8%, hollow glass beads 5 ~ 10%, 0 ~ 0.3% dispersant retarder, 0.5 to 0.8%; the cement clinker is a kind of sulphoaluminate cement clinker, high belite sulphoaluminate cement clinker. The specific surface area of the sulphoaluminate cement clinker is 470 to 520cm

【技术实现步骤摘要】
一种低密度油井水泥
本专利技术涉及一种低密度油井水泥，属于油气井固井

技术介绍
钻井作业过程中，如果发生浅层气井喷，将带来较为严重的结果，尤其在海上钻井作业中，井喷严重时会造成地表处的碗形塌陷，船只和平台损失等。浅层岩性疏松、承压能力低，导致压力窗口窄，压稳控制难，浅部地层温度低，水泥浆水化速度慢，水泥石早期强度低，加剧了气窜的风险，表层环空容积大、顶替效率低、封隔上部浅层气的水泥浆受钻井液伤害严重，难以保证水泥石的良好胶结。因此对于浅部地层来说，浅层气是表层固井的主要难点，为保证其固井质量，实现浅层气的有效封固，对水泥浆体系的选择、优化水泥浆柱设计是至关重要的。现有技术中的低密度水泥，如公开号为“CN101463248”，名称为“深海用低温低密度油井水泥”的专利技术专利，该专利公开的油井水泥由水泥材料、减轻材料、分散剂和水泥增强剂组成，特征是所述组分中的水泥材料为低温快硬基材水泥，在产品制备时混配入减轻材料、分散剂和的水泥增强剂，解决了深海低温条件下固井施工的难题，在5℃、常压、8小时条件下，水泥石强度可以达到3.5MPa以上，水泥浆密度控制在1.50±0.02g/cm3范围内，水泥浆流动度≥220mm，满足深海钻井固井的要求。该水泥的应用环境为5℃的低温环境，如果在本专利技术的申请的使用环境当中，存在两个问题，其一，由于上述专利中提到的低温快硬基材水泥，并未明确指出水泥水化产物，那么在30℃条件下，12h强度＞12MPa，24h强度＞24MPa的指标不一定能够达到；其二，该水泥浆体系中并未加入缓凝剂，为了实现低温早强的同时，加入了碳酸盐类的水泥增强剂，会缩短水泥的凝结时间，不满特殊表层固井环境对早强要求高，凝结时间长的要求。又如公开号为“CN101805596A”，名称为“非漂珠低密度油井水泥”的专利技术专利，该专利公开的油井水泥由100份油井水泥、12～20份纳米硅灰石、120～180份粉煤灰、3～6份早强剂和4～8份水泥分散剂组成，其中油井水泥按重量份数比由100份水泥生料、3～5份石膏和1～3份铜尾矿制成。该专利使用的油井水泥是由油井水泥熟料粉磨而成，该熟料矿物组成为硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙，铁铝酸四钙等四种固溶体，其水泥浆密度为1.60±0.02g/cm3，抗压强度20℃，24h为4.2MPa，40℃，24h抗压强度为5.2MPa，抗压强度不够高，不能满足特殊表层固井的使用要求。综上，现有技术中的低密度水泥的早期强度不够高，且稠化时间短，不能满足特殊条件下的固井施工。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中的低密度水泥早强不够高，稠化时间短的技术问题，提供一种新的低密度油井水泥，既能满足早强要求，又具有较长的稠化时间，能够满足特殊表层固井环境对强度和稠化的特殊要求，实现整个固井前、固井中以及固井后均满足压稳要求。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：一种低密度油井水泥，其特征在于：包括以下按重量百分比计的原料：水泥熟料82～90%、石膏1～8%、空心玻璃微珠5～10%、分散剂0～0.3%、缓凝剂0.5～0.8%；所述水泥熟料为硫铝酸盐水泥熟料、高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的一种；所述硫铝酸盐水泥熟料的比表面积为470～520cm2/g；硫铝酸盐水泥熟料矿物中无水硫铝酸钙C4A3含量为50～75%。本领域技术人员公知，因稠化时间和早期强度是两个相悖的指标，常规的低密度水泥不能同时满足该两个指标的要求，因此不适合用于需要早强，较长稠化时间要求的钻井作业。本专利技术上述技术方案，通过选择特定的水泥熟料：硫铝酸盐水泥熟料、高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的一种，使得低密度水泥具有早强的特性；而通过添加1～8%的石膏，可保证同时具有180min～240min的稠化时间可调，且早强高的特性。具体来说，石膏是具有缓凝和促进C4A3水化的双重作用。①石膏缓凝作用，抑制水化进行：硫铝酸盐熟料中C4A3为主要相，在石膏存在的情况下，C4A3与石膏发生反应形成钙矾石，在石膏的作用下，形成的钙矾石速度大大加快，这些晶体很快覆盖在未水化C4A3及β-C2S表面，使未水化粒子与石膏、水接触反应的机会大大减少，削弱了其水化速度，此时石膏的作用以缓凝为主。②石膏对水化的促进作用：石膏对水化的促进作用。石膏对C4A3水化具有促进作用，及C4A3、β-C2S和2CaSO42H2O之间的相互促进作用，能够提高水泥浆的早期强度。当石膏掺量大时，除了用来形成覆盖膜以外还有部分石膏剩余，液相中的SO32-浓度较大，水化反应仍可进行。此时,生成的水化产物主要是内部水化产物,此产物的体积膨胀使覆盖膜剥落，露出了新的表面，并开辟了进行水化反应的有利通道(即裂纹)，这样，石膏促进水化作用又占主导地位，初始结构很快形成。对于石膏量的选择，石膏的掺量对于早期强度和稠化时间有着至关重要的作用，该专利技术选择石膏掺量在1～8%，是由于该水泥浆要求12h，24h的早期强度，在该掺量其水化产物的生成速率和扩散速率匹配得很好,随着龄期的增长β-C2S水化进行，生成硅胶，进一步填充空间，结构更致密，后期强度稳定增长，并且加速矿物水化，能够促进钙矾石的形成，增加早强强度。如果石膏掺量过大，水泥中C4A3水化速度太快，形成了结晶结构。结晶结构网过早形成，虽对早期强度有利，但限制了随后生成的水化产物的顺利扩散，在有限的空间水化产物大量堆积且产生很大膨胀势能，使结构受损伤，强度增长缓；另外石膏掺量加大，石膏的缓凝作用作为主导作用，会削弱水化速度，导致早强强度的降低。为了更好地实现本专利技术，进一步地，所述减轻材料为空心玻璃微珠，密度0.3～0.6g/cm3，40MPa强度下破损率＜10%。更进一步地，所述油井水泥在配置时采用的水灰比为0.40～0.5。所述石膏为硬石膏，石膏的比表面积为450～500cm2/g。所述分散剂为多环芳基磺酸盐甲醛缩合物FND、UNF、CFR-H中的一种。所述缓凝剂为硼酸、硼砂、柠檬酸中的一种或者两种。本专利技术的有益效果：（1）与现有技术中的低密度水泥相比，本专利技术通过特定的水泥熟料与石膏进行配比，并添加少量的缓凝剂等材料，保证低密度水泥高的早期强度的同时，使得水泥还具有180min～240min的稠化时间可调的特性，从而满足浅部地层特殊的使用环境，从而有效保证其固井质量，实现浅层气的有效封固。经过测试，本专利技术的水泥浆密度能够达到1.5±0.02g/cm3，且该水泥在30℃、常压条件下，进行抗压测试，12h抗压强度≥14MPa，24h抗压强度≥25MPa。（2）本专利技术中，减轻材料为空心玻璃微珠，密度0.3～0.6g/cm3，40MPa强度下破损率＜10%，采用该指标范围内的空心玻璃微珠可以降低水灰比（优选0.40～0.50），从而提高浆体的稳定性，反之，采用公开号为CN101463248的水灰比0.7，会使得水泥浆体的沉降稳定性不好。（3）本专利技术中，石膏为硬石膏，石膏的比表面积为450～500cm2/g，石膏的品种与掺量对水泥早期强度有非常重要的影响，我国硬石膏矿产资源非常丰富，原材料易得，可提高我国硬石膏的利用率。硬石膏对硫铝酸盐水泥的活性较高，对于加速钙矾石的形成，提高早期强度作用优于其他种类石膏。增加硬石膏的比表面积可以显著提高硬石膏的水化率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低密度油井水泥，其特征在于：包括以下按重量百分比计的原料：水泥熟料82～90%、石膏1～8%、空心玻璃微珠5～10%、分散剂0～0.3%、缓凝剂0.5～0.8%；所述水泥熟料为硫铝酸盐水泥熟料、高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的一种；所述硫铝酸盐水泥熟料的比表面积为470～520cm

【技术特征摘要】
1.一种低密度油井水泥，其特征在于：包括以下按重量百分比计的原料：水泥熟料82～90%、石膏1～8%、空心玻璃微珠5～10%、分散剂0～0.3%、缓凝剂0.5～0.8%；所述水泥熟料为硫铝酸盐水泥熟料、高贝利特硫铝酸盐水泥熟料中的一种；所述硫铝酸盐水泥熟料的比表面积为470～520cm2/g；硫铝酸盐水泥熟料矿物中无水硫铝酸钙C4A3含量为50～75%。2.如权利要求1所述的一种低密度油井水泥，其特征在于：所述减轻材料为空心玻璃微珠，密度0.3～0.6g/cm3，40M...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾雪玲，古安林，王玉强，
申请(专利权)人：嘉华特种水泥股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51