适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系及制备方法与流程

1.本发明属于油田化学及油气井固井材料技术领域，具体涉及了一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系及制备方法。


背景技术：

2.注水泥塞工艺是将一定量的水泥浆替到套管或井眼的某一部位，使其形成满足工程需要的新的人工井底或满足工艺要求的封闭某井段的工艺技术，钻井、完井施工及井下作业、修井中都会遇到注水泥塞工艺技术。注水泥塞是井下作业常见的施工工序，随着油田的开发，尤其是在油水井开发中后期，储层改造、增油增注等措施的实施都不离开注水泥塞施工。井下作业中注水泥塞的用途主要有以下几种：(1)封闭已试油层上返新层试油，或进行分层作业时的封堵非目的层；(2)封闭底部水层；(3)找堵漏、找封窜、上部套管试压等隔开封闭某一层段：(4)堵塞报废井及回填枯竭层位；(5)出于安全目的封闭层位(如封闭高压层、有毒有害流体层)等。
3.在井内密度较小的大量液体上面打密度大的用浆量较小的水泥塞难度较大。针对常规打水泥塞施工存在一次成功率低的问题，各研究机构和施工单位都在不断开发新的工艺技术和井下工具，以适应不同现场情况的需要。其中水泥浆体系是决定水泥塞质量的关键因素之一，由于大斜度段和水平段的特殊井型，对用于打水泥塞的水泥浆性能要求高。为了保证水泥塞有效密封性能，防止出现高边密封漏失通道，要求水泥浆体系析水为0、高沉降稳定性、水泥石体积不收缩；同时由于打水泥塞常采用细管注水泥浆，为了能够顺利实施打水泥塞施工，注水泥过程中摩阻要低，因此要求水泥浆体系粘度低；但低粘度水泥浆，在大斜度段和水平段侯凝过程中，会沿下井壁流延，请参考图2所示，影响水泥塞质量，因此还要求水泥浆具有较强的触变性能。
4.析水、沉降稳定性、流动度，归根结底是对水泥浆中水的控制，水加入量少，虽然降低了自由水，提升了沉降稳定性，但是水泥浆流动度受影响，需要加入大量的减阻剂；如果水加量多，改善了水泥浆流动度，但是水泥浆吸水量及沉降稳定性难以控制。通过对比可以发现，减少水泥浆用水量对析水和沉降稳定性都有利，损失的流动度则可以通过增加减阻剂加量进行补偿。但是降低水加量容易导致水泥石体积收缩。统计资料显示，当水灰比小于0.4时，水泥石体积就会出现明显的自收缩。以固井行业常用的0.44水灰比为例，失水量为50ml时，水泥浆中的剩余水灰比仅为0.35，此时水泥浆将发生严重的自收缩。只有水灰比达到0.48以上时，当失水量为50ml时，可以保证水泥浆中剩余水灰比达到0.4。但是在水平井中过高的水灰比又增加了析水和沉降的风险。
5.低粘度和触变是一对矛盾的性能，通常情况下触变性能的实现在一定程度要要增加水泥浆的粘度，但是注水泥塞通常采用小内径管柱施工，要求浆体粘度低，以降低摩阻，但是水泥浆粘度低，在井下容易与钻井液混浆且沿井壁流延，影响水泥塞封隔性能。
6.针对大斜度井段或水平井段水泥塞对水泥浆性能要求集合了低粘度、低体积收缩率和强触变的要求，现有的水泥浆体系几乎无法满足上述要求。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，以有效解决现有的水泥浆体系无法同时满足低粘度、低体积收缩率和强触变的要求的问题。为了缓解上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
8.一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系包括胶凝体系、降失水剂、缓凝剂、球形吸水凝胶和水；水泥浆体系中的配浆水和球形吸水凝胶中的含有的水的总量使水灰比达到0.48以上。
9.该水泥浆体系的水灰比在0.48以上，可以有效防止水泥石体积发生化学收缩，同时通过球形吸水凝胶将水泥浆中多余的水分进行调控，同时有效降低水泥浆粘度，防止水泥石收缩，防止出现析水和沉降等浆体不稳定的结果出现，并且由于“滚珠效应”，球形吸水凝胶可以显著降低水泥浆粘度，改善水泥浆流动度，球形吸水凝胶也可作为触变剂，可以使水泥浆系统实现较好的触变效果，因此，本发明中的水泥浆体系具有低粘度、低体积收缩率和强触变性能，满足大斜度段和水平段打水泥塞的要求。
10.更进一步地，胶凝体系由以下成分及其重量份组成：油井水泥100份，粉煤灰(沉珠)25～30份，微硅5～10份；优选地，油井水泥为d级油井水泥。
11.微硅和粉煤灰都是极细小的球形颗粒，水化作用显著，消耗大量的水，静置或者低剪切时，会因为吸附大量的水使水泥浆表现出宏观增粘的现象，高速剪切时，又能表现出滚珠效应，降粘，因而，粉煤灰(沉珠)和微硅的组合使水泥浆具有一定的触变性能，从而防止侯凝过程中水泥浆散落以及沿下井壁流延，对提升大斜度井段和水平井段水泥塞密封质量具有重要意义。
12.更进一步地，球形吸水凝胶的水凝胶含水量为22
±
5g/g。水凝胶球径为50～250μm。球形吸水凝胶采用反相悬浮聚合方法制成，具体按照中国专利cn111807747a中的制备方法制成，具体为丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(质量比7:3)共聚的球形吸水凝胶。
13.更进一步地，球形吸水凝胶的用量为水泥质量的10％-25％。
14.球形吸水凝胶通过物理控水作用防止水泥石自身的收缩，该过程不发生化学反应，虽然对水泥浆中的水分进行了物理控释，但由于其加量低且控水量进行了合理设计，所以对水泥浆性能影响小。
15.更进一步地，降失水剂为1.5～5.0份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂。
16.更进一步地，缓凝剂为0.5～5.0份改性淀粉型或磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂。
17.更进一步地，90-120℃时，采用改性淀粉型缓凝剂；120-150℃时，采用磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂。
18.更进一步地，还包括磺化醛酮型分散剂，分散剂的用量为水泥质量的0.25％-2.0％。
19.一种制备上述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系的制备方法，包括如下步骤：
20.将降失水剂与胶凝体系进行干混，得到固体混合料；
21.将球形吸水凝胶、缓凝剂加入水中进行混合，得到液体混合料；
22.将固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系。
23.更进一步地，制备固体混合料时，还加入分散剂。
24.综上，本发明中提供的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系及制备方法的有益效果如下：
25.1、球形吸水凝胶在水泥浆中起到控水防缩的作用，水泥浆中配浆水和球形吸水凝胶中的含有的水加起来的总量可以使水灰比达到0.48以上，可以有效防止水泥石体积发生化学收缩；
26.2、通过吸水凝胶将水分进行控制，防止出现析水和沉降等浆体不稳定的结果出现，并且由于“滚珠效应”，球形吸水凝胶可以显著降低水泥浆粘度，改善水泥浆流动度；
27.3、球形吸水凝胶也可作为触变剂发挥作用，同时，粉煤灰(沉珠)和微硅的组合，使水泥浆具有较好的触变性能，防止侯凝过程中水泥浆散落以及沿下井壁流延；
28.4、该水泥浆体系密度从1.70-1.90g/cm3可调，通过调整外加剂(降失水剂和缓凝剂)，可满足150℃以内条件下的注塞施工；
29.5、该制备方法步骤简单，实施方便。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施方式提供的不同球形吸水凝胶加量时水泥石体积变化图；
32.图2为背景技术中提到的水泥浆流延散落图；
33.图3为本发明实施方式提供的100℃时水泥浆稠化曲线；
34.图4为本发明实施方式提供的110℃时水泥浆稠化曲线；
35.图5为本发明实施方式提供的120℃时水泥浆稠化曲线；
36.图6为本发明实施方式提供的150℃时水泥浆稠化曲线。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
38.因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.实施例1一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系
40.将100份d级油井水泥、25份粉煤灰(沉珠)和5份微硅组成的胶凝体系与2.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂进行干混，得到固体混合料；将10份球形吸水凝胶、1.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂加入40份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c1。
41.实施例2一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系
42.将100份d级油井水泥、30份粉煤灰(沉珠)和8份微硅组成的胶凝体系与2份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂进行干混，得到固体混合料；将15份球形吸水凝胶、1.5份改性淀粉型缓凝剂加入41份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c2。
43.实施例3一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系
44.将100份d级油井水泥、30份粉煤灰(沉珠)和8份微硅组成的胶凝体系与2份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂进行干混，得到固体混合料；将20份球形吸水凝胶、2份磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂加入42.4份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c3。
45.实施例4一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系
46.将100份d级油井水泥、30份粉煤灰(沉珠)和8份微硅组成的胶凝体系与2.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂进行干混，得到固体混合料；将25份球形吸水凝胶、2份磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂加入46.5份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c4。
47.实施例5对比样本(未加入球形吸水凝胶)
48.将100份d级油井水泥、30份粉煤灰(沉珠)和8份微硅组成的胶凝体系与2.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂进行干混，得到固体混合料；将1.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂加入50份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c5。
49.实施例6对比样本(未加入球形吸水凝胶，加入分散剂)
50.将100份d级油井水泥、30份粉煤灰(沉珠)和8份微硅组成的胶凝体系与2.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂、0.5份磺化醛酮型分散剂进行干混，得到固体混合料；将1.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂加入50份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c6。
51.实施例7对比样本(未加入球形吸水凝胶、粉煤灰(沉珠)和微硅)
52.将138份d级油井水泥与2.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂、0.5份磺化醛酮型分散剂进行干混，得到固体混合料；将1.5份磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂加入50份水中进行混合，得到液体混合料；将上述固体混合料和液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系，标记为c7。
53.性能测试：
54.1、测试水泥石体积变化
55.将实施例1～7中的水泥浆体系按照ansi/api recommended practice 10b-5标准对水泥石体积变化进行测量，请参考图1，具体结果如下:
56.按照占水泥质量10％、15％、20％和25％的比例加入球形吸水凝胶后，水泥石体积未发生收缩。
57.2、水泥浆密度、析水、沉降稳定性、触变性能和流动度测试
58.按照ansi/api recommended practice 10b-5标准对水泥浆流动度进行测量，沉降稳定性用水泥浆体系的上下密度差进行表征，触变性能采用终切和初切的差值进行表
征。表1：水泥浆密度、析水、沉降稳定性、触变性能和流动度测试结果水泥浆样本密度g/cm3析水ml沉降稳定性g/cm3触变性能流动度cmc11.9000.032524c21.8500.012624c31.8000.0062323c41.7500.0052423c51.9010.072518c61.9020.12022c71.900.50.05220
59.从表1的测试结果可以看出水泥浆体系c1-c4加入球形吸水凝胶后，水泥浆具有优越的吸水性能、沉降稳定性；水泥浆体系c5未加入球形吸水凝胶，与加入球形吸水凝胶的水泥浆体系c1-c4对比，球形吸水凝胶明显改善水泥浆的流动度，加入分散剂的水泥浆体系c6的流动度也得到改善；加入分散剂后，水泥浆流动度可以达到要求，但是破坏了水泥浆的沉降稳定性及析水性能。对比未加入球形吸水凝胶的水泥浆体系c5，水泥浆体系c7未加入粉煤灰(沉珠)和微硅的组合，触变性能显著下降，可见粉煤灰(沉珠)和微硅的组合能够显著提升水泥浆的触变性能。
60.3、测试水泥浆粘度
61.表2：水泥浆六转速粘度计测试结果
62.从表2的测试结果可以看出600转读数较低，说明水泥浆粘度低。
63.4、水泥浆稠化时间测试
64.将实施例1～7中的水泥浆体系分别在100℃(实施例2)、110℃(实施例2)、120℃(实施例1)和150℃(实施例4)时的水泥浆稠化时间测定，请一并参考图3至图6，具体结果如下：
65.水泥浆体系满足150℃以内条件下的注塞施工时间要求。
66.5、水泥石抗压强度测试
67.表3：水泥石抗压强度测试结果
68.从表3的测试结果可以看出该适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，不同条件下养护24h后，水泥石抗压强度均大于14mpa。
69.本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

技术特征：
1.一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于：包括胶凝体系、降失水剂、缓凝剂、球形吸水凝胶和水；所述水泥浆体系中的配浆水和所述球形吸水凝胶中的含有的水的总量使水灰比达到0.48以上。2.根据权利要求1所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，所述胶凝体系由以下成分及其重量份组成：油井水泥100份，粉煤灰(沉珠)25～30份，微硅5～10份；优选地，所述油井水泥为d级油井水泥。3.根据权利要求1所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，所述球形吸水凝胶的水凝胶含水量为22
±
5g/g。水凝胶球径为50～250μm。4.根据权利要求2所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，所述球形吸水凝胶的用量为所述水泥质量的10％-25％。5.根据权利要求1所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，所述降失水剂为1.5～5.0份磺酸基团和羧酸基团共聚型降失水剂。6.根据权利要求1所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，所述缓凝剂为0.5～5.0份改性淀粉型或磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂。7.根据权利要求6所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，90-120℃时，采用改性淀粉型缓凝剂；120-150℃时，采用磺酸基团和羧酸基团共聚型缓凝剂。8.根据权利要求2所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系，其特征在于，还包括磺化醛酮型分散剂，所述分散剂的用量为所述水泥质量的0.25％-2.0％。9.一种制备如权利要求2-8任一项所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将所述降失水剂与所述胶凝体系进行干混，得到固体混合料；将所述球形吸水凝胶、所述缓凝剂加入水中进行混合，得到液体混合料；将所述固体混合料和所述液体混合料进行搅拌混配，得到水泥浆体系。10.根据权利要求9所述的适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系的制备方法，其特征在于，制备所述固体混合料时，还加入所述分散剂。

技术总结
本发明属于油田化学及油气井固井材料技术领域，具体涉及了一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系及制备方法，旨在解决现有的水泥浆体系无法同时满足低粘度、低体积收缩率和强触变的要求的问题。本发明提供了一种适用大斜度段和水平段打水泥塞的水泥浆体系包括胶凝体系、降失水剂、缓凝剂、球形吸水凝胶和水；水泥浆体系中的配浆水和球形吸水凝胶中的含有的水的总量使水灰比达到0.48以上。本发明中的水泥浆体系具有低粘度、低体积收缩率和强触变性能，满足大斜度段和水平段打水泥塞的要求。要求。要求。


技术研发人员：任勇强 张伟 陈小虎 朱其亮 魏志红 夏天宝 屈兴华 傅小勇 马越 李进 杨春华 杨小涛 钟世铭 宋立
受保护的技术使用者：中国石油集团渤海钻探工程有限公司
技术研发日：2022.01.18
技术公布日：2023/7/31