[发明专利]用于油井等的低密度和低孔隙度的灌注泥浆

说明书

本发明涉及油井、气井、水井、地热井等的钻井技术。更精确地，本发明涉及低密度和低孔隙度的灌注泥浆。

油井等钻完之后，将套管或挠性油管下到钻孔中，并在其整个或部分高度灌注水泥。灌注水泥的具体作用是消除钻孔通过的各构造层之间的流体交换，防止气体通过套管周围的环形间隙上升，它甚至还具有限制水进入生产井的作用。当然，灌注水泥的另一主要目的是加固钻孔和保护套管。

由于是制备后即注入井中以便放置在需要加注水泥的区段，所以灌注泥浆必须具有较低的粘度，而且它必须具有实际上恒定的流变学特性。然而，一旦处于适当的位置，理想的水泥应迅速产生高的抗压强度，以便使在建井的其他工作迅速重新开始，特别是使钻井继续进行。

水泥的密度必须调整，以便井底的压力至少补偿井通过的地质层组中的钻孔压力，以避免坍塌的危险。除了密度下限外，还存在密度上限。该上限即水泥柱所产生的静压力加上因泵送的流体循环所产生的压头损失，必须保持低于灌注段中岩层的破裂压力。某些地质层组是非常容易碎裂的，并且要求其密度接近于水的密度甚至更低。

坍塌的危险随着柱高而减小，因此补偿钻孔压力所需的密度就更低。另外，灌注大高度柱是有利的，因为这能使灌注区段的数目降低。待区段灌注完毕，钻井必须以更小的直径重新开始，所以具有大量的区段需要在大直径区段的表面附近钻孔，从而导致额外的成本，因为大量的岩石需要钻孔，还因为套管区段需要更多的直径更大的钢材。

所有这些因素均支持使用密度非常低的水泥浆。

使用最广泛的水泥浆具有约1900kg/m³的密度，该密度约为某些矿层所需密度的2倍。为了降低密度，最简单的技术是增加水的数量，同时向泥浆中加入稳定剂(称作“增量剂”)，以避免颗粒沉淀和/或在泥浆表面形成游离水。显然，该技术不能使密度下降至接近1000kg/m³。而且，由这种泥浆形成的硬化水泥具有大大降低了的抗压强度、高度的渗透性和差的粘附能力。由于这些原因，该技术不能用来将密度降低至约1300kg/m³以下，同时又保持地质层之间的良好隔离性并为套管提供充分的加强。

另一技术包括在水泥浆凝固之前向其中注入气体(一般为空气或氮气)而使该水泥浆轻质化。加入的空气或氮气的数量使达到所需的密度。其可以例如形成水泥泡沫。该技术提供的性能稍好于前面的技术，因为气体的密度低于水的密度，所以需要加入的更少。然而，在石油工业的应用中，即使是以已经用水轻质化的泥浆开始时，实际密度也保持大于1100kg/m³。在一定“泡沫品质”即一定的气体体积与泡沫化泥浆体积之比以上，泡沫的稳定性迅速衰退，泡沫凝固后的抗压强度变得太低，而且其渗透性变得太高，从而危及在包含离子的热的含水介质中的耐久性，所述的离子可一定程度地侵蚀水泥。

本发明的目的是提供灌注水泥浆，该水泥浆更适用于灌注油井等，具有低密度和低孔隙度，而且不须混入气体就可以得到。

根据本发明，该目的是通过一种灌注油井等的水泥浆来实现的，该水泥浆具有0.9～1.3g/cm³、特别是0.9～1.1g/cm³的密度，并且是由固体部分和液体部分构成的，具有38～50％，优选小于45％的孔隙度(液体部分与固体部分的体积比)。

该固体部分优选由包含下列组分的混合物组成：

-60～90％(按体积计)平均尺寸为20～350μm的轻质颗粒；

-10～30％(按体积计)平均颗粒直径为0.5～5μm的微细水泥；

-0～20％(按体积计)平均颗粒直径为20～50μm的波特兰水泥；和

-0～30％(按体积计)石膏。

所取得的低孔隙度能使机械性能和渗透性最优化。由于具有比常规的轻质化体系好得多的机械性能及更低的渗透性，因此，超轻质水泥的防漏与粘结特性以及这种制剂的抗化学侵袭性均优于目前使用的低密度体系，即使本发明能够达到格外低的、甚至比水的密度还低的密度。此外，本发明的水泥浆不需要气体，因此可以避免制备泡沫水泥将会需要的后勤供应。

本发明方法的特征在于将颗粒添加剂混入水泥浆，致使互相混合并与泥浆的其他颗粒组分混合，特别是与微细水泥(或相容的水凝胶结剂)颗粒混合，它们导至粒径分布显著地改变了泥浆的性质。所述的颗粒添加剂是有机或无机的并且因其低密度而选取。