[发明专利]低温协同水化增效的低热早强水泥浆体系组成与应用

说明书

本发明公开了一种低温协同水化增效的低热早强水泥浆体系组成与应用，其中低热早强水泥浆体系按重量计，包括：油井水泥100份，低水化热活性胶凝材料70～100份，水化硅酸钙‑聚羧酸醚纳米复合早强剂3.2～6.3份，低温激活剂1.8～5.4，降失水剂0.7～1.3份，分散剂0.3～0.6份，消泡剂0.2～1.0份，空心玻璃微珠15～20份，水60～92份。本发明的水泥浆体系在选取低水化热活性胶凝材料的基础上，采用水化硅酸钙‑聚羧酸醚纳米复合早强剂与低温激活剂，两者协同增效，共同促进水泥石在养护龄期内的抗压强度，具有水化放热小、早期强度高等特点，同时兼具密度可调、稠化时间可调、流变性能好、滤失量少、候凝时间短等优点，适用于海洋深水表层和水合物层固井，为海洋油气资源开发奠定了坚实基础。

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及一种特别适用于南海天然气水合物的低温协同水化增效的低热早强水泥浆体系。

背景技术

现阶段我国仍主要对陆地油气资源进行勘探开发，对海洋油气资源开发较少。初步预测，我国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量。同时，天然气水合物是一种清洁的未来能源，能够有力的减少碳排放量。目前我国已经对海域天然气水合物进行了两次试采作业，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越。为实现后期天然气水合物的商业开发，需对海洋深水表层和水合物层进行固井作业。但常规水泥浆体系会引起水合物的分解，甚至发生滑坡、海啸等地质灾害。因此，低温协同水化增效的低热早强水泥浆体系的研发对于我国海洋油气资源的开发利用具有重大的里程碑意义。

油井水泥通常含有硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙、铝酸三钙等矿物，与水混合后，开始进行水化历程，这一化学反应伴随着热量的放出，而天然气水合物只有在低温高压的环境中才能稳定存在。油井水泥水化放出的热量会使水合物层温度升高，水合物受热分解，造成水气窜流、井壁失稳等问题，导致固井作业失败等一系列问题。同时，水合物层的低温环境使水泥浆候凝时间过长，水泥石强度发展缓慢，增加了水合物开采的钻井成本。因此需要固井水泥浆体系不仅具有较低的水化放热量，较短的候凝时间，还要保证水泥石在低温环境下具备足够的抗压强度，充分满足对海洋深水表层和水合物层进行固井作业和后续开采的要求。

公开号为CN105199691A的中国专利文件公开了一种用于含水合物地层的固井水泥浆，由按低温低水化热固井材料100％计，分别加入低密度减轻材料15～65％、减阻剂0.5～2％、降失水剂0.1～0.5％、缓凝剂0.1～3％、早强剂2～7％、水40～100组成。该水泥浆体系同时使用了缓凝剂与早强剂，两者性能冲突，虽然能较大的降低水化放热，但水泥石低温下早期抗压强度发展不高。

公开号为CN112723822A的中国专利文件公开了一种固井用低水化热低密度水泥浆体系，在该水泥浆体系中，使用低热硅酸盐水泥和复合减轻材料(60％闭口珍珠岩与40％二级粉煤灰组成)代替油井水泥，虽然解决了现有体系中缓凝剂和早强剂同时使用的矛盾和难题，但该固井水泥浆体系的温度使用范围为40～85℃，远远高于水合物地层的分解温度。

公开号为CN113003962A的中国专利公开了一种水泥浆的凝胶材料，其主要思路为，利用偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉来代替油井水泥，从而达到降低水化热的目的。该水泥浆体系虽然具有较好的流动性，且稠化时间可调，低温环境下早期抗压强度较高，但其降低水泥水化放热的程度有限。

公开号为CN109266320A的中国专利公开了一种低水化热水泥浆，其主要思路为，在G级油井水泥浆中添加低水化热的辅助胶凝材料，替代一部分油井水泥。该低水化热水泥浆虽然能极大幅度的降低水泥水化放热，但在低温下，没有充分发挥辅助胶凝材料的火山灰效应，水泥石早期抗压强度不高。

综上所述，针对降低油井水泥水化放热这一世界性难题，国内外众多学者均采用辅助胶凝材料(粉煤灰、矿渣等)替代部分油井水泥进而研发低热早强水泥浆体系的办法。该方法虽然能有效的降低油井水泥浆体系的水化放热，但无法满足低温下水泥石在较短时间内兼备较高的抗压强度，且候凝时间过长，适用温度较高。