1.本发明涉及易漏失井低密度固井技术领域，具体为一种低成本纳米低密度水泥浆体系。


背景技术：

2.对于低压地层、多漏失地层，胜利老油区固井常用低密度水泥固井注水泥以提高固井质量，减少安全隐患并降低储层污染。另外，胜利老油区很多油藏已进入特高含水期，很多区块水质矿化度高，因此在水泥返高以上无水泥环保护的井段发生不同程度的套管腐蚀和损坏，使得胜利油田套损井数量逐年升高。解决此类问题的重要手段就是采用低密度水泥浆进行全井段封固，起到保护全井套管的作用。目前，常用的低密度水泥浆体系大致可以分为以下几种，其各有一定的应用局限。
3.(1)粉煤灰低密度水泥浆体系
4.粉煤灰的化学成分中主要含二氧化硅和三氧化二铝，粉煤灰主要来源于发电厂的烟气。粉煤灰比油井水泥活性低，粉煤灰作为减轻剂所配制低密度水泥浆的水灰比一般比较大，因此粉煤灰低密度水泥浆一般凝固后强度较低，且渗透率较大，在低温环境条件下，抗压强度与渗透率和常规密度水泥浆差异性更加明显。所以粉煤灰低密度水泥浆固井技术有时无法满足固井质量的要求，水泥环难以有效封隔油气层。此外，粉煤灰低密度水浆体系密度调节的范围较窄，一般只能将水泥浆密度降低到1.55g/cm3左右，这也限制其在油田上的大规模应用。
5.(2)膨润土低密度水泥浆体系
6.膨润土又称之为蒙脱土，膨润土中也常含有铁和钙等杂质。因膨润土和水泥的化学组成以及晶体构造等不一致，水泥和膨润土混合后会对两者各自的水化分散性能造成影响，并且由于土粒的掺杂，水泥石产生晶体缺陷，继而增大水泥石的孔隙率和渗透率，降低其水泥石的抗压强度，固井质量不能得到保证。因此，大面积的推广和应用膨润土低密度水泥浆体系有一定困难。
7.(3)矿渣低密度水泥浆体系
8.矿渣水泥浆体系使用和推广上具有一定局限性，因为固井工程中要求水泥浆与钻井液具有十分良好的配伍性，所以一般在固井施工前需要对钻井液进行预处理。研制的矿渣膨润土水泥浆体系的现场固井施工操作比较方便，但存在一些缺陷，如矿渣膨润土水泥石的抗压强度却低于矿渣水泥石。除此之外，矿渣低密度水泥石还可能在高温高压条件下产生微裂缝，影响固井水泥环封隔效果，因此该水泥浆体系主要应用于井深小于2000m的油气井固井。
9.(4)微硅低密度水泥浆体系
10.微硅主要化学成分是二氧化硅(二氧化硅含量为90％～98％)，微硅粉体的密度大约为2.60g/cm3，微硅平均粒径为0.1μm左右，其粒度主要分布在0.02μm～0.5μm。由于微硅粉体粒度小而且比表面积较大，氮吸附测定值为15m2/g～20m2/g，是油井水泥氮吸附测定值
的50～60倍。而且微硅与水泥相比粒径较小，在水泥聚中引入微硅后可以对较粗大的水泥颗粒间的孔隙进行合理充填，并且能够改善水泥石的孔隙结构，减小水泥石的孔喉，并降低水泥石孔径之间的连通性，从而降低水泥石的渗透率。因此，微硅材料的引入能够有效改善水泥浆的在高温条件下的沉降稳定性，减少游离液的生成，且具有提高水泥浆抗气窜能力的效果。但是另一方面微硅低密度水泥浆的密度变化范围通常较小，一般为1.35g/cm3～1.68g/cm3。微硅低密度水泥浆需水量大，水灰比高，对水泥石抗压强度的发展有很大影响。各种弊端影响导致微硅低密度水泥浆体系在实际固井应用中不易推广。
11.(5)漂珠低密度水泥奖体系
12.漂珠是一种密闭、轻质玻璃质材料，其主要成分为sio2，漂珠内封闭了co2和n2。漂珠外壳由玻璃体组成，其中含硅铝，且具有一定的活性。能与水泥水化反应生成的caso3或ca(oh)2发生化学反应，生成胶凝性质的化合物，提高抗压强度。漂珠的平均密度大约为0.60～0.80g/cm3，常用来配制低密度水泥浆体系，以解决低压易漏地层固井难题。
13.常规漂珠承压能力和密闭率较低，在高压环境下容易进水或破碎，从而导致密度上升而部分失去其减轻作用。这将导致水泥浆在井底高压条件下的密度难以控制，同时配浆水大量进入漂珠内部会使体系急剧增稠，从而引发憋泵甚至“灌香肠”等固井工程事故。漂珠密度为0.7g/cm3左右。漂珠低密度水泥浆体系常与降失水剂、缓凝剂、早强剂等水泥奖外加剂配合调制，因为降失水剂具有一定的粘性，可以显著提高漂珠低密度水泥浆体系在高温高压条件下的沉降稳定性，同时外加剂包裹在漂珠颗粒表面,从而能够很好地保护漂珠，防止漂珠在混配及泵送等作业过程中进水或者破碎而改变水泥浆密度。通过在水泥浆中加入早强剂能有效地缩短水泥浆的凝结时间，继而提高水泥石早期抗压强度。在水泥奖中加入分散剂则可以有效改善水泥奖的流动性能，但用量超过一定范围将会造成水泥浆发生沉降，因此应慎用分散剂。
14.(6)泡沫水泥浆体系
15.油井固井所用的泡沫水泥浆体系是由美国aldrich和mitchell在1975年第一次提出，且该体系于该年成功研制出来。制浆工艺主要是通过在常规密度水泥浆体系的内部充入空气或氮气，为了提高泡沫在浆体中的稳定性，可以在水泥浆加入表面活性剂，最终达到降低水泥浆密度的目的。目前添加常规减轻材料的低密度水泥浆体系在地面测得的密度区间为1.32g/cm3～1.40g/cm3，而泡沫水泥浆在地面的密度可调制在0.70g/cm3～1.20g/cm3之间，且最低密度可达到0.42g/cm3。与常规密度水泥石相对比，泡沫水泥浆形成的水泥石具有更高的塑性在井下能够有效防止水泥石破裂，继而提高固井水泥环的完整性，并具有良好的防窜能力和较高的顶替效率。泡沫水泥浆体系在国外已经广泛应用，美国、俄罗斯和中东等地应用泡沫低密度水泥浆体系在深井长封固、低压易漏井固井中得到很好的效果,并且泡沫水泥浆比常规低密度水泥浆的成本更低廉，且能够很好的满足固井设计要求。
16.(7)空心玻璃微珠低密度水泥浆体系
17.空心减轻剂是目前比较常用的一种低密度减轻剂，承压能力能够达到60mpa以上，性能与进口玻璃微珠相当，可用于配制性能优异的低密度水泥浆体系，其制备出的低密度水泥浆能够满足油层段固井质量，但其成本过高导致无法大规模应用到上部井段的封固中。其制作过程主要有以下几个步骤组成：
18.①
玻璃体系的选择
19.根据玻璃的主要成分，通常分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃。非氧化物玻璃主要有硫系玻璃和卤化物玻璃等，种类较少。硫系玻璃主要应用在光学玻璃中，同时其具有电阻低和记忆特性等，不符合空心减轻剂对强度的要求。卤化物玻璃具有较低的折射率和色散，一般用作光学玻璃。
20.氧化物玻璃是目前应用最为广泛的玻璃，按不同氧化物成分可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。同时不同玻璃体系可以相互复配，形成更加复杂的玻璃类型，如硅酸盐-磷酸盐玻璃体系。根据不同体系玻璃中网络结构的不同，我们进行了优选。硅酸盐玻璃的基本结构单元为“硅氧四面体”，这些四面体相互间通过共有顶角链接，从而形成三维的无规则网络结构，具有较好的热稳定性、机械强度和硬度；硼酸盐玻璃体系的基本结构单元为“硼氧三面体”，单组分b2o3玻璃，熔点低、软化点低、化学稳定性很差；磷酸盐玻璃体系的基本结构单元为“磷氧四面体”结构，具有透紫外线、低色散等特点，但化学稳定性差，熔制时对耐火坩埚的侵蚀较大。根据以上特点，我们选择了以硅酸盐玻璃体系作为我们空心减轻剂的主要体系。
21.硅酸盐玻璃指基本成分为sio2的玻璃，通常按玻璃中sio2以及其他氧化物含量的不同分为：
22.a.石英玻璃。sio2含量大于99.5％，具有热膨胀系数低、耐高温、化学稳定性好、透紫外光和红外光等优点，但其熔制温度较高、粘度较大，成型比较难。
23.b.高硅氧玻璃。sio2含量为95％～98％，含少量na2o，其性质与石英玻璃极其相似。
24.c.钠钙玻璃。sio2含量60％～80％，同时含有10％～20％的na2o和10％～20％的cao，其成本低廉，易成型，多用于生产玻璃瓶罐、平板玻璃、器皿、灯泡等。
25.d.铅硅酸盐玻璃。以sio2和pbo作为主要成分，具有优异的高折射率和高体积电阻，与金属有良好的浸润性，可用于制造灯泡、真空管芯柱、晶质玻璃器皿、火石光学玻璃等。但pb为重金属，对环境污染比较严重。
26.e.铝硅酸盐玻璃。主要成分为sio2和al2o3，其中al2o3含量约20％，该玻璃体系软化变形温度高，用于制作放电灯泡、高温玻璃温度计、化学燃烧管和玻璃纤维等。
27.f.硼硅酸盐玻璃。以sio2和b2o3为主要成分，化学稳定性、熔融温度低、耐热性等特点，常用来制作杯子、玻璃器皿、金属焊封玻璃等。含稀土元素的硼酸盐玻璃折射率高、色散低，是一种新型光学玻璃。
28.经过大量的试验，我们选择以高硅氧玻璃和钠钙玻璃复配，作为我们主要的玻璃原料体系。经过破碎筛分后进行空心减轻剂成型试验。
29.②
发泡剂的选择
30.不同组分的玻璃原料体系其所需要的气氛条件、温度、工艺参数与发泡剂的配伍性并不相同，在制备玻璃熔块的过程中，需要通过试验确定与“钠钙硅氧玻璃”体系相匹配的发泡剂，并使发泡剂均匀稳定的分散在玻璃中。
31.在筛选过程中，我们对碳酸盐、碳酸氢盐、硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐、碳化硅、炭黑、聚碳酸类、偶氮化合物、芳香族发泡剂、亚硝基化合物、磺酰肼类化合物、烷烃类有机物、松香皂类发泡剂、动植物蛋白类发泡剂、脂肪醇类发泡剂进行了充分的调查、研究及实验。
32.a.分别从发泡剂分解温度、产生的气体种类、发气量、是否对环境有污染等方面进行了对比分析，排出了一些不利于作为减轻剂发泡剂及污染环境的发泡剂。b.单独对每一种发泡剂进行试验，验证其与钠钙硅氧玻璃体系的适配性。c.将两种或两种以上的发泡剂进行复配，将复配好的发泡剂进行发泡试验。d.最后根据发泡剂的发泡效果、发泡量、发泡温度与玻璃体系熔融的配伍性，选择合适的发泡剂。
33.经过大量实验，我们最终选取了醋酸盐和烷烃类有机物作为发泡剂。该体系发泡剂产生的主要气体为co2，对环境无污染，且与钠钙硅氧玻璃体系具有优异的配伍性。
34.③
制备工艺的选择
35.a.液相雾化法
36.1953年，美国的franklin等提出使用液相雾化法制备空心减轻剂。该方法的原理是将玻璃原料制备成溶液，然后加入水中搅拌，形成均匀的混合液，混合液经过高温雾化，使得水蒸汽蒸发的同时发泡剂在液滴中发泡形成空心结构。
37.该方法路线较为简单，制备出的产品具有性能稳定、能耗低、成本低等优点。该方法的核心是玻璃原料的配制和高温雾化成型工艺，若无法掌握其核心工艺，则制备出的空心减轻剂性能较差，无法满足固井行业的要求。
38.b.固相粉末法
39.上世纪60年代后期，3m公司研究出空心减轻剂固相粉末法制备技术。该方法首先将某一体系的玻璃粉碎研磨成粉末，然后优选出一定粒度的玻璃粉末作为原料；然后将玻璃粉末与适当的发泡剂混合，经过高温成型，发泡剂分解产生气体，玻璃粉末熔融将气泡包裹，当内部气体与表面张力达到平衡后气体停止膨胀，熔融的玻璃液滴经过冷却固化后得到空心减轻剂。
40.固相粉末法的主要具有原料来源广泛、工艺路线成熟、制备的空心减轻剂性能优异等优点，但是生产过程较为复杂效率低、能耗较高。该方法的核心是玻璃原料与发泡剂的选择、高温玻化成型工艺。
41.c.干凝胶法
42.该方法是利用金属醇盐制备空心减轻剂。主要原理是将金属醇盐按一定的比例混合，将混合后的金属醇盐加入强酸中加水分解，将其制备成胶装物质，随后将该胶状物质进行粉碎、研磨，经过高温玻化成型制备出空心减轻剂。
43.干凝胶法因为采用金属醇盐，原料比较昂贵，成本较高。但是该方法制备的产品具有性能优良、均匀性好等优点。该方法的核心是金属醇盐的选择与配比、高温玻化成型工艺。
44.d.其他方法
45.除了上述三种方法，还有一些其他制备空心减轻剂的方法，如降解芯轴技术法、电喷法、煤油法、粉煤灰作为原料的制备方法等工艺方法，但是多属于实验室制备阶段，不适合工业化生产，故在此不做考虑。
46.④
制作流程
47.采用高硅氧玻璃与钠钙玻璃的原材料，经过高温熔融制备钠钙硅氧玻璃；将制备好的钠钙硅玻璃进行粉碎、研磨，并使用分级设备对玻璃粉的粒度进行控制，将粒径控制在150μm以内；将分级后的玻璃粉与发泡剂按一定比例进行充分混合；将准备好的原料，经过
送粉管接入高温炉进行高温煅烧；调节送粉量、高温炉的温度、气氛条件、空气流动的速度及其他的参数，最后收集样品；将收集到的样品进行测试分析。
48.国外低密度研究趋势
49.早在60年代初，在中东、前苏联、美国墨西哥湾等地区已广泛成功地使用了以膨润土、硅藻土、膨胀珍珠岩、水玻璃硅质充填物等材料配置的低密度水泥浆，用这类材料配置具有合适强度的水泥浆最低极限是1.318g/cm3。
50.70年代国外研究两种超低密度水泥浆，一种是高强度空心玻璃微珠水泥浆，另一种是泡沫水泥。1997年美国在西德克萨斯的sprabrry油田，使用泡沫水泥(密度0.82～1.14g/cm3；失水≤200ml)解决了该地区丙烷气层和几层易漏失及腐蚀水层的水泥返高问题。但一般来讲，这些低密度水泥浆具有较低的强度，大部分作为充填浆用来封固非目的层。
51.随着物理化学的发展，人们对微观力学和微观材料的认识逐渐深化，90年代后期，美国斯伦贝谢公司repvkll等将紧密堆积理论应用于固井水泥浆的设计，开发了以litrcrete为标志的新一代低密高强水泥浆，其主要思路在于正确选择用于干混合的组分，具有优化的颗粒级配和重量配比，水泥中大小颗粒互相填充，在保证水泥浆流变性的情况下，增加单位体积水泥浆中的固相量，使体系达到紧密堆积的效果，为提高体系的强度及抗渗透性能提供了新的解决途径。
52.粉煤灰在水泥中应用的研究起步较晚，从1933年开始美国加州理工学院的r.e.davis陆续发表研究报告。1948年，r.e.davis成功地将粉煤灰大规模应用于美国的蒙大拿州，为粉煤灰的应用树立了典范。1960年世界已公认粉煤灰可作为水泥的掺合料和水泥的混合材。第七届国际水泥化学会议关于火山灰和粉煤灰的主报告指出，粉煤灰可以成为一种优质的有特色的水泥原材料。
53.美国于1949年就开始使用较低密度的粉煤灰水泥浆。随后，又研究应用了高保水性的掺和剂(膨润土、硅藻土、膨胀珍珠岩等)和低密度掺和料硬沥青等来降低水泥浆密度。近年来,又陆续报道了各种新型低密度水泥，如lodens低密度水泥以及txi和trinrty liet-wate专利低密度水泥浆，热固性橡胶粉lcm防漏低密度水泥浆体系，纳米减轻剂低密度水泥浆。
54.矿渣在水泥基材料中的应用已经有很长历史了。1862年，e.langens发现若将矿渣水淬成粒，再与石灰混合后具有良好的胶凝性质，这个发现成为工业生产矿渣水泥的基础，1865年石灰矿渣水泥首先在德国作为商品应用，1892年德国才生产了第一批用波特兰水泥熟料和粒化矿渣共同磨细而得的矿渣波特兰水泥，但直到1901年这种水泥才得到很大的发展，在德国被正式称为铁波特兰水泥。较早地把矿渣作为水泥水泥掺合料的公开论文是德国学者r.grun在1942年发表的“高炉矿渣在水泥工业中的应用”。随后的几十年，大量的工作研究矿渣的化学组成对矿渣波特兰水泥性能的影响规律以及化学组成对矿渣玻璃体活性的影响程度。1958年南非首次用比表面积为350m2/kg的矿渣微粉作为胶结材生产水泥，英国在1969年曾生产矿渣微粉，用以配制世界最长的亨伯河大桥主塔的现浇水泥。日本1986年由土木工程学会制定了《水泥用高炉渣微粉》标准草案，经修订于1995年成为国家工业标准(jisa6206-95)，1998年还制定了《掺高炉渣微粉水泥的设计与施工指南(草案)》。
55.总的来说，国外在低密度新材料的研究和应用方面投入很大，开发出更高性能的
低密度水泥浆体系,并接合先进的施工工艺来解决一些低压易漏复杂地层的固井难题。
56.国内低密度研究趋势
57.目前，我国在低密度水泥浆上也研究和应用了较多低密度水泥浆类型来满足不同的地层需要，主要有漂珠低密度水泥浆、粉煤灰低密度水泥浆、微硅低密度水泥浆、硅藻土低密度水泥浆、泡沫低密度水泥浆等。
58.各油田根据自身特点也开发并应用了不同类型的低密度水泥浆体系，如微硅低密度水泥浆在川东地区的应用、泡沫低密度水泥在新疆和胜利等地区的应用、硅藻土低密度水泥在新疆地区的应用、粉煤灰低密度水泥用来封固水层以防止套管腐蚀等应用。
59.长庆油田靖安、华池及镇源区块因地层承压力能力低，固井作业中易发生漏失，影响固井质量。为此，中国石油天然气总公司工程技术研究院屈建胜和长庆油田勘探局贾芝等研究人员采用以漂珠水泥浆为基浆，加入fc系列发气剂配置成超低密度泡沫水泥浆。对该水泥浆的配方、性能、密度变化及应用效果进行了评价。漂珠超密度泡沫水泥浆抗污染能力强、防窜性能好、成本低，能使水泥浆密度降低为1.20～1.25g/cm3，提高低压易漏长封固段的固井质量。江汉石油学院田红等人研制的新型泡沫水泥浆的泡沫细小均匀，结构稳定，具有密度低、渗透率低、强度高、导热率低的特点。吐哈油田的现场试验表明，泡沫水泥浆对于解决吐哈油田低压易漏层、气层和盐层等复杂地层的固井难题，将是有效的方法之一。
60.我国从20世纪50年代开始在水泥和水泥中使用粉煤灰，20世纪60年代开发的粉煤灰硅酸盐水泥砌块在多层住宅墙体中得到了较大规模的应用。20世纪80年代初上海市建筑科学研究院关于“粉煤灰效应”应用基础和应用技术的系统研究开辟了结合我国国情的系统工程和应用基础研究的新途径。在此期间，沈旦申等人对粉煤灰进行了粉煤灰效应系统、粉煤灰资源化技术系统、粉煤灰有序化技术系统、粉煤灰势能化系统的研究。
61.2000年，我国颁布了国家标准《用于水泥和水泥中的粒化高炉矿渣微粉》。20世纪80年代，我国已有许多研究者认为1吨矿渣在水泥水泥中的作用几乎等于1吨水泥的作用。现在粉煤灰和矿渣已成为水泥材料一个不可或缺的组分，有人称之为水泥的第六组分。
62.另外，张彦平、王学良等研制了一套低密度高强度水泥浆体系，主要为了解决新疆吐哈油田存在的低压、易漏等固井问题,并且该地区还具有长封固井段固井特点，该低密度水泥浆体系的工程性能良好,且早期抗压强度较高，水泥石体积不发生收缩，且渗透率低。现场施工的结果表明，该体系固井质量均合格，优质率高达70％以上。
63.屈建省等研制密度范围在1.20g/cm3～1.25g/cm3的漂珠超低密度泡沫水泥浆体系，主要是通过在漂珠水泥浆基浆中添加发气剂。该低密度水泥浆具有防窜性能好、抗污染能力强、成本低的优点，很好地解决了长庆油田地区存在的地层承压能力低、固井易漏失的问题。
64.赖金荣通过室内实验研究形成了一套密度范围在1.30g/cm3～1.50g/cm3的低密度水泥浆体系，经过实验验证，该套低密度水泥浆体系具有水泥浆密度稳定，水泥石外观体积不会收缩且具有微膨胀性的优点，水泥浆体系的综合性能良好，可以满足长封固井段或低压、易漏失地层固井的需要。
65.新疆塔河油田研究出了三种不同的低密度水泥浆体系:深井粉煤灰复合低密度水泥浆体系、漂珠复合低密度水泥浆体系、3m微珠低密度水泥浆体系，适合该油区固井特点并具有高抗压强度及良好的沉降稳定性。通过加入减轻剂和复配，水泥浆密度可降至1.30g/
cm3～1.55g/cm3，并针对塔河油田地区固井面临的特点，开展相关固井工艺的研究，通过对多口井的固井现场施工和测试，固井质量较好，合格率达100％。
66.西南石油大学罗杨、陈大钧等以材料的紧密堆积理论为基础，通过室内实验研究出了密度为1.15g/cm3～1.30g/cm3的超低密度水泥浆体系,可以解决中低温条件下低密度水泥浆体系的稳定性和水泥石早期强度等难题。
67.闫振峰通过室内对水泥浆外加剂和外掺料优选，形成了一套抗高温的防窜低密度水泥浆体系，主要材料为g级水泥、硅粉及bct系列外加剂。通过室内实验及现场应用效果表明，该低密度水泥浆体系工程性能良好，并具有防气窜和防漏失的特点，可以有效保护储层，并满足深井固井需要。
68.黄永洪为解决江苏油田长封固井段固井时存在的井漏难题，研究出了一套漂珠低密度水泥浆体系。该体系在60℃及70℃实验温度条件下，低密度水泥石24h抗压强度均大于16mpa，水泥浆的滤失量低，稳定性好，水泥浆的常规性能及工程性能均可满足固井施工的要求。江苏油田五口井固井施工应用效果表明，固井的合格率为100％，优质率为60％。
69.胜利油田固井公司在2006年使用3m公司的hgs空心玻璃微珠材料研发了一套密度范围在1.04g/cm3～1.20g/cm3的超低密度水泥浆体系，且在中石化塔深1井固井施工中成功应用。
70.中国石油大学(华东)在2007年将颗粒级配模型与分形几何理论两者相结合，建立颗粒群分形级配模型，开发了一套低密度水泥浆体系，该体系最终在塔里木油田成功应用。
71.大庆钻探工程公司在2009年利用一种抗压强度高、粒度均勾、球形度好的玻璃微珠，在颗粒级配堆积理论基础上，成功研制出了一套超低密度水泥浆体系，密度范围为1.0g/cm3～1.30g/cm3。
72.中石化工程院通过室内研究开发出一套水泥浆密度在1.24g/cm3～1.32g/cm3、24h(50℃)抗压强度高于14mpa的低密度水泥浆体系，该水泥浆体系在现场固井施工了20多井次，固井质量较好。
73.粉煤灰是燃煤火力发电厂煤粉燃烧熔融后排出的粉末状晶体废物，年排放粉煤灰量上亿吨，多年来未被利用的粉煤灰量累计近6亿吨。粉煤灰是具有火山灰特性的微细灰，主要化学成分为sio2和al2o3，次要成分为cao和fe2o3以及少量的mgo等，其粒径范围为0.5～300μm，密度在2.0～2.5g/cm3之间。由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性，其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。
74.早在20世纪40年代，美国开始用粉煤灰作油井水泥的减轻剂，至1965年在固井工程中已有年用粉煤灰13万吨的记录。其时，水泥浆体采用绝对体积比，粉煤灰与水泥之比一般为1：1，如改为质量比，则为37：47。20世纪80年代末，大港油田将粉煤灰添加进g级水泥中，使浆体密度降至1.50～1.60g/cm3。
75.由此可见，目前，低密度水泥浆多采用添加低密度材料和增加水灰比来降低水泥浆密度。最常用的低密度材料有粉煤灰、膨润土、硅藻土、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、沥青、矿渣、塑料粉、核桃壳粉、空心微珠、实心微珠、3m微珠等。采用这类减轻剂的优点是，水泥浆密度可降至1.40～1.60g/cm3，用漂珠、微珠可降至1.25～1.45g/cm3，缺点是配成的水泥浆体流动性较差，稠化时间波动大，个别减轻剂(例如空心微珠)价格较高、漂珠不适合高压等。
76.随着石油勘探开发的深入，常遇到低压地层、薄弱地层等易发生漏失的地层，而低
密度水泥浆体系正是伴随着这些复杂情况的处理逐渐发展和完善起来。目前，低密度水泥浆体系主要包括需水型低密度水泥浆、空心减轻材料低密度水泥浆和泡沫低密度水泥浆等。其中，需水型低密度水泥浆配制密度受限、强度等性能欠佳；空心减轻材料体系容易受压破碎而使体系密度升高，很难满足高压井窄密度窗口要求，且一些高耐压微珠成本很高，另外此体系通常存在稳定性差的问题；泡沫水泥浆施工工艺相对复杂，且极易受温度、压力等影响。面临国际油价持续低迷，勘探开发成本逐渐压缩，低成本成为各大油田公司未来一段时间乃至长期的重要发展战略。在降低成本的情况下普通低密度水泥浆体系性能往往较差，成本与性能之间的矛盾已成为限制低密度水泥浆发展的重要因素。
77.纳米材料具有特殊的尺寸、表面效应等，性能优异，已在钻井液、堵水调剖、压裂液、稠油降黏与油田废水处理等领域得到应用，但在低密度水泥浆中的应用还未见相关报道。笔者通过测定不同种类和尺寸的纳米材料对水泥浆性能的影响筛选出主要成分为纳米氧化硅和纳米氧化铝等元素混配而成的纳米减轻剂，为便于现场施工，用聚羧酸类表面改性剂对其进行改性；并且与适量空心玻璃微珠复配得到高需水纳米减轻材料。研究用硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥体系、改性纳米减轻材料(纳米减轻剂复配高需水减轻增强材料)、降失水剂、分散剂、早强剂、缓凝剂和水制备的纳米基低密度水泥浆，并进行现场应用。
78.纳米低密度水泥浆体系是指采用纳米级材料作为减轻剂，该减轻材料抗压强度高，不存在压破和渗水，可以保证井底水泥浆密度和地面水泥浆密度的一致性，从而提高固井施工成功率。因此为了有效保护套管，提高上部井段固井质量，因此非常有必要开发不受井深限制的高强度纳米低密度水泥浆体系。


技术实现要素：

79.本发明的目的是针对水泥浆常用减轻材料无法承受井底高压，而进口玻璃微珠成本相对较高的问题，提供一种低成本纳米低密度水泥浆体系，其技术方案如下：
80.一种低成本纳米低密度水泥浆体系，包括水泥、纳米减轻剂、高需水减轻增强材料、降失水剂、分散剂、早强剂、缓凝剂、水。
81.各组份配比如下：
[0082][0083]
优选的，所述水泥为硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥体系，其矿物组份和质量百分组成为：硅酸三钙20～40％、硫铝酸钙10～22％、硅酸二钙18～28％、石膏5～10％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素。
[0084]
所述纳米减轻剂为纳米氧化硅和纳米氧化铝混合物，粒径范围为20～70nm。
[0085]
所述纳米减轻剂是通过聚羧酸类表面改性剂改性的纳米减轻剂，纳米减轻剂表面具有很高的表面能，在混配过程中很容易发生团聚现象变成较大颗粒从而丧失其纳米特性，所以使用聚羧酸类表面改性剂对纳米减轻剂进行了改性，防止纳米减轻剂发生团聚现象，使得纳米粒子性能得以充分发挥。
[0086]
所述高需水减轻增强材料是以高硅氧玻璃和钠钙玻璃复配，并经过破碎筛分后形成的空心玻璃微珠。
[0087]
所述降失水剂是甲基丙磺酸类聚合物，当使用2％水溶液，温度25℃时的粘度为7000～12000mpa.s。
[0088]
所述分散剂是磺化甲醛-丙酮缩聚物或者氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物中的一种，相对分子质量为8000～60000。
[0089]
所述早强剂是cacl2、cao、kcl、nano3、naalo2、na2so4或者kal(so4)2中的一种或者几种。
[0090]
所述缓凝剂是酒石酸、柠檬酸、硼酸或者硼酸钠中的一种或者几种。
[0091]
本发明的有益效果是：
[0092]
(1)密度1.25-1.40g/cm3可调、沉降稳定性≤0.03g/cm3、稠化时间可调、流动性好、失水量较小，能完全满足现场注水泥施工要求；
[0093]
(2)110℃，21mpa条件下24h抗压强度≥14mpa，水泥浆60mpa压力下密度差≤0.03g/cm3；
[0094]
(3)水泥浆具有优异的“直角稠化”性能，对防止水-气窜流问题十分有效；
[0095]
(4)与3m空心微珠相比，成本降低35％以上；
[0096]
(5)该水泥浆体系各组分来源较广，具有成本较低的优势，应用前景广阔。
[0097]
本发明提供的一种低成本纳米低密度水泥浆体系是一种技术可靠、现场施工方便、成本低，能满足高压、长封固段条件下纳米低密度的水泥浆体系，填补了国内纳米低密度水泥浆的空白；上述有益效果是按试验标准api 10b-3-2004标准制备水泥浆，并测定水泥浆性能和水泥石抗压强度。
具体实施方式
[0098]
实施例一：
[0099]
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙32.27％、硫铝酸钙20.10％、硅酸二钙27.04％、石膏8.20％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，纳米减轻剂120份，高需水减轻增强材料20份，甲基丙磺酸类聚合物降失水剂2.2份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.5份，缓凝剂0.5份，水180份。
[0100]
实施例二：
[0101]
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙32.10％、硫铝酸钙20.73％、硅酸二钙21.38％、石膏8.05％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，纳米减轻剂90份，高需水减轻增强材料15份，甲基丙磺酸类聚合物降失水剂2.2份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.5份，缓凝剂0.5份，水160份。
[0102]
实施例三：
[0103]
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙30.10％、硫铝酸钙21.73％、硅酸二钙21.38％、石膏8.05％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，纳米减轻剂100份，高需水减轻增强材料20份，甲基丙磺酸类聚合物降失水剂2.5份，磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.5份，缓凝剂0.5份，水130份。
[0104]
实施例四：
[0105]
水泥100份(水泥组份为硅酸三钙39.27％、硫铝酸钙18.10％、硅酸二钙19.04％、石膏6.20％，其余为铁铝酸四钙、碳酸钙和其它微量元素)，纳米减轻剂50份，高需水减轻增强材料10份，甲基丙磺酸类聚合物降失水剂2.0份，氨基酸磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂0.6份，早强剂3.3份，缓凝剂0.5份，水120份。
[0106]
不同密度水泥浆在不同循环温度条件下的浆体性能实验结果见表1与表2。
[0107]
表1 1.30～1.35g/cm3水泥浆体系性能
[0108][0109]
据上表可知，不同密度水泥浆的滤失量都小于100ml；在85℃养护24h抗压强度均高于18mpa；该低密度水泥浆体系初始稠度低，稠化时间可调。
[0110]
表2 1.35～1.40g/cm3水泥浆体系性能
[0111][0112]
据上表可知，不同密度水泥浆的滤失量都小于50ml；在90℃、140℃养护48h抗压强度均高于14mpa；该低密度水泥浆体系初始稠度低，稠化时间可调。
[0113]
低密度水泥浆在现场施工过程中，由于外掺料用量大人为操作误差等可能出现密度比设计密度高或低的波动情况，为了确保施工安全性，有必要确定施工中的设计密度的允许波动范围，下面对水泥浆设计密度为1.40g/cm3的体系进行了水泥浆失水及稠化实验见表3。
[0114]
表3密度波动对水泥浆失水及稠化的影响
[0115][0116][0117]
从表3中数据可知，基于设计水泥浆密度为1.40g/cm3时，当密度下浮0.04g/cm3到1.36g/cm3时，稠化时间过长，水泥浆沉降稳定性明显变差，上下密度差0.06g/cm3；当密度上浮0.06g/cm3波动到1.46g/cm3时，稠化时间大幅度缩短，水泥浆流动度明显变差。因此，施工密度较设计密度下浮0.02g/cm3及上浮0.04g/cm3范围内性能满足设计要求，能够保证施工安全。