技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种应用于海上油井固井的低温速凝灌浆材料及其制备方法。
背景技术
尽管深水油气资源具有储量规模大、产能高和回报高等特点，吸引了全世界的关注，但是，石油工作者必须面对深水油气勘探和钻采过程中存在的高成本、高技术和高风险等特点。深水钻井是指在水深超过2000ft(609m)海域进行的钻井作业，作业费用高，因此深水固井技术成为深水油气资源高效、经济、安全开采的前提条件和重要保障。目前，深水作业区（海洋）的钻井水深已超过3000m。海水深度的增加，导致海水温度逐步降低。当水深达到2000m时，水温可低到4℃左右，甚至更低，例如在北海水域800m水深温度就已降到-2℃。因此，与海水温度直接接触的海床地层温度也很低。在低温环境下，水泥浆的流变性、抗压强度和胶凝强度发展均受到影响。深水低温会造成常规水泥浆凝结时间延长，在短时间内难以形成有效强度；水泥石强度发展缓慢不仅会增加候凝时间，而且由于浅层流的存在，会造成严重的浅层水、气窜，甚至导致固井失败和其他复杂情况。因此，深水低温、窄安全作业窗口、浅层流等难题制约了深水固井技术的发展。
面对深水固井中存在的挑战，研究者提出了相应的解决方案，从固井设备到水泥浆体系都进行了变革和创新。以水泥浆体系为例，快凝石膏水泥浆体系、PSD水泥浆技术、高铝水泥、硅酸盐水泥以及充气水泥浆技术等技术体系的建立，提高了深水水泥浆固井质量，延长了油气井寿命。BJ公司和斯伦贝谢等公司针对深水低温与浅层流，开发出了相应的水泥浆体系。以斯伦贝谢为例，斯伦贝谢公司开发的DeepCrete水泥浆结合了CemCrete系列水泥浆的颗粒级配技术优点和DeepCEM添加剂增强水泥浆低温性能的特性，是一种能够控制水窜、气窜的水泥浆体系，适用于深水易漏失地层，也适合可能存在气窜或水窜危险的固井作业。DeepCrete水泥浆的密度调节范围为1.0～1.7g/cm3，混合水盐度从淡水到37％盐水，温度范围0～55℃。具有良好的低温性能：低温早凝，候凝时间短；低温下胶凝强度发展快，防窜性能好；低温下良好的流变性能；低密度水泥浆具有与常规密度水泥浆一样的抗压强度。无论是斯伦贝谢的DeepCrete水泥浆体系，还是BJ公司的AFCS体系，在深水固井作业中都取得了很好效果，既克服了深水低温问题，也解决了浅层窜流问题。上述泥浆体系主要是基于粉体颗粒技术而建立起来的。从材料结构创新入手，解决深水固井中的难题，未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在低温条件下使用能保持较好流动性及早期强度高的海上油井用灌浆材料，本发明同时提供其制备方法。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：
一种海上油井用低温速凝灌浆材料，采用多种无机、有机材料混合而成，具体包括如下重量份数的原料：凝胶材料2000重量份，无机矿物活性材料950-965重量份，缓凝剂25~35重量份，防冻组分5~10重量份，高效减水剂3~5重量份，消泡剂0.1~0.3重量份；
所述凝胶材料为快硬硫铝酸盐水泥和油井水泥，所述快硬硫铝酸盐水泥和油井水泥的质量比为5:5~8:2；
所述无机矿物活性材料为矿粉、氧化铝或微硅粉。所述矿粉为粉煤灰、矿渣粉或其混合物，其中，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰，所述矿渣为S95以上级别的矿渣粉，符合GB1596的规定。
优选的，所述高效减水剂为聚羧酸高效减水剂、萘系高效减水剂或脂肪族高效减水剂；更优的，所述高效减水剂为粉剂。
优选的，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠或无机酸盐，所述无机酸盐优选酒石酸钠或三聚磷酸钠。
本发明防冻组分为亚硝酸钠或硝酸钙。
本发明同时提供所述灌浆材料的制备方法，具体为，取所述重量份的原料混合，与水按照0.35-0.45水胶比搅拌均匀，即得。
本发明的有益效果在于：
（1）快硬硫铝酸盐水泥和油井水泥通过一定比例混合，作为凝胶材料，可有效支撑浆体材料强度要求，快硬硫铝酸盐水泥和油井水泥属于特种水泥，选用本发明的配比凝结时间较短，早期强度较高；
（2）所述无机矿物活性材料激发水泥早期强度，调解胶凝材料密度，满足施工过程中密度要求，能够大幅降低泌水性，与水泥水化产物能够达到很好填充效果；
（3）复合缓凝组分能够有效保证搅拌后的物料2~3小时流动性；
（4）防冻组分能够有效降低浆体材料低温防冻效果；
（5）所述消泡剂为保证浆体密实性，减少浆体表面浮沫，采用市售的水泥消泡剂即可；
（6）所述高效减水剂为粉剂聚羧酸高效减水剂或粉剂萘系减水剂，能够提供较高减水效果，保证早期强度及稠度要求；
（7）本发明的灌浆材料采用净浆，不含砂子，在用于海上油井时，加入沙子后流速不易达到要求，而且填充性能、密实性差，密度过高没法调整密度达到和地层接近的要求，因此本发明经过多次试验避免了砂子的使用，却更好的适应了海上油井用的特殊要求；
（8）本发明的灌浆材料流动相保持在2-3小时，避免由于凝结时间延长，在短时间内难以形成有效强度；2-3小时内良好的流动性可以实现灌浆材料在空间内的均匀灌注，更适用于海上油井低温条件下使用；
（9）避免了膨胀剂和可再分散胶粉的使用，简化原料组成和制备过程。
本发明的灌浆材料适合固井低温环境下施工，特别是深井温度在0~5℃下使用，浆体能够保持较好流动性及早期强度高，8h强度可达12MPa，浆体饱满无收缩，后期强度高，28d抗压强度大于50MPa，抗折强度大于11MPa，浆体密度控制在1.70~1.80g/cm3之间，有效保证固井施工时间及井下注浆环境参数要求。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的具体实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实验例1
按照下述配合比例称量原材料，市售快硬硫铝酸盐水泥1000重量份，油井水泥1000重量份，矿粉965重量份，三聚磷酸钠25重量份，亚硝酸钠5重量份，消泡剂0.1重量份，聚羧酸高效减水剂粉剂4重量份。
所述市售快硬硫铝酸盐水泥选用唐山北极熊特种水泥有限公司。
将实施例1的灌浆材料原料与水按照0.38~0.40水胶比搅拌均匀，即得。
实验例2、3
实施例2和3的原料及重量配比见表1。
实施例3所述微硅粉选用甘肃三远硅材料有限公司。
将实施例2和实施例3的原料按配比混合，与水按照0.38~0.40水胶比搅拌均匀，即得灌浆材料。
实验例
将实施例1-3所得的灌浆材料在环境温度3℃测试，检测方法为计算锥形漏斗流完时间，具体为灌浆材料加水后在恒速搅拌器中以10000转/分钟搅拌1min，然后利用流动度测试仪测试浆体流动性，设备及检测方法参见TB/T3192-2008附录A流动度试验，恒速搅拌器为沈阳航空航天大学应用技术研究所制造。经检测其性能指标见表2。