一种低密度水泥浆 技术领域：
本发明涉及油田钻井固井技术领域所用的一种水泥浆，属于一种低密度水泥浆。
背景技术：
随着大庆外围勘探的不断深入，从浅地层到深地层都分布着油气层，油气层分布广，钻井结束后固井封固段长，即长封井越来越多。长封固井有两种方法，一种方法是用双级注工具，但很难找到合适的下放位置，造成不必要的舍层和资源的浪费，延长固井工期，施工工艺复杂；另一种方法是采用低密度水泥浆固井，这种方法能有效降低静液柱压力，防止地层漏失，因此，需要密度更低的水泥浆来满足油气开采及固井施工的需要。目前现有的低密度水泥浆密度为1.60g/cm3，虽然缓解了长封井固井需求，但不能完全满足破裂压力低的长封井固井，现有降低水泥浆密度的一般方法为增大水灰比或增大减轻剂的加量，此种方法将影响水泥石的抗压强度及水泥浆的沉降稳定性，使其满足不了固井施工的要求。
发明内容：
为了克服现有的低密度水泥浆抗压强度及沉降稳定性差的不足，本发明提供一种低密度水泥浆，该低密度水泥浆利用紧密堆积理论、颗粒级配原理，利用低密度水泥浆外掺料的物理化学作用，提高了低密度水泥浆的沉降稳定性和水泥石的抗压强度，具有失水量低及渗透率低的特点。
本发明解决其技术问题所采用地技术方案是：该低密度水泥浆，其组份及配比按重量份如下：水泥100份、水61～78份、填充剂8～10份、减轻剂20～35份及降失水剂4～6份，其中填充剂中无定形二氧化硅占92％～98％，降失水剂是由10％聚乙烯醇溶液与交联剂在50℃～60℃下通过化学反应制得，交联剂为硼酸盐，聚乙烯醇溶液与硼酸盐的质量比为1∶0.1～0.2，减轻剂主要成分为二氧化硅、三氧化二铁及三氧化二铝。
上述的填充剂为一种球形颗粒，平均直径为0.10～0.20微米。
本发明的有益效果是：由于采取上述方案，填充剂是一种极细的球形颗粒，平均直径为0.10～0.20微米，其中无定形二氧化硅占92％～98％，与水泥的水化产物氢氧化钙发生反应生成低碱度的含水硅酸钙水化物，产生不含或少含氢氧化钙的不易渗透的水泥石结构，并且填充剂周围通过氢键结合大量水分子使微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，并且不同粒径的颗粒合理级配和极化，改善了水泥浆的沉降稳定性，并提高了水泥石的抗压强度和抗渗能力；降失水剂是一种改性产品，通过聚乙烯醇溶液与交联剂溶液在50℃～60℃下通过化学反应制得，与水泥拌后进一步络合成网状结构控制失水。
【具体实施方式】
下面将结合实施例对本发明作进一步的说明：该低密度水泥浆组份及配比按重量份如下：水泥100份、水61～78份、填充剂8～10份、减轻剂20～35份及降失水剂4～6份，其中减轻剂主要成分为二氧化硅、三氧化二铁及三氧化二铝。
该发明所选择的填充剂是一种极细的球形颗粒，平均直径为0.10～0.20微米，相当于水泥颗粒的平均直径的百分之一，其中无定形二氧化硅占92％～98％以上，与水泥的水化产物氢氧化钙发生反应生成低碱度的含水硅酸钙水化物，产生不含或少含氢氧化钙的不易渗透的水泥石结构，反应式如下：
，
3CaO·2SiO2·3H2O是一种凝胶。
另外填充剂颗粒周围还能吸附大量水分子，水分子之间通过氢键连接，使微细颗粒之间形成均匀致密的网架结构，使水泥浆形成稳定的悬浮体系，且不同粒径的颗粒合理级配和极化，使水泥石更加致密，以及附加面的形成进一步改善了水泥浆的沉降稳定性，并提高了水泥石的抗压强度和抗渗能力。根据颗粒级配原理利用上述组份及配比所得的水泥浆密度为1.35～1.50g/cm3，其渗透率比现有的1.60g/cm3的低密度水泥浆相比降低了67.2％，抗压强度提高了3～4Mpa，达到20Mpa以上。采用SY-5546标准对该水泥的抗压强度及渗透率试验结果见下表：
表1 水泥浆类型 抗压强度 (60℃、48h、常压、Mpa) 渗透率 m2 1.50g/cm3低密度水泥浆 16.8 0.017270 1.3g/cm3低密度水泥浆 20.7 0.005665 1.40g/cm3低密度水泥浆 23.2 0.002044 1.45g/cm3低密度水泥浆 24.2 0.002095 1.50g/cm3低密度水泥浆 25.2 0.002106
该发明所选择的降失水剂是一种改性产品，通过聚乙烯醇溶液与交联剂在50℃～60℃下化学反应，聚乙烯醇溶液的浓度为10％，预制成具有一定的立体网状结构的聚乙烯醇溶液，这里交联剂选择的是硼酸盐，聚乙烯醇溶液与硼酸盐的质量比为1∶0.1～0.2，预制的聚乙烯醇溶液与水泥搅拌后，碱性环境下进一步交联控制失水，而通常降失水剂、交联剂及水经机混合后一起加入油井水泥，这些交联剂官能团与聚乙烯醇溶液中的分子在碱性水溶液中络合形成网状结构控制失水。交联反应可由如下简化的可逆反应式来表示：
(1)、硼酸盐在聚乙烯醇溶液中形成单硼酸离子：
(2)、单硼酸离子与聚乙烯醇中的羟基形成单二醇络合物：
(3)、单二醇络合物再与单二醇络合物形成双二醇络合物：
交联反应所产生的交联物和水泥颗粒在压差作用下，均向压力降低的方向运移，在过滤介质交界面处具有一定网状结构富含羟基的化学交联聚乙烯醇颗粒相互靠近，分子间氢键作用增强，相互粘结，形成整体，随着水份不断失去和毛细压力的作用下胶粒堆压一起，形成均匀的固体膜，从而降低了水泥浆失水量。该降失水剂适用温度为20℃～93℃，且适用于A级、G级水泥，下表是采用SY-5546-92标准在不同温度下对不同水泥的失水实验数据：
表2 水泥类型 20℃失水量 (ml) 63℃失水量 (ml) 93℃失水量 (ml) 哈尔滨A 24 25 --- 大连G 20 22 24 嘉华G 20 18 44
下表是采用SY-5546-92标准在不同温度下对不同密度的水泥浆失水实验数据：
该降失水剂采用主剂与副剂交联的方法，拓宽了降失水剂的温度和水泥的适用范围。
实施例1：SN-301井深为2450m，设计封固高度为1450m，设计水泥浆密度为1.48g/cm3，固井施工正常，在封固段较长的情况下，最大顶替泵压只8Mpa，达到了防漏施工的要求，且固井质量为优质井。
实施例2：SN-191井深为1850m，设计封固高度为450m。该井在钻井过程中共有10层漏失，漏失总量为286方，发生漏失的钻井液密度最大为1.22g/cm3(在第一层漏失时的密度)，1532m以下各漏失时钻井液密度均为1.18g/cm3，经堵漏后可以建立正常的循环，可以认定漏失位可承载全井当量密度为1.18g/cm3。由于该井在钻井过程中出现大量漏失，并且漏失层级位较多，因此水泥浆设计密度为1.42g/cm3，固井施工正常，没有发生漏失，且固井质量为合格井。