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CN108751753B - 高温固井水泥及高温固井水泥浆 - Google Patents

高温固井水泥及高温固井水泥浆 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种高温固井水泥及高温固井水泥浆，其高温固井水泥包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：硅酸三钙：30‑40％；硅酸二钙：45‑60％；铝酸三钙：1‑4％；铁铝酸四钙：10‑20％。本发明通过水泥基材料矿物组成优化匹配入手，调整水泥组分的硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙和铁铝酸四钙含量，使得水泥的水化进程更好地满足高温固井需求，该种高温固井水泥能有效解决深井超深井固井工程中水泥石高温强度衰退难题，制备方法简单易得，可以替代现有高温固井水泥及固井水泥浆体系，有利于高温复杂深井固井工程的结构耐久性和安全性。

Description

高温固井水泥及高温固井水泥浆
技术领域
本发明涉及一种水泥领域，特别是涉及一种高温固井水泥、制备方法及高温固井水泥浆。
背景技术
随着我国经济的不断发展，对石油的需求将会越来越大，石油与天然气的勘探开发、生产、供应和安全直接关系着国家经济发展的命脉。随着石油和天然气开采地质环境的复杂化和深度化，地下岩层结构和温度压力的不断增加，复杂地质环境下油气资源的开采被认为是石油工业的一个重要前沿领地，是世界各国竞相争夺的战略制高点。在我国，深层(埋深3500-4500m)、超深层(埋深>4500m)油气资源分布十分广泛，覆盖塔里木盆地、准格尔盆地、四川盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地等主要产油区，石油储量占我国总量的约20％(42.4亿吨)。
固井是油气资源安全、经济、高效开发的前提和基础，也是油气井建井工程的关键环节，固井是通过在套管与地层之间的环空注入水泥浆，起到封隔易塌、易漏等复杂地层，封隔油气水层，建立油气流出通道，防止产层间互窜、保护套管等作用。因此，固井质量的好坏将直接影响油气井的开采安全、生产寿命及经济效益。但在复杂深井固井中，常面临高温、高压、高密度(井底循环温度>160℃，井底压力>140MPa)条件下水泥浆体系设计困难及井底高温造成水泥石强度衰退；一次上返固井中长封固段大温差造成顶部水泥超缓凝(塔里木奥陶系一次性封固6000m以上，上下温差可达100℃)；水泥浆防气窜能力不足引发早期气窜和后期环空带压；硫化氢和二氧化碳等腐蚀介质腐蚀水泥石，影响固井质量等急需解决技术难点，而这些技术难点的解决则必须依赖于固井水泥浆材料的突破。
现有的高温固井水泥通常以G级油井水泥作为基本水泥，再添加粉煤灰、矿渣等外掺料和高温缓凝剂的基础上配置高温固井水泥浆，以满足固井施工要求。但对于现有的固井水泥材料，随着温度升高(150℃以上)和养护龄期的延长，水泥石的强度会产生二次衰退。由于G级水泥矿物组成的钙硅比决定了水化产物在高温下的晶型不稳定，从而造成结构失稳，单纯地添加外掺料虽然满足了固井要求，但是固井水泥环的长期耐久性不足，从而影响油气井采收率。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型的高温固井水泥及高温固井水泥浆，所要解决的技术问题是使其有效解决深井超深井固井工程中水泥石高温强度衰退难题，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种高温固井水泥，包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：
硅酸三钙：30-40％；
硅酸二钙：45-60％；
铝酸三钙：1-4％；
铁铝酸四钙：10-20％。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的高温固井水泥，其中所述的水泥熟料是通过对生料的研磨和煅烧得到的，所述的生料按重量百分含量计，包括：
石灰质原料：60-80％；
粘土质原料：5-30％；
铁粉：0-10％；
工业废渣：0-40％；
校正原料：0-40％；
其中，铁粉、工业废渣和校正原料不同时为0。
优选的，前述的高温固井水泥，其中所述的水泥熟料与石膏的重量比为：96:4-94:6。
优选的，前述的高温固井水泥，其中所述的石膏为二水石膏、硬石膏或工业副产石膏。
优选的，前述的高温固井水泥，其中所述的高温固井水泥的比表面积为280-400m2/kg。
优选的，前述的高温固井水泥，其中所述的高温固井水泥的稠化时间为120-200min；38℃养护7d后抗压强度≥30MPa；经150-300℃养护7d后抗压强度≥30MPa，且相比38℃常温强度衰退率＜5％。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种高温固井水泥浆，以重量份数计，其包括：
高温固井水泥：100份；
水：44-50份；
抗高温缓凝剂：1-5份；
降失水剂：1-5份；
其中高温固井水泥为前述的高温固井水泥。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的高温固井水泥浆，其中所述的抗高温缓凝剂为柠檬酸和/或非木质素黄化盐。
优选的，前述的高温固井水泥浆，其中所述的降失水剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素中的至少一种。
优选的，前述的高温固井水泥浆，其中所述的高温固井水泥浆的稠化时间为120-360min；经150-300℃高温养护后，7d抗压强度≥30MPa，且强度衰退＜5％，7d弹性模量＜7GPa。
借由上述技术方案，本发明高温固井水泥及高温固井水泥浆至少具有下列优点：
本申请通过水泥基材料矿物组成优化匹配入手，调整水泥组分的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙含量，使得水泥的水化进程更好地满足高温固井需求，该种高温固井水泥能有效解决深井超深井固井工程中水泥石高温强度衰退难题，制备方法简单易得，可以替代现有高温固井水泥及固井水泥浆体系，有利于高温复杂深井固井工程的结构耐久性和安全性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的高温固井水泥及高温固井水泥浆其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出的一种高温固井水泥，包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：
硅酸三钙：30-40％；
硅酸二钙：45-60％；
铝酸三钙：1-4％；
铁铝酸四钙：10-20％。
优选的，水泥熟料是通过对生料的研磨和煅烧得到的，所述的生料按重量百分含量计，包括：
石灰质原料：60-80％；
粘土质原料：5-30％；
铁粉：0-10％；
工业废渣：0-40％；
校正原料：0-40％；
其中，铁粉、工业废渣和校正原料不同时为0。
优选的，水泥熟料与石膏的重量比为：96:4-94:6。
优选的，石膏为二水石膏、硬石膏或工业副产石膏。
优选的，前述的高温固井水泥，其中所述的高温固井水泥的比表面积为280-400m2/kg。
优选的，高温固井水泥的稠化时间为120-200min；38℃养护7d后抗压强度≥30MPa；经150-300℃养护7d后抗压强度≥30MPa，且相比38℃常温强度衰退率＜5％。
本发明的另一实施例提出一种高温固井水泥浆，以重量份数计，其包括：
高温固井水泥：100份；
水：44-50份；
抗高温缓凝剂：1-5份；
降失水剂：1-5份；
其中高温固井水泥为前述的高温固井水泥。
优选的，抗高温缓凝剂为柠檬酸和/或非木质素黄化盐。
优选的，降失水剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素中的至少一种。
优选的，高温固井水泥浆的稠化时间为120-360min；经150-300℃高温养护后，7d抗压强度≥30MPa，且强度衰退＜5％，7d弹性模量＜7GPa。
本发明实施例的原料如表1所示。
表1实施例1-5高温固井水泥的原料配方(单位：重量百分比)
Figure BDA0001732128810000051
根据上述实施例，本发明提出以下高温固井水泥实施例1-5的水泥熟料的矿物组成如表2所示。
表2高温固井水泥实施例1-5的水泥熟料的组成
Figure BDA0001732128810000052
Figure BDA0001732128810000061
将实施例1-5高温固井水泥粉磨至合适细度后，进行水泥的物理性能试验(参照比表面积试验方法，勃氏法)，结果见表3。
表3实施例1-5高温固井水泥的比表面积
比表面积，m<sup>2</sup>/kg
实施例1 290
实施例2 312
实施例3 305
实施例4 335
实施例5 358
将实施案例1-5高温固井水泥粉磨至合适细度后，进行水泥的物理性能试验(参照GB/T 10238-2015)，稠化时间结果见表4。
表4实施例1-5高温固井水泥的比表面积
稠化时间，min
实施例1 125
实施例2 143
实施例3 139
实施例4 128
实施例5 162
将实施案例1-5高温固井水泥粉磨至合适细度后，进行水泥的物理性能试验(参照GB/T 10238-2015)，常温抗压强度和高温抗压强度结果见表5和表6。
表5实施例1-5高温固井水泥的常温抗压强度结果
Figure BDA0001732128810000071
表6实施例1-5高温固井水泥的高温抗压强度结果
Figure BDA0001732128810000072
将实施案例1-5高温固井水泥粉磨至合适细度后，进进行水泥的弹性模量试验(静态法)，结果见表7。
表7实施例1-5高温固井水泥的弹性模量结果
Figure BDA0001732128810000073
根据上述实施例，本发明提出以下高温固井水泥浆，实施例1-5的高温固井水泥浆的组成如表8所示。
表8实施例1-5高温固井水泥浆的组成(单位：重量份数)
Figure BDA0001732128810000081
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种水泥在高温固井中的应用，其特征在于，所述的水泥包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：
硅酸三钙：30-40％；
硅酸二钙：45-60％；
铝酸三钙：1-4％；
铁铝酸四钙：10-20％；
所述的水泥的稠化时间为120-200min；38℃养护7d后抗压强度≥30MPa；经150-300℃养护7d后抗压强度≥30MPa，且相比38℃常温强度衰退率＜5％。
2.根据权利要求1所述的水泥在高温固井中的应用，其特征在于，所述的水泥熟料是通过对生料的研磨和煅烧得到的，所述的生料按重量百分含量计，包括：
石灰质原料：60-80％；
粘土质原料：5-30％；
铁粉：0-10％；
工业废渣：0-40％；
校正原料：0-40％；
其中，铁粉、工业废渣和校正原料不同时为0。
3.根据权利要求1所述的水泥在高温固井中的应用，其特征在于，所述的水泥熟料与石膏的重量比为：96:4-94:6。
4.根据权利要求1所述的水泥在高温固井中的应用，其特征在于，所述的石膏为二水石膏、硬石膏或工业副产石膏。
5.根据权利要求1所述的水泥在高温固井中的应用，其特征在于，所述的水泥的比表面积为280-400m2/kg。
6.一种水泥浆在高温固井中的应用，其特征在于，以重量份数计，其包括：
水泥：100份；
水：44-50份；
抗高温缓凝剂：1-5份；
降失水剂：1-5份；
其中所述的水泥包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：
硅酸三钙：30-40％；
硅酸二钙：45-60％；
铝酸三钙：1-4％；
铁铝酸四钙：10-20％；
所述的水泥的稠化时间为120-200min；38℃养护7d后抗压强度≥30MPa；经150-300℃养护7d后抗压强度≥30MPa，且相比38℃常温强度衰退率＜5％；
所述的水泥浆的稠化时间为120-360min；经150-300℃高温养护后，7d抗压强度≥30MPa，且强度衰退＜5％，7d弹性模量＜7GPa。
7.根据权利要求6所述的水泥浆在高温固井中的应用，其特征在于，所述的抗高温缓凝剂为柠檬酸和/或非木质素黄化盐。
8.根据权利要求6所述的水泥浆在高温固井中的应用，其特征在于，所述的降失水剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素中的至少一种。
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