CN105295876B - 一种微膨胀油井水泥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微膨胀油井水泥，属于油气井固井注水泥技术领域。本发明的固井水泥包括以下按重量份计的原料：凝胶材料50～80份；活性材料20～40份；氧化镁膨胀剂0.5～3份；碱性激发剂0.1～8份；稳定材料2～5份；所述氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁粉末。本发明主要解决现有技术中，膨胀水泥的膨胀效果不好，影响早期强度的问题，具有在水泥水化的早、中、后期膨胀性能均好的优点。

Description

一种微膨胀油井水泥

技术领域

本发明涉及一种微膨胀油井水泥，属于油气井固井注水泥技术领域。

背景技术

油井水泥水化过程中的高失水和体积收缩，是造成水泥环界面胶结质量差、诱发井内油、气、水窜流及油层污染的主要原因，这也是尚未得到很好解决的固井技术难题。油井水泥浆在高温高压下凝固时的体积收缩量为水泥浆总体积的2.6%～5.0%,收缩量的95%以上发生在水泥浆终凝以后。水泥浆在塑性状态下体积收缩会使水泥浆柱的孔隙压力降低(胶凝失重)，造成油、气、水窜流；凝固后体积收缩使水泥环与地层和套管间的胶结出现问题，形成微间隙，既影响固井质量又会造成油气资源大量流失。

近年来，固井工程人员对此进行了大量研究，提出了如何补偿体积空间而杜绝微环隙产生的问题。方法如：充气法、发气法、固相膨胀法等。在水泥中添加膨胀剂，是封闭微环隙从而提高固井质量的有效措施之一。在井内条件下，由于受到套管和地层的限制，掺有膨胀剂的水泥水化后可产生轻度膨胀，可堵塞环空微环隙，改善水泥石内部结构，减小水泥石渗透率，提高水泥石两界面的胶结质量。国内外使用的膨胀剂种类较多，包含硫酸钙类、半水石膏、死烧氧化钙类、氧化铝、氯化钠等。

如公开号为CN104099071A，名称为“一种水平井固井膨胀水泥浆及其制备方法”的发明专利，该专利公开的水泥浆包括：水泥100份，高温稳定剂30～45份，高温膨胀剂1～10份，悬浮剂0～3份，降滤失剂4～10份，分散剂0～2份，缓凝剂0～5份，水40～50份，消泡剂0.2份；水泥是满足API规范的油井G 级水泥；高温稳定剂为微硅、纯度大于98% 的二氧化硅粉末中的一种或两种混合；高温膨胀剂为矾石类、MgO 类、氧化钙类、氧化铁类和铝粉类中的一种或几种复合；悬浮剂为膨润土、纤维素、高分子聚合物中的一种或几种；降滤失剂为高分子聚合物、纤维素类和PVA体系中的任意一种；分散剂为醛酮缩合物或萘系分散剂；缓凝剂为高分子聚合物类、木质素磺酸盐类、有机磷酸盐类中的一种或几种;消泡剂为聚醚类、有机硅类、聚醚改性类中任意一种。该专利中添加有缓凝剂，但实际使用中膨胀剂与缓凝剂的、降水剂的配伍不好，使用效果达不到预期；该专利是针对目前高温超高温水平井固井面临水泥石体积倒缩，影响固井质量而开发的一种微膨胀水泥浆，但是高温、超高温的水平井井下多存在腐蚀性气体，在该专利中使用的高温稳定剂，高温膨胀剂在高温下抗腐蚀能力较差，在实际应用中该配方不能达到良好的抗腐蚀能力，在高温下容易发生气窜，影响固井质量。

又如公开号为CN104529319A，名称为“一种低热微膨胀复合水泥的制备方法”的发明专利，该专利公开了该水泥的配方为：氧化镁膨胀剂：1～8份，工业废渣：25～70份，硅酸盐水泥熟料25～70份，石膏1～4份。该专利的虽然能达到一定的膨胀效果，但其 氧化镁膨胀剂并没有界定生产氧化镁的煅烧温度，实际应用表明，菱镁矿在1450℃以上煅烧生成的氧化镁的水化活性较低，并不能很好地起到膨胀的作用，所以不是所有的氧化镁膨胀剂均能达到理想的效果；另外，该专利指出能够在早-中-后期起到良好的膨胀作用，但是井下温度一般存在温差，低温下氧化镁膨胀效果不明显，氧化镁随着温度的升高膨胀效果更佳，添加了氧化镁的微膨胀复合水泥，在高温下更能体现膨胀性能，但是在该配方中并没有抗高温的稳定剂，实验表明随着温度的升高，添加了氧化镁的水泥石与净浆水泥石相比强度会有所损失，要达到微膨胀和高强的要求，需要加入高温稳定剂作为强度的补偿。该发明中使用了工业废渣，目前的工业废渣品种繁多，很多工业废渣活性较低，即使加入石膏等激发剂并不能很好的提高早期强度。虽然工业矿渣等有一定的抗腐蚀效果，但是目前的高温超高温水平井的腐蚀性气体较多，在高温下矿渣等的抗腐蚀效果有限，势必会引起气窜，影响水泥石的强度。因此该专利的低热微膨胀复合水泥的应用温度范围存在一定的局限性，在高温下使用会影响其使用效果。

发明内容

本发明旨在提供一种新的微膨胀油井水泥，解决现有技术中，膨胀效果不好，抗腐蚀能力差以及添加膨胀剂后，影响水泥的早期强度的问题。本发明通过添加活性材料、碱性激发剂、氧化镁膨胀剂以及特定的配比调整来解决膨胀水泥在高温下膨胀不明显，低温下膨胀速度慢，水泥早期强度不好的问题，使本发明的水泥在水化的早、中、晚期均具有良好的膨胀效果。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种微膨胀油井水泥，其特征在于：包括以下按重量份计的原料：

凝胶材料50～80份；

活性材料20～40份；

氧化镁膨胀剂0.5～3份；

碱性激发剂0.1～8份；

稳定材料2～5份。

为更好地实现本发明，进一步地，所述氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁粉末。

所述轻烧氧化镁粉末中氧化镁的含量＞80%，活性＞40%；轻烧氧化镁的活性的测定采用WB/T1019-2002《菱镁制品用轻烧氧化镁》中推荐的水合法测定氧化镁的活性。

所述胶凝材料为G级油井水泥、普通硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种。

本发明所述的活性材料为矿渣、磷渣、钢渣中的一种或几种，活性＞75%。

所述碱性激发剂为明矾石或半水石膏中的一种。

所述明矾石或半水石膏的粒径为100～300目。

所述稳定材料为片状石墨粉、球状石墨粉、胶体石墨粉中的至少一种。

进一步地，所述稳定材料的粒径为100～325目，石墨含量＞80%。

本发明的有益效果：

（1）通过原料选择和配比调整，解决了现有技术中存在的缺陷，是一种新的微膨胀油井水泥；经检测，本发明的水泥在60℃下，5天的膨胀率大于0.05%，7天的膨胀率大于0.08%。

（2）本发明通过添加活性材料和氧化镁膨胀剂，使二者相互补偿，克服活性材料在高温条件下膨胀不明显，氧化镁膨胀剂在低温条件下膨胀速度慢的缺陷，使得本发明的水泥水化的早、中、晚期都具有良好的膨胀效果；本发明中添加的活性材料和碱性激发剂有助于提高水泥的早期强度，具有早强微膨胀的特点；另外，本发明添加的活性材料和稳定材料还有助于提高水泥的抗腐蚀性能，解决现有技术中，水泥在井下抗腐蚀性不好的问题。

（3）本发明的氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁，轻烧氧化镁是菱镁矿在750～1000℃下煅烧形成的，氧化镁水化活性更高。进一步优选，氧化镁含量＞80%，活性＞40%的轻烧氧化镁粉末，其膨胀效果更佳。

（4）本发明的胶凝材料选择G级油井水泥、普通硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种， G级油井水泥，普通硅酸盐水泥以及低热硅酸盐水泥在油田的使用过程中体现出较好的外加剂适应性，可选择的外加剂的种类较多，并且价格适中，可适当的降低外加剂的成本。并且能够满足目前的高温超高温的水平井温度下固井的要求，硫铝酸盐体系的水泥抗高温能力差，铝酸盐水泥体系能够使用的外加剂种类较少，具有一定的局限性。选择G级油井水泥，普通硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种作为凝胶材料，可扩大本发明水泥的应用范围。

（5）本发明的碱性激发剂优选为明矾石或半水石膏中的一种，优点是： 矿渣只有在碱性激发剂作用下才能最大限度的发挥活性，在明矾石或者半水石膏的硫酸盐和碱激发共同作用下，使活性二氧化硅和三氧化二铝不断从矿渣玻璃体中溶解出来，并参与水化反应形成C-S-H凝胶，同时在其硫酸盐作用下，生成水硬性的钙矾石，从而提高水泥石的强度，并且可以提高水泥石的膨胀率；进一步优选，矾石或半水石膏的粒径为100～300目，利用紧密堆积理论，选择该粒径的碱性激发剂可以与水泥实现最优的颗粒级配。

（6）本发明的稳定材料优选为片状石墨粉、球状石墨粉、胶体石墨粉中的至少一种，悬着石墨粉作为稳定剂，在高温下具有稳定性好、耐腐蚀、渗透率低等特点；石墨粉润滑性能好，在水泥中能够起到分散作用。在高温下作为稳定剂还能够补偿加入氧化镁导致的强度倒缩。为进一步优化水泥颗粒级配，选择粒径为100～325目的稳定材料，且石墨含量＞80%更佳。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料50份；活性材料30份；氧化镁膨胀剂0.5份；碱性激发剂0.1份；稳定材料2份；

实施例2

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料80份；活性材料20份；氧化镁膨胀剂3份；碱性激发剂8份；稳定材料5份；

上述配方中，氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁粉末。

实施例3

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料60份；活性材料40份；氧化镁膨胀剂2份；碱性激发剂5份；稳定材料3份；

本实施例中，氧化镁膨胀剂选择氧化镁的含量＞80%，活性＞40%的轻烧氧化镁粉末。

实施例4

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料70份；活性材料22份；氧化镁膨胀剂2.5份；碱性激发剂3.5份；稳定材料2份；

本实施例中，氧化镁膨胀剂为氧化镁的含量＞80%，活性＞40%轻烧氧化镁粉末；凝胶材料为G级油井水泥；活性材料为矿渣，其活性＞75%。

实施例5

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料52.5份；活性材料24份；氧化镁膨胀剂2份；碱性激发剂5份；稳定材料5份；

本实施例中，氧化镁膨胀剂为氧化镁的含量＞80%，活性＞40%轻烧氧化镁粉末轻烧氧化镁粉末；凝胶材料为普通硅酸盐水泥；活性材料为钢渣；碱性激发剂为明矾石，进一步地，明矾的粒径为100目。

实施例6

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料55份；活性材料36份；氧化镁膨胀剂1.5份；碱性激发剂4份；稳定材料3.5份；

本实施例中，氧化镁膨胀剂为氧化镁的含量＞80%，活性＞40%轻烧氧化镁粉末轻烧氧化镁粉末；凝胶材料为低热硅酸盐水泥；活性材料为磷渣；碱性激发剂为半水石膏，稳定材料为石墨粉，可为片状石墨粉、球状石墨粉或胶体石墨粉中的至少一种；更进一步地，所述石膏的粒径为200目。

实施例7

一种微膨胀油井水泥，包括以下按重量份计的原料：凝胶材料66份；活性材料28份；氧化镁膨胀剂3份；碱性激发剂2份；稳定材料1份；

本实施例中，氧化镁膨胀剂为氧化镁的含量＞80%，活性＞40%轻烧氧化镁粉末轻烧氧化镁粉末；凝胶材料为G级油井水泥；活性材料为磷渣；碱性激发剂为明矾石，稳定材料为片状石墨粉；更进一步地，所述明矾石的粒径为300目；所述石墨粉的粒径为100目，纯度要求＞80%。

实施例8

本实施例与实施例7的区别在于：稳定材料为球状石墨与胶体石墨的混合物，其粒径为325目。

为进一步说明发明的有益效果，申请人对实施例1～8制得的水泥进行了性能检测，检测结果如下表1：

表1

说明，上述表1中，线性膨胀率的检测标准为JC/T313-2009《膨胀水泥膨胀率实验方法》。通过数据可知，本发明的膨胀水泥在60℃下，5天的膨胀率大于0.05%，7天的膨胀率大于0.08%，且本发明的膨胀水泥的与普通膨胀水泥相比，具有早、中、后期强度均好的优点。

Claims (8)

1.一种微膨胀油井水泥，其特征在于：包括以下按重量份计的原料：

凝胶材料50～80份；

活性材料20～40份；

氧化镁膨胀剂0.5～3份；

碱性激发剂0.1～8份；

稳定材料2～5份，所述稳定材料为片状石墨粉、球状石墨粉、胶体石墨粉中的至少一种。

2.如权利要求1所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述氧化镁膨胀剂为轻烧氧化镁粉末。

3.如权利要求2所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述轻烧氧化镁粉末中氧化镁的含量＞80%，活性＞40%。

4.如权利要求1所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述凝胶材料为G级油井水泥、普通硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥中的一种。

5.如权利要求1所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述活性材料为矿渣、磷渣、钢渣中的一种或几种，活性＞75%。

6.如权利要求1所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述碱性激发剂为明矾石或半水石膏中的一种。

7.如权利要求6所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述明矾石或半水石膏的粒径为100～300目。

8.如权利要求1所述的微膨胀油井水泥，其特征在于：所述稳定材料的粒径为100～325目，石墨含量＞80%。