CN101445720A

CN101445720A - 一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法

Info

Publication number: CN101445720A
Application number: CNA2008102475620A
Authority: CN
Inventors: 孙恒虎; 倪文; 魏秀泉; 郑永超; 徐维瑞; 李宇
Original assignee: Tsinghua University; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: Tsinghua University; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2009-06-03

Abstract

本发明公开了石油和天然气开发领域一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法。制备方法为：将水泥熟料0～45％，粒化高炉矿渣55～95％，粉煤灰0～5％，按重量百分比配料后一起磨细；将已磨细的混合物料30～59.5％，粉煤灰、燃煤炉渣、烧黏土或赤泥的一种40～60％，成岩剂0.5～10％按重量百分比配料后一起磨细；所得混合物料85～95％与磨碎的膨胀蛭石片5～15％按重量百分比配料并混合均匀，便得到固井用凝石胶凝材料。本发明不仅有利于解决油气固井中所存在的各种问题还可以比生产传统油井水泥大幅度减少CO₂及其它污染物的排放。

Description

一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法，属于石油和天然气开发领域。

技术背景

国内外目前用于油气开发过程中固井的胶凝材料主要是油井水泥。

传统油井水泥的高钙体系和固有水化特征(C-S-H凝胶)，使用环境(高温、高压)和施工工艺(高水灰比、高流动性)决定了其一些致命缺陷。在使用传统油井水泥固井时，为了控制流动度和稠化时间，必须将水灰比控制在较高的水平，固化时所形成的C-S-H凝胶不但含有大量的结晶水和准结晶水，而且还含有大量的自由水，同时产生化学收缩。这种C-S-H凝胶体在高温高压状态下会转变成托贝莫来石(5CaO·6SiO₂·6H₂O)和硬硅钙石(6CaO·6SiO₂·H₂O)等矿物晶体。温度越高，结晶水的含量越低。同时由于高温结晶作用，原来C-S-H凝胶所圈闭的自由水也被释放出来，结果引起水泥硬化体强烈收缩。

传统油井水泥在不加降失水剂的条件下或在由于降失水剂高温失效而导致高滤失水的现象。高滤失水会引起水泥浆流动性变差，甚至发生桥堵，引发地层流体窜流，污染油气层。

传统油井水泥硬化体是高脆性材料，因此作为基础的固井材料具有先天的缺陷。其抗拉强度只有抗压强度的1/7～1/12；抗破裂性能差，极限拉伸率只有0.02％～0.06％；抗冲击强度低，其断裂功只有20～80J/m²(为钢材的10万分之一)；弹性模量高(2.5～6.6MPa)，泊松比小(0.15～0.36)。在进行射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩体/复合体上，可产生高达4×10³～2×10⁴MPa的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流”，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实：射孔前CBL/VDL/SBT测井固井质量为优质，而射孔后CBL/VDL/SBT测井质量却不合格。吉林油田三井次的CBL/VDL测井结果也证明了射孔对隔层封固质量的破坏。大庆油田统计了722口套损井的990个套损点，其中在射孔井段附近的套损点占56.0％，中原油田的764口套损井，有258口井在射孔段，占61.4％。

传统油井水泥的真密度在2.8g/cm³左右，由于颗粒较粗(比表面积为280m²/Kg左右)，很难配出低密度的水泥浆。如果简单采用加大水灰比的方法配制低密度水泥浆(密度低于1.8g/cm³)和超低密度水泥浆(密度低于1.5g/cm³)，将进一步劣化水泥浆的其它性能，如水泥浆硬化体的收缩会急剧增大，抗滤失性能会急剧下降，强度会大幅降低，抗渗性能和抗化学侵蚀性能也会明显劣化。而把上述传统油井水泥进一步磨细则会导致稠化时间难以控制，失去使用意义。

传统水泥浆的高密度将会在地层中产生压差。一些裂缝发育、承压能力低、压力窗口小的地层将会在固井过程中发生严重井漏，在多套压力层系、长封固段和低压易漏性的固井施工中尤为突出，已成为国内外油田普遍存在且尚未解决的技术难题之一。因此，传统油井水泥的固有缺陷可概括为“四高”，即高收缩、高脆性、高滤失、高密度。虽然近些年来很多固井工作者围绕着上述技术难题开展了大量的研究工作，并开发出了以加入漂珠、膨胀珍珠岩等轻骨料为特征的低密度和超低密度水泥浆，以加入各种纤维或其它颗粒为特征的自堵漏水泥浆，以及以加入降失水剂和膨胀剂为特征的低滤失双膨胀水泥浆体系。但是由于所有研究和改进都是以传统水泥的高钙体系为基础，导致所做的改进都没有跳出传统油井水泥高钙体系水化硬化理论的束缚，导致新型的水泥浆体系或因为成本过高而难于推广，或由于一些性能的改进又引发其它一些性能的劣化。特别是由于滤饼顶替不完全而导致滤饼失水收缩和二界面胶结质量差的问题，高温地下流体侵蚀问题，以及抗渗透问题一直没有得到很好的解决。

我国许多大油田经几十年的开采都到了后期阶段，这些油田的地层经强采、强注、高速开采后地层压力都呈严重非均质状态。进一步加剧了固井的困难。同时部分油井由于采用长封固段技术，环空顶替动态液柱压力大，固井顶替过程中易发生井漏；水泥浆顶底部温差大，对确保全井封固段质量难度较大，水泥浆在凝固过程中所产生的失重、挂壁和体积收缩现象严重，易造成地层流体侵入。

在我国西部许多新油气田的开发中以及在海洋油气田的开发中都遇到了极其复杂的地层情况，如高度碎裂地层，岩溶型地层，松软砂层，泥岩地层，膏盐地层和煤系地层等，不断给传统的固井技术提出新的挑战。虽然根据地层实际情况和固井实际需要许多固井工作者在普通固井水泥的基础上作了许多改进，但由于所有改进都是基于水泥这一高钙体系而进行的，因此上述固井工程中所存在的问题，一直困扰着我国的石油工业。

发明内容

本发明基于仿地成岩的凝石理论，通过针对油气田固井的实际应用环境，进一步优化凝石这一类硅铝基胶凝材料的仿地成岩反应进程制备出硅铝基的固井用凝石胶凝材料。

所述油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法的具体步骤为：

(1)准备混合物料，按重量百分比将0～45％的水泥熟料，55～95％的粒化高炉矿渣，0～5％的粉煤灰进行配料后，一起磨细至比表面积为350～850m²/Kg；

(2)将上述已磨细的混合物料30～59.5％，粉煤灰、燃煤炉渣、烧黏土或赤泥中的一种40～60％，成岩剂0.5～10％，按重量百分比进行配料后，一起磨细至比表面积为600～1500m²/Kg；

(3)将5～15％的膨胀蛭石片磨细至比表面积为600～1500m²/Kg，然后与上述步骤(2)所得的比表面积为600～1500m²/Kg的混合物料85～95％按重量百分比混合，所得各种粉料经均化和检验后，便得到固井用凝石胶凝材料成品。

所述水泥熟料为符合相应标准的新兴干法生产线生产的水泥熟料，粒化高炉矿渣的质量符合GB/T 203—1994要求的粒化高炉矿渣，粉煤灰为含碳量≤8％的I级灰、II级灰、III级灰、等外灰中的一种或几种，燃煤炉渣、烧黏土或赤泥中的一种是经过200～800℃的热过程脱去大部分结晶水的物料，膨胀蛭石粉片是由松散堆积容重在20～100Kg/m²的膨胀蛭石原料粉磨而成。

所述磨细所用设备为球磨机、立磨机、振动磨、雷蒙磨中的一种，入料粒度≤2000μmμm，出料粒度≤100μm。

所述成岩剂为凝石A成岩剂或凝石C成岩剂，凝石A成岩剂用于水泥熟料掺量≥5％的配方中，凝石C成岩剂用于水泥熟料掺量<5％的配方中。

所述膨胀蛭石粉片直径≤5mm，厚度>100μm的蛭石片重量百分比≤10％。

生产固井用胶凝材料的原理是：.通过掺入大量粉煤灰、自燃过的煤矸石、提油后的油页岩渣、赤泥、钢铁冶金渣等硅铝质固体废弃物，不用或少用水泥熟料，实现从传统油井水泥的高钙体系向本发明的硅铝体系的转变，从而克服传统油井水泥在油井中的较高温度下高滤失、高收缩和强度下降的弊端。通过大量掺入粉煤灰等易磨轻质原料，在大幅节省研磨能耗的基础上，优化活性匹配，控制反应进程，提高胶凝材料的细度，从而克服传统油井水泥高密度和不能配制高强度超轻水泥浆的弊端。通过加入膨胀蛭石薄片作为二维增韧组份克服传统油井水泥高脆性的弊端，同时使本发明所述的固井用凝石胶凝材料具有良好的堵漏功能。

本发明的有益效果：

本发明所述的固井用凝石胶凝材料，能够克服现有油井水泥所存在的高收缩、高滤失、高脆性和高密度等四大缺陷，进而有利于解决油气固井中所存在的轻水硬化体强度低的问题、大压差地层窜流问题、二界面胶结质量差问题、高温地下液体侵蚀等问题。另一方面，由于固井用凝石胶凝材料的生产过程与传统油井水泥相比不同或少用水泥熟料可以大幅度减少CO₂及其它污染物的排放，有利于环境保护与生态平衡。

具体实施方式

实施例1

本实施例中，固井用凝石胶凝材料的制备方法由如下步骤构成：

(1)准备混合物料，将水泥熟料30％与钢渣68％和粉煤灰2％，按重量百分比配料后，用Φ500*500mm球磨机磨细至比表面积400m²/Kg。

(2)将步骤(1)中所得的比表面积为400m²/Kg的混合物35％与55％的粉煤灰和10％的成岩剂用Φ500*500mm球磨机混磨至比表面积1500m²/Kg。

(3)将15％的膨胀蛭石片磨细至比表面积为1500m²/Kg，然后与上述步骤(2)所得的混合物料85％按重量百分比混合，所得各种粉料经均化和检验后，便得到固井用凝石胶凝材料。所得固井用凝石胶凝材料配制的固井液及其硬化体的性能见表1。

表1 实施例1中固井用凝石胶凝材料的固井液及其硬化体的性能

实施例2

(1)准备混合物料，将水泥熟料35％，粒化高炉矿渣60％，粉煤灰5％，按重量百分比进行配料后，用Φ500*500mm球磨机混磨细至比表面积为560m²/Kg。

(2)将上述已磨细的混合物料35％，燃煤炉渣57％，成岩剂8％，按重量百分比进行配料后，用Φ500^*500mm球磨机混磨至比表面积为950m²/Kg。

(3)将10％的膨胀蛭石片磨细至比表面积为950m²/Kg，然后与上述步骤(2)所得的混合物料90％按重量百分比混合，所得各种粉料经均化和检验后，便得到固井用凝石胶凝材料。所得固井用凝石胶凝材料配制的固井液及其硬化体的性能见表2。

表2 实施例2中固井用凝石胶凝材料的固井液及其硬化体的性能

实施例3

(1)准备混合物料，将水泥熟料44％，粒化高炉矿渣55％，粉煤灰1％，按重量百分比进行配料后，用球磨机混磨至比表面积为460m²/Kg。

(2)将上述已磨细的混合物料55％，烧黏土42％，成岩剂3％，按重量百分比进行配料后，用球磨机混磨至比表面积为1050m²/Kg。

(3)将5％的膨胀蛭石片磨细至比表面积为1050m²/Kg，然后与上述步骤(2)所得的混合物料95％按重量百分比混合，所得各种粉料经均化和检验后，便得到固井用凝石胶凝材料。所得固井用凝石胶凝材料配制的固井液及其硬化体的性能见表3。

表3 实施例3中固井用凝石胶凝材料的固井液及其硬化体的性能

实施例4

(1)准备混合物料，将水泥熟料40％，粒化高炉矿渣55％，粉煤灰5％，按重量百分比进行配料后，用球磨机混磨至比表面积为750m²/Kg。

(2)将上述已磨细的混合物料49％，赤泥43％，成岩剂7％，按重量百分比进行配料后，用球磨机混磨至比表面积为1400m²/Kg。

(3)将15％的膨胀蛭石片磨细至比表面积为1400m²/Kg，然后与上述步骤(2)所得的混合物料85％按重量百分比混合，所得各种粉料经均化和检验后，便得到固井用凝石胶凝材料。所得固井用凝石胶凝材料配制的固井液及其硬化体的性能见表4。

表4 实施例4中固井用凝石胶凝材料的固井液及其硬化体的性能

Claims

1、一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨细所用设备为球磨机、立磨机、振动磨、雷蒙磨中的一种，入料粒度≤2000μmμm，出料粒度≤100μm。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成岩剂为凝石A成岩剂或凝石C成岩剂，凝石A成岩剂用于水泥熟料掺量≥5％的配方中，凝石C成岩剂用于水泥熟料掺量<5％的配方中。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨胀蛭石粉片直径≤5mm，厚度>100μm的蛭石片重量百分比≤10％。