CN101481605A - 油井水泥晶体膨胀剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油井水泥晶体膨胀剂及其制备方法，本发明的油井水泥晶体膨胀剂与油田现用的油井水泥外加剂的配伍性好，受水质和地层温度的影响较小，对人体和环境无毒副作用，其综合性能优于现用的防窜类油井水泥外加剂，同时制备方法及生产工艺简单，生产过程无废物排放，对环境无污染；本发明的油井水泥晶体膨胀剂，是由以下重量百分比的原料制成：钙质原料20％～80％、镁质原料、10％～60％、硅铝质原料5％～40％、改性材料1％～20％。

Description

油井水泥晶体膨胀剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种膨胀剂及其制备方法，更具体地说涉及一种油井水泥晶体膨胀剂及其制备方法。

背景技术

固井后油气井内环空油、气、水的外窜问题自20世纪60年代发现以来，至今仍困扰着石油工程界。由于地下流体的窜流导致固井质量不合格和生产井的产能严重不足，使人类地下有限的油气资源严重浪费，给各国的石油行业造成了数十亿美元的经济损失。这一问题是目前国内外尚未完全解决的重大技术问题之一。我国大部分油田均已进入高含水开发后期，即使新开发的油田也大多采用早期注水开发方式优质地层产能，由于开发老区新探明的地质储量有限，为了稳产、增产，各油田相继布置了第二、第三甚至第四套调整井网，这使得国内油田固井数量日益增多，其固井质量问题也日益突出。固井施工是一个复杂的系统工程，有诸多因素直接或间接影响着固井质量，可变的因素主要有：钻井液和完井液性能、固井工艺和水泥浆体系的性能等。其中水泥浆体系的确定、水泥外加剂的选择起着至关重要的作用。油井水泥的使用环境(高温、高压)和施工工艺(高水灰比)决定了其致命的缺陷：高体积收缩和高滤失量(在高压下水泥浆中的自由水向多孔地层漏失)。体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证，严重时还可能形成微间隙，引发地层流体(油、水、气)窜流；高滤失使得水泥浆在施工过程中脱水桥堵，无法继续注水泥，水泥浆滤液进入油气层孔隙后，因其与地层内流体不配伍，引发水敏作用，造成油气层污染，影响油气产量，严重时完全堵塞油气层，使生产井变为干井。

固井后环空流体外窜的主要原因是：水泥浆发生胶凝作用时，凝聚结晶形成网状结构，原始的静液柱压力被圈封在水泥浆体的孔隙之中，形成孔隙压力。在水泥浆失水和水化过程中发生体积收缩，这种体积收缩的主要特征是水泥石的孔隙度增大，导致水泥石的孔隙压力降低。也就是说水泥浆体的收缩是造成窜流的最本质的原因，因此要从根本上解决窜流问题，就必须在水泥浆中使用膨胀材料即膨胀剂。

美国的哈里伯顿、道威尔公司等跨国石油公司投入巨资开发研制出Gasblock、D60油井水泥膨胀剂(铝粉作为发气组分，通过发气引起水泥石的膨胀)，国内油田曾一度引进应用并取得一定效果。但铝粉类发气剂因其高压下膨胀量小(气体可压缩)，且硬化后水泥石的收缩量大，抗水窜的作用十分有限；还有一类锁水抗窜剂以钙矾石为膨胀源，只能适用于中抗硫酸盐高C3A含量的油井水泥，且使用地层温度一般不能高于75℃，限制了它在G级高抗硫水泥和中高温地层的使用；另外由于地层条件复杂，油井水泥膨胀剂一般很少单独使用，常常与分散剂、缓凝剂、降失水剂等其它外加剂复配使用，但现有的膨胀剂在其理想使用条件下大都只具有单一的膨胀作用，且副作用大，配伍性也不好，因此，研制新型的多功能膨胀材料就成为解决油气井窜流问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油井水泥晶体膨胀剂，以解决现有技术存在的上述问题和不足，该膨胀剂与油田现用的油井水泥外加剂的配伍性好，受水质和地层温度的影响较小，对人体和环境无毒副作用。

本发明的另一目的是提供该油井水泥晶体膨胀剂的制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的油井水泥晶体膨胀剂，由以下重量百分比的原料制成：

钙质原料         20％～80％

镁质原料         10％～60％

硅铝质原料       5％～40％

改性材料         1％～20％

其中：所述的钙质原料中钙的含量≥50％

所述的镁质原料中镁的含量≥40％

所述的硅铝质原料中SiO₂的含量≥45％，Al₂O₃的含量≥35％

所述的改性材料中SO₂的含量≥30％，CaF₂的含量≥45％

优选以下重量百分比的原料：

钙质原料            30％～60％

镁质原料            20％～50％

硅铝质原料          10％～30％

改性材料            5％～10％

所述的钙质原料为石灰石、方解石或白云石的一种或其组合；所述的镁质原料为菱镁矿、蛇纹石或角闪石的一种或其组合；所述的硅铝质原料为云母、高岭石或蛭石的一种或其组合；所述的改性材料为石膏或萤石的一种或其组合。

本发明油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将筛选好的钙质原料、镁质原料、硅铝质原料分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，然后进行筛分，其中粉磨细度最好控制在0.0080～0.1mm，方孔筛筛余小于8％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉进行高温煅烧，温度控制在700℃～1600℃，煅烧时间2～72小时，冷却后得到熟料，其中煅烧时燃料的工业热值最好在27170kJ/kg～35000kJ/kg之间，燃料中的灰份重量百分比小于20％，燃料优选精煤、渣油或柴油，同时为了适应长焰煅烧的目的，煤粉的挥发分大于35％，煅烧烧失量控制在0.5％～0.7％之间，80℃水化最大放热速率在120～280分钟之间，晶粒大小控制在2～50μm；

(3)在熟料中加入改性材料后再经过破碎、粉磨，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂，其中粉磨细度控制在0.0080mm～0.10mm，方孔筛筛余在3％～5％之间。

本发明的有益效果是：

本发明的油井水泥晶体膨胀剂与油田现用的油井水泥外加剂的配伍性好，受水质和地层温度的影响较小，对人体和环境无毒副作用，其综合性能优于现用的防窜类油井水泥外加剂。

本发明的油井水泥晶体膨胀剂还具有高早强和双膨胀的特点，在水泥浆处于塑性状态和硬化后均可产生有效的膨胀，在受限条件下可明显改善水泥石的胶结特性和抗压强度。在50～500℃的温度范围、0.1～50MPa的压力下均能产生有效的膨胀，水泥浆塑性膨胀量可达1％～3％，硬化体膨胀量达0.05％～0.10％，足以克服水泥浆体固有的体积收缩和失水问题。同时水泥浆的流变性能好，稠化时间可调，浆体的过渡时间短，可广泛用于易窜调整井的现场固井作业。

本发明的油井水泥晶体膨胀剂为粉末状固体，可干混在水泥中，使用方便以易于贮存，其成本也低于目前国内外的同类产品。

另外本发明的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法及生产工艺简单，生产过程无废物排放，对环境无污染。

附图说明

图1为本发明的油井水泥晶体膨胀剂生产工艺流程示意图

具体实施方式

实施例1

(1)将筛选好的石灰石42kg、菱镁矿35kg、云母15kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.009mm，然后进行筛分方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为1500℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为30000kJ/kg，灰份重量百分比为10％，煅烧时间22小时，其煅烧烧失量为0.6％，80℃水化最大放热速率为200分钟，晶粒大小为5～10μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏8kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0090mm，方孔筛筛余为3％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

实施例2

(1)将筛选好的石灰石15kg、白云石15kg、蛇纹石50kg、高岭石10kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.008mm，然后进行筛分，方孔筛筛余为8％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为1000℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为28000kJ/kg，灰份重量百分比为15％，煅烧时间30小时，其煅烧烧失量为0.7％，80℃水化最大放热速率为120分钟，晶粒大小为2～5μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏5kg、萤石5kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0080mm，方孔筛筛余为5％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

实施例3

(1)将筛选好的石灰石25kg、白云石35kg、角闪石25kg、蛭石10kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.010mm，然后进行筛分，方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为700℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为35000kJ/kg，灰份重量百分比为10％，煅烧时间60小时，其煅烧烧失量为0.7％，80℃水化最大放热速率为250分钟，晶粒大小为15～20μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料萤石5kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0080mm，方孔筛筛余为5％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

实施例4

(1)将筛选好的石灰石35kg、菱镁矿13kg、蛇纹石15kg、云母15kg、高岭石15kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.009mm，然后进行筛分方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为1450℃条件下进行高温煅烧，，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为35000kJ/kg，灰份重量百分比为8％，煅烧时间5小时，其煅烧烧失量为0.5％，80℃水化最大放热速率为200分钟，晶粒大小为2～5μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏7kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0090mm，方孔筛筛余为3％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

实施例5

(1)将筛选好的石灰石10kg、方解石5kg、白云石5kg、菱镁矿55kg、云母10kg、蛭石12kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.009mm，然后进行筛分方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为1600℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为30000kJ/kg，灰份重量百分比为10％，煅烧时间3小时，其煅烧烧失量为0.5％，80℃水化最大放热速率为200分钟，晶粒大小为2～5μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏3kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0090mm，方孔筛筛余为3％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

实施例6

(1)将筛选好的石灰石30kg、方解石45kg、菱镁矿5kg、角闪石5kg、云母5kg、高岭石5kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.009mm，然后进行筛分方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为900℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为30000kJ/kg，灰份重量百分比为10％，煅烧时间35小时，其煅烧烧失量为0.5％，80℃水化最大放热速率为200分钟，晶粒大小为20～25μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏5kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0090mm，方孔筛筛余为3％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

实施例7

(1)将筛选好的石灰石30kg、菱镁矿15kg、角闪石5kg、高岭石35kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.009mm，然后进行筛分方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为900℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为30000kJ/kg，灰份重量百分比为10％，煅烧时间35小时，其煅烧烧失量为0.5％，80℃水化最大放热速率为200分钟，晶粒大小为20～25μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏15kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0090mm，方孔筛筛余为3％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

对比例：

下面通过对比例进一步说明本发明，在对比例中，用水泥浆塑性体膨胀率(％)表示水泥浆的膨胀性能，这一数值越高，说明膨胀性能越好；胶凝强度(MPa)表示膨胀后水泥环的胶结质量，数值越高说明效果越好，胶凝强度由48Pa到250Pa的时间为过渡时间，过渡时间越短说明防窜效果越好。

对比例1：掺本发明油井水泥晶体膨胀剂的水泥浆体的综合性能实验

实验采用江南G级高抗硫水泥浆(南京江南水泥有限责任公司)，W/C＝0.44，SZA-2油井水泥分散剂(西南石油学院科技开发总公司)，实验结果见表1

表1：掺本发明油井水泥晶体膨胀剂的水泥浆体的综合性能

由表1结果可知，使用了本发明的膨胀剂后，在不同温度下水泥浆均具有明显的塑性膨胀和硬化体膨胀，水泥浆的析水率为零，失水量很低，流变性能优异，浆体的其它性能也都很好的满足施工的要求。该复配体系具有防窜水泥浆体系所要求具备的各种性能，即微膨胀、高早强、流变性好、零析水和低滤失，因此可完全用于油井施工现场。

对比例2：不同水泥浆体系的性能比较

实验采用江南G级水泥浆，膨胀剂采用实施例1制备，G304降滤失剂(河南卫辉市化工有限责任公司)，实验结果见表2

表2：不同水泥浆体系的性能比较(80℃)

从表2可知，当本发明的膨胀剂与降滤失剂复配后，能明显提高防窜水泥浆体系所要求的各种性能。

本发明的油井水泥晶体膨胀剂用于江苏油田调整井固井130口，合格率100％，优质井36口，优质率93％。

Claims (10)

1、一种油井水泥晶体膨胀剂，其特征在于由以下重量百分比的原料制成：

钙质原料             20％～80％

镁质原料             10％～60％

硅铝质原料           5％～40％

改性材料             1％～20％

其中：所述的钙质原料中钙的含量≥50％

所述的镁质原料中镁的含量≥40％

所述的硅铝质原料中SiO₂的含量≥45％，Al₂O₃的含量≥35％

所述的改性材料中SO₂的含量≥30％，CaF₂的含量≥45％。

2、根据权利要求1所述油井水泥晶体膨胀剂，其特征在于由以下重量百分比的原料制成：

钙质原料                 30％～60％

镁质原料                 20％～50％

硅铝质原料               10％～30％

改性材料                 5％～10％。

3、根据权利要求1或2所述油井水泥晶体膨胀剂，其特征在于所述的钙质原料为石灰石、方解石或白云石的一种或其组合；所述的镁质原料为菱镁矿、蛇纹石或角闪石的一种或其组合；所述的硅铝质原料为云母、高岭石或蛭石的一种或其组合；所述的改性材料为石膏或萤石的一种或其组合。

4、上述油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将筛选好的钙质原料、镁质原料、硅铝质原料分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，然后进行筛分；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉进行高温煅烧，温度控制在700℃～1600℃，煅烧时间2～72小时，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料后再经过破碎、粉磨，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

5、根据权利要求4所述的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，其特征在于所述的步骤(1)中粉磨细度控制在0.0080～0.1mm，方孔筛筛余小于8％。

6、根据权利要求4所述的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，其特征在于所述的步骤(2)中煅烧时燃料的工业热值在27170kJ/kg～35000kJ/kg之间，燃料中的灰份重量百分比小于20％。

7、根据权利要求4或6所述的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，其特征在于煅烧烧失量控制在0.5％～0.7％之间，80℃水化最大放热速率在120～280分钟之间，晶粒大小控制在2～50μm。

8、根据权利要求6所述的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，其特征在于所述的燃料为精煤、渣油或柴油。

9、根据权利要求4所述的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，其特征在于所述的步骤(3)中粉磨细度控制在0.0080mm～0.10mm，方孔筛筛余在3％～5％之间。

10、根据权利要求4所述的油井水泥晶体膨胀剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将筛选好的石灰石42kg、菱镁矿35kg、云母15kg分别破碎，按上述比例配好后加入球磨机粉磨，粉磨细度控制在0.009mm，然后进行筛分，方孔筛筛余为5％；

(2)把筛分好的粉料送入窑炉温度为1500℃条件下进行高温煅烧，煅烧时燃料为精煤，其工业热值为30000kJ/kg，灰份重量百分比为10％，煅烧时间22小时，其煅烧烧失量为0.6％，80℃水化最大放热速率为200分钟，晶粒大小为5～10μm，冷却后得到熟料；

(3)在熟料中加入改性材料石膏8kg后再经过破碎、粉磨、筛分，粉磨细度0.0090mm，方孔筛筛余为3％，计量包装后得到本发明的油井水泥晶体膨胀剂。

Images