CN102660241B - 耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法 - Google Patents
耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法，耐高温固井水泥包括以下组份：铝酸一钙、硅酸二钙、柠檬酸，其中两种主要组份的重量份分别为：铝酸一钙65份－95份、硅酸二钙5份－35份。井下耐高温固井水泥浆中，耐高温固井水泥和清水所占的重量份分别为50－56份和44－50份，缓凝剂柠檬酸在耐高温固井水泥浆中所占的重量份为0.5－1.5份，该组分控制井下耐高温固井水泥浆的稠化时间在2-9小时。用这种井下耐高温固井水泥浆进行固井，耐温达到800℃、耐压大于60MPa、弹性模量低于10GPa，不仅可以应用在稠油注热井中，还可以应用在超深井、特深井、地热井中。
Description
技术领域
本发明涉及一种固井技术，尤其涉及一种耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法。
背景技术
在地层-水泥环-套管组合体中，地层力学参数、强度参数属原始数据，一般认为是不变的。套管的力学和强度参数随套管钢级的不同而不同，理论上套管强度的提升还有空间，但也不会有太大余地，而且研发成本高昂。相对而言，水泥环由于是现场调配水泥浆灌注而成，因此其性能可以在更大程度上为人所控制。因而水泥环控制空间还很大，可以而且必须要发挥更大的作用。近年来，科研人员对水泥环的性能与作用进行了一些研究。
邓金根等人通过室内实验和数值模拟指出：增大水泥环弹性模量对减缓套管外载比较有效。这些研究忽视了地层载荷的传递问题：先前的研究大都注意到了从水泥环到套管的载荷传递效率，而把地层载荷作为常量加在水泥环上。实际上根据弹性力学的多层管理论，如果将地层视为厚壁筒（等同于无限大平面），而将远场地应力视为不变载荷，那么从地层到水泥环也存在压力传递效率问题。也就是说，井壁围岩应力将随着水泥环弹性参数的变化而变化，而不是定值。
很多研究人员逐渐认识到原来研究的不足，考虑了井壁围岩应力随水泥环弹性参数的变化。李军等采用有限元方法、解析方法以及厚壁圆筒理论，研究指出理想水泥环的性能应该是“高强度、低弹性”，利用高强度抵抗地层载荷，同时利用低弹性模量来降低载荷传递系数，从而达到保护套管的目的。但水泥石从其力学性能试验结果看，抗压强度小于30MPa，弹性模量为17～18GPa，说明其强度还不够强，“塑性”程度还不够高。另外，水泥还容易破碎、脱落、硅裂，无法满足日益提高的现场施工要求。如果能将水泥的刚度进一步降低，则可大大改善套管受力状况。从目前水泥工艺技术的现状看，高强度往往与大刚度相伴而生。如何在强度提高的同时降低其脆性是推广应用高性能水泥的重要研究课题。
Ghosh在高温（232℃）、高压（13.8MPa)范围内研究了水泥的弹性和强度。水泥包含不同比例的高钙褐煤粉煤灰和一定比例的凝聚硅粉。发现温度上升，强度和静弹性模量逐渐恶化。温度增加，浆体发生了物理化学转化。可见该体系抗压强度不高，而且耐温性能在232℃以下时已经下降。这是由于实验使用的是非耐高温水泥，常规油井耐温性能一般小于200℃。孙清德指出国外研究的柔性人工井壁弹性模量一般小于10GPa，抗压强度最高达39.2MPa，但是耐温性不超过200℃。主要是在水泥中加入了柔性外加剂，如硫化橡胶。
在复合材料应用方面也有些无机材料（水泥）添加有机材料的研究：在水泥中加入凝胶、纤维、水乳树脂、胶乳、橡胶粉、高分子聚合物等材料形成具有一定韧性和强度的复合材料，但实验温度都在100℃以内。具有“高压、低弹性”国外复合无机材料研制的耐温性能高达350℃，但没有提及具体使用的材料及比例。
目前，井下使用的水泥体系主要是硅酸盐体系，使用的水泥固井材料抗压强度小于30MPa、弹性模量为17～18GPa，说明其强度还不够强，“塑性”程度还不够高。同时，耐温性能没有高于200℃。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐温达到800℃、耐压大于60MPa、弹性模量低于10GPa的耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的耐高温固井水泥，包括以下组份：铝酸一钙、硅酸二钙、柠檬酸，其中两种主要组份的重量份分别为：
铝酸一钙：65份－95份；
硅酸二钙：5份－35份。
本发明的井下耐高温固井水泥浆，包括上述的耐高温固井水泥和清水，所述耐高温固井水泥和清水所占的重量份分别为50－56份和44－50份；
所述柠檬酸为缓凝剂，该组份在耐高温固井水泥浆中所占的重量份为0.5－1.5份，该组分控制所述井下耐高温固井水泥浆的稠化时间在2-9小时。
本发明的固井工艺方法，包含以下步骤：
A、用上述的耐高温固井水泥配制井下耐高温固井水泥浆；
B、应用步骤A所配制的井下耐高温固井水泥浆进行固井。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的耐高温固井水泥及井下耐高温固井水泥浆及固井工艺方法，由于使用所限定组份的铝酸盐体系水泥，耐温达到800℃、耐压大于60MPa、弹性模量低于10GPa，不仅可以应用在稠油注热井中，注入的蒸汽温度高达350℃，还可以应用在超深井、特深井、地热井中。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的耐高温固井水泥，其较佳的具体实施方式是：
包括以下组份：铝酸一钙（CaO·Al2O3，简写CA）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、柠檬酸（C6H8O7），其中两种主要组份的重量份分别为：
铝酸一钙：65份－95份；
硅酸二钙：5份－35份。
所述两种主要组份优选的重量份分别为：
铝酸一钙：85份；
硅酸二钙：15份。
本发明的井下耐高温固井水泥浆，其较佳的具体实施方式是：
包括上述的耐高温固井水泥和清水，所述耐高温固井水泥和清水所占的重量份分别为50－56份和44－50份；
所述柠檬酸为缓凝剂，该组份在耐高温固井水泥浆中所占的重量份为0.5－1.5份，该组分控制所述井下耐高温固井水泥浆的稠化时间在2-9小时。
本发明的固井工艺方法，其较佳的具体实施方式包含以下步骤：
A、用上述的耐高温固井水泥配制井下耐高温固井水泥浆；
B、应用步骤A所配制的井下耐高温固井水泥浆进行固井。
所述的步骤B包含以下步骤：
B1、首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
B2、然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入权利要求3所述的耐高温固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
B3、当上胶塞碰压后候凝48-72小时；
B4、下钻头钻塞，继续下面地层钻进。
所述的步骤B中，所述耐高温固井水泥浆候凝48-72小时后，达到耐高温＞800℃、高压＞60MPa、低弹性＜10GPa。
具体实施例中，可以控制水灰比0.44-0.50：50－56，水泥为超细粉末，粒径D50可细至1um以下，达到次纳米级，最大粒径Dmax不超过18um，80％以上颗粒尺寸在5um以下。缓凝剂加量为0.5％-1.5％，稠化时间在2h-9h。铝酸盐水泥的主要矿物成为铝酸一钙（CaO·Al2O3，简写CA）及其他的铝酸盐，以及少量的硅酸二钙（2CaO·SiO2）等。
反应：3（CaO·Al2O3)+12H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2(Al2O3·3H2O)；
2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2。
现有技术中的“高温、高压、低弹性”固井材料耐温性能低。而本发明的高温固井水泥使用铝酸盐体系，耐温达到800℃，耐压大于60MPa，弹性模量低于10GPa，不仅可以应用在稠油注热井，注入的蒸汽温度高达350℃；还可以应用在超深井、特深井，如超万米深井井底温度可以达到350℃；另外地热井固井，尤其是油页岩原位加热开采，加热器温度高达760℃，近井地带水泥环温度达到300℃以上，都急需耐高温的固井材料。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种井下耐高温固井水泥浆，其特征在于，包括耐高温固井水泥和清水，所述耐高温固井水泥和清水所占的重量份分别为50－56份和44－50份；
所述耐高温固井水泥包括以下组份：铝酸一钙、硅酸二钙、柠檬酸，其中两种主要组份的重量份分别为：
铝酸一钙：65份－95份；
硅酸二钙：5份－35份；
所述柠檬酸为缓凝剂，该组份在耐高温固井水泥浆中所占的重量份为0.5－1.5份，该组分控制所述井下耐高温固井水泥浆的稠化时间在2-9小时。
2.根据权利要求1所述的井下耐高温固井水泥浆，其特征在于，所述两种主要组份的重量份分别为：
铝酸一钙：85份；
硅酸二钙：15份。
3.一种固井工艺方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、配制权利要求1或2所述的井下耐高温固井水泥浆；
B、应用步骤A所配制的耐高温固井水泥浆进行固井。
4.根据权利要求3所述的固井工艺方法，其特征在于，所述的步骤B包含以下步骤：
B1、首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
B2、然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入权利要求1或2所述的耐高温固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
B3、当上胶塞碰压后候凝48-72小时；
B4、下钻头钻塞，继续下面地层钻进。
5.根据权利要求4所述的固井工艺方法，其特征在于，所述的步骤B中，所述耐高温固井水泥浆候凝48-72小时后，达到耐高温＞800℃、高压＞60MPa、低弹性＜10GPa。
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