CN104293329A - 高温固井材料体系及组成 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型高温固井材料体系，主要解决目前油井水泥的高温强度衰退和高温力学稳定性差的问题，适用于油气井固井领域。该新型高温固井材料体系各组份以及质量份数组成为：SiO2占36～71份、Al2O3占3.5～25份、CaO占18～52份、CaCO3占2.0～10份、XaOb占0.7～3.8份、ZnO占0.0～5.0份、占MaBbOc·dH2O占0.0～4.5份。本发明的高温固井材料体系不仅能够能满足深井、超深井高温高压油气井固井作业，具有现场施工方便、成本低的优势，而且与油井水泥生产相比可明显减少CO2排放量，应用前景广阔。

Description

高温固井材料体系及组成
技术领域
本发明涉及一种深井、超深井高温固井材料体系，尤其涉及一种耐高温新型固井材料体系及其组成。
背景技术
深层油气资源勘探开发已成为我国油气发展的一个重要领域，固井将面临着突出的超深井、深井高温固井问题。众所周知，油井水泥在高温条件下(温度超过110℃)存在着强度衰退、渗透率急剧增大现象，常用的解决方法是在水泥中掺加30-40％硅砂,使水化硅酸钙凝胶(CSH)的CaO与SiO2(C/S)摩尔比(平均为1.5)降低到1.0左右，防止CSH凝胶转变为α-C2SH水合物，使CSH凝胶在温度超过110℃时转变为Ca5Si6O16(OH)2·4H2O(雪硅钙石)，温度超过150℃时Ca5Si6O16(OH)2·4H2O转变为Ca6Si6O17(OH)2(硬硅钙石)、Ca8Si12O30(OH)4·7H2O(白钙沸石)和其它类型的水化硅酸钙晶体，减弱水泥石高温强度衰退。然而，在更高温度环境下，油井水泥+40％硅砂体系仍会出现强度衰退，甚至开裂现象，致使地层封隔失效，严重影响油气井生产和安全。针对深层高温固井，发展新的高温固井材料、形成新的固井技术，就显得十分迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种在能够利用深井、超深井的井下高温高压环境，通过不同金属氧化物与水溶剂在高温高压条件下发生水热反应，生成具有良好抗压强度、耐高温的硅酸盐类胶结产物，实现对深井、超深井进行有效固井封隔的新型固井材料体系，以解决目前油井水泥不耐高温的不足。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
一种高温固井材料体系，由以下各组分按照其质量份数组成：
SiO2                    36～71份；
Al2O3                   3.5～25份；
CaO                     18～52份；
CaCO3                   2.0～10份；
XaOb                    0.7～3.8份；
ZnO                     0.0～5.0份；
MaBbOc·dH2O            0.0～4.5份；
所述SiO2为固体粉末，晶型为六方晶系，密度介于2.20～2.70g/cm3，粒径介于7.0～90μm。
所述Al2O3为固体粉末，晶型为α-Al2O3，密度介于3.65～3.90g/cm3，粒径介于15～45μm。
所述CaO是由碳酸钙矿石在900-1100℃高温煅烧制得，冷却后粉碎而成，为一种白色固体粉末，密度介于3.10-3.25g/cm3，粒径介于18-72μm。
所述CaCO3为球形结晶粉末，密度介于2.50～2.55g/cm3，粒径介于1.2～10μm。
所述XaOb为固体氧化物粉末，其中X为B、Zr、Ti、Bi、Ba元素中的一种，原子数a的个数介于1～2，原子数b的个数介于1～3，粒径介于15～50μm。
所述ZnO为固体粉末，密度介于5.30～5.45g/cm3，粒径介于5.0～18μm。
所述MaBbOc·dH2O是一种结晶粉末，其中M为K、Ca、Li、Na元素中的一种，原子数a的个数介于1～2，原子数b的个数介于1～4，原子数c的个数介于2～7，结晶水d的个数介于4～8。
所述MaBbOc·dH2O结晶粉末物可以是KaBbOc·dH2OK、CaaBbOc·dH2O、LiaBbOc·dH2O、NaaBbOc·dH2O结晶物中的一种或几种结晶物组合。
所述MaBbOc·dH2O结晶粉末物的粒径介于20～65μm。。
本发明的高温固井材料体系在使用时，可加入一定质量百分数的水，水的质量与高温固井材料体系所有固体的总质量之比值(水固比)为0.35～0.90，制备出的浆体密度为1.50～1.92g/cm3。
本发明的优点：(1)本发明实现了一种可通过不同氧化物颗粒优化组合、实现SiO2与CaO摩尔比能够准确控制的新型高温固井材料体系，该体系与水混合后能够配制出满足固井作业的桨体，并在油气井深井、超深井的高温高压条件下发生水热反应生成具有高温力学性能稳定性的托贝莫来石和硬硅钙石，达到油气井固井目的。(2)本发明的高温固井材料体系只有在一定的高温高压条件下才会发生水热反应，充分地利用了深井、超深井高温高压环境，将目前深井、超深井固井所面临的高温高压不利因素转变为有利条件。(3)本发明的高温固井材料体系形成的产物不含杂质，高温力学性能稳定、耐腐蚀能力强，非常有助于解决高温水泥石强度衰退难题。(4)生产1吨本发明的高温固井材料体系约排放0.20～0.35吨CO2，而油井水泥1吨要排放0.80～0.90吨CO2，因此，本发明高温固井材料体系的应用有利于减少CO2排放量，减小环境污染。
本发明提供了一种技术可靠、现场施工方便、成本低，能满足深井、超深井高温高压固井作业的固井材料体系，填补了高温固井材料体系的空白。随着我国加快深层油气资源开采，本发明的高温固井材料体系有着十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的高温固井材料，以水固比0.44制备浆体，在150℃、50MPa条件下采用美国Chandler公司Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCA functionality)测试的静胶凝强度发展曲线图。
图2是本发明的高温固井材料，以水固比0.44制备浆体，在150℃、50MPa条件下采用美国Chandler公司Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCA functionality)测试的抗压强度发展曲线图。
具体实施方式
实验方法：按标准GB/T 19139-2003“油井水泥试验方法”制备高温固井浆体，并参考标准SY/T 6544-2003“油井水泥浆性能要求”、SY/T 6466-2000“油井水泥石抗高温性能评价方法”测试高温固井浆体的性能。
实施例1：高温固井材料体系组成
一种高温固井材料体系可由以下氧化物等组成，各物质的质量份数具体为：SiO2为51.4份、Al2O3为9.8份、CaO为30.2份、CaCO3为5.6份、ZrO2为1.2份、ZnO为1.0份、LiBO2·8H2O为0.8份。
实施例2：高温固井材料体系浆体性能测试
以实施例1高温固井材料体系为测试对象，先将配浆的高温固井材料体系固体干灰组份和液体水组份各自称量好并混匀，然后按标准GB/T 19139-2003“油井水泥试验方法”制备浆体。试验结果见表1。
表1 高温固井材料体系的桨体性能
编号 水固比 密度/(g/cm3) 流动度/cm 稠化时间/min(150℃×50MPa)
1 0.38 1.80 16.5 135
2 0.44 1.75 18.0 141
3 0.50 1.70 20.5 159
4 0.60 1.67 21.0 170
实施例3：高温固井材料体系的抗压强度测试
以实施例1高温固井材料体系为测试对象，先将配浆的高温固井材料体系固体干灰组份和液体水组份各自称量好并混匀，然后按标准GB/T 19139-2003“油井水泥试验方法”制备浆体，高温高压养护后测定抗压强度，。试验结果见表1。
表2 高温固井材料体系的抗压强度性能
当然，以上所述仅是本发明的一种实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型的高温固井材料体系，其特征在于各组份以及质量份数组成如下：
2.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述SiO2为白色或浅黄色固体粉末，晶型为六方晶系，密度介于2.20～2.70g/cm3，粒径介于7.0～90μm。
3.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述Al2O3为白色固体粉末，晶型为α-Al2O3，密度介于3.65～3.90g/cm3，粒径介于15～45μm。
4.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述CaO是由碳酸钙矿石在900-1100℃高温煅烧制得，冷却后粉碎而成，为一种白色固体粉末，密度介于3.10-3.25g/cm3，粒径介于18-72μm。
5.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述CaCO3为球形结晶粉末，密度介于2.50～2.55g/cm3，粒径介于1.2～10μm。
6.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述XaOb为固体氧化物粉末，其中X为B、Zr、Ti、Bi、Ba元素中的一种，原子数a的个数介于1～2，原子数b的个数介于1～3，粒径介于15～50μm。
7.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述ZnO为白色固体粉末，密度介于5.30～5.45g/cm3，粒径介于5.0～18μm。
8.权利要求1的高温固井材料体系，其中所述MaBbOc·dH2O是一种结晶粉末，其中M为K、Ca、Li、Na元素中的一种，原子数a的个数介于1～2，原子数b的个数介于1～4，原子数c的个数介于2～7，结晶水d的个数介于4～8。
9.根据权利要求1和权利要求8所述的MaBbOc·dH2O物质，可以是KaBbOc·dH2OK、CaaBbOc·dH2O、LiaBbOc·dH2O、NaaBbOc·dH2O结晶物中的一种或几种结晶物组合。
10.根据权利要求1和权利要求8所述的MaBbOc·dH2O物质，其粒径介于20～65μm。
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