CN105601141B - 一种油井水泥用膨胀剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种油井水泥用膨胀剂及其制备方法，涉及一种固井用油井水泥添加剂，属于油田化学技术领域。目的在于提供一种使用范围广，水泥石膨胀率好的油井水泥用膨胀剂及其制备方法。该油井水泥用膨胀剂由下述质量分数的物质组成：CaO 12～18%，CaCl₂ 12～18%，MgO 28～35%，MgSO₄ 28～35%，余量为具有活性的矿渣，所述矿渣为硅铝酸盐质材料，矿渣活性指矿渣水硬活性。该膨胀剂对水泥石的膨胀率可以达到0.5%～1.7%，在50℃～205℃下对水泥石都具有膨胀效果；对水泥浆的其它性能无不良影响，并可用于淡水、盐水、海水、高矿化水质；原料来源广泛，成本低，制作工艺简单。

Description

一种油井水泥用膨胀剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种固井用油井水泥添加剂，属于油田化学技术领域。

背景技术

油井水泥浆经过水化，凝固硬化后，由于反应物的比重低于反应生成物的比重，水泥石体积将产生收缩，即“化学收缩”，水泥石体积收缩率一般在1～2%，凝固过程中，由于体积收缩现象的存在，原本充满于地层与套管之间的水泥浆，在水泥与地层之间以及套管与地层之间的2个界面上常常出现较小的间隙或微环隙，这种收缩直接影响着固井质量，给油气水窜提供了可能的通道，严重影响后期的采油、注水及其它工程作业。

为此，需在水泥中添加膨胀剂，凝固后能够适度膨胀的水泥体系，可作为一种补偿微环隙和提高固井质量的有效措施，膨胀剂在水泥浆整个候凝段和凝固后都能保持一定程度的膨胀，并补偿充填于水泥石的毛细孔和气孔中，与纤维状的硅酸钙凝胶微晶交织成网络状，使水泥石结构更加致密，从而提高了水泥石的强度和抗渗等性能，改善了水泥环胶结质量。

目前较常用的油井水泥膨胀剂存在一定的局限性：①目前大多数水油井水泥膨胀剂主要是通过与水泥反应生成钙铝矾晶体，但在温度超过70℃时，钙铝矾晶体是不稳定的，并转为更致密的硫代铝酸钙水化物和石膏，起不到膨胀作用；②精细磨碎的铝粉类膨胀剂主要以产生微小的氢气气泡来产生膨胀，但只能在浅井中应用，由于在深井中，地层压力将超过气泡的膨胀压力。

下面是检索出的有代表性的三篇公开的专利文献：

公开号为CN1374266A的专利文献《一种硫酸钙－硫铝酸钙水泥熟料及其膨胀剂的制造方法》，是一种水泥熟料的生产技术和混凝土膨胀剂的生产技术。所述熟料原料配方为：铝矾土(Al₂O₃)(50%～65%)、石灰石(CaO)(30%～40%)、石膏(CaSO₄)(5%～15%)、煤灰(<10%)将配料加热到1320℃～1380℃，取35%～40%与60%～65%硬石膏共同粉磨成膨胀剂，该膨胀剂在温度高于150℃时，膨胀效果不理想，流动度低，影响水泥浆整体性能。

公开号为CN1034218A的专利文献《一种用于石油开采的防止粘土膨胀剂及制备方法》，是一种用于石油钻井，开采的防止粘土膨胀剂，由多乙烯多胺盐酸盐化羟甲基聚丙烯酰胺为主要成分的高分子化学处理剂，它用于钻井泥浆、油田压裂、酸化过程中具有一剂多用的特点，抗冲刷能力强，性能优良、工艺简单和成本低廉等特点，该剂为防止膨胀的添加剂，不能用于促进水泥石膨胀。

公开号为CN1139079A的专利文献《铁铝酸盐膨胀剂》，是一种铁铝酸膨胀剂，采用石灰石、粉煤灰、铁粉等为原料，经粉磨、煅烧，掺加适量石膏，在经粉磨制成，它可用于提高水泥混凝土的抗渗性或用于生产膨胀自应力水泥，该膨胀剂主要是在建筑水泥中使用，流变性能调整困难，不适宜在油井水泥中使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种使用范围广，水泥石膨胀率好的油井水泥用膨胀剂及其制备方法。

本发明提供一种油井水泥用膨胀剂，其由下述质量分数的物质组成：

CaO 12～18%，

CaCl₂ 12～18%，

MgO 28～35%，

MgSO₄ 28～35%，

余量为具有水硬活性的矿渣。

所述矿渣来源于炼钢高炉产生的矿渣。

所述矿渣主要成分为硅铝酸盐质材料。

矿渣的水硬活性是指矿渣在一定的碱激活条件下所表现出的水化反应能力，因为矿渣并没有单独的水化能力，因此，本发明中矿渣的水硬活性是指矿渣的潜在活性。

本发明还提供上述油井水泥用膨胀剂制备方法，包括如下步骤：

（1）将CaO及CaCl₂均匀混合，在1020～1080℃下煅烧60min后冷却至室温，得到混合物1；

（2）将MgO和MgSO₄混合均匀后在1090～1150℃下煅烧90min后冷却至室温，得到混合物2；

（3）将混合物1、混合物2与矿渣混合均匀后研磨至细度220-400目，得到油井水泥膨胀剂。

本发明还提供上述制备得到的油井水泥用膨胀剂在固井水泥浆中的应用。

本发明具有如下有益效果：

该膨胀剂适用于API所规定的各级水泥，加量为水泥质量的2%～4.2%，对水泥石的膨胀率可以达到0.5%～1.7%，且随加量的增加，膨胀率基本呈线性增长，膨胀效果好；

使用温度范围宽，在50℃～205℃下对水泥石都具有膨胀效果；

对水泥浆的其它性能无不良影响，并可用于淡水、盐水、海水、高矿化水质；

该膨胀剂原料来源广泛，成本低，制作工艺简单；

该膨胀剂可用于技术套管、尾管、定向井、水平井以及小井眼小间隙等各类固井施工作业。

具体实施方式

下面通过给出的具体实施例对本发明做进一步说明，但不作为对本发明的限定。

本发明油井水泥用膨胀剂主要成分为钙的氧化物及其盐酸盐类、镁的氧化物及其硫酸盐类和具有一定活性和轻微膨胀作用的矿渣（炼钢高炉的产物）按一定的比例混合而成。

本发明通过实验发现，矿渣具有潜在的活性，在水泥浆的碱性环境下矿渣的水硬活性被激活，与本发明中其它物质相互作用，提高水泥石的抗压强度。

本发明中钙的氧化物主要靠与水泥反应生成钙矾石和氢氧化钙来产生膨胀作用，镁的氧化物是在一定的温度下生成氢氧化镁和镁矾石来达到膨胀效果，矿渣是一种稳定的高温膨胀物，在一定温度下与水泥产生水化作用，可以生成C-H-S凝胶，达到膨胀效果。

实施例1：

本实施例中膨胀剂配方为CaO 15%，CaCl₂ 15%，MgO 34%，MgSO₄ 34%，具有水硬活性的矿渣 2%。

本发明将制备得到的膨胀剂、现有膨胀剂与水泥原浆进行膨胀性能对比实验，实验数据如下表所示：

其中：某膨胀剂X，按照CN1374266A专利文献所述，原料选取按如下比例：

铝矾土(Al₂O₃)：55%

石灰石(CaO)：30%

石膏(SO₃)：12%

烟煤：3%

按照所述方式制成取40%与60%硬石膏共同粉磨成膨胀剂。

通过上述数据可知，在70℃的条件下，膨胀剂的水泥体系的膨胀性能随着加量的增加膨胀量也随之增加，在加量为4%时，膨胀率接近1%，且在相同加量下，本发明的膨胀剂膨胀性能优于现有公开的膨胀剂X。

实施例2：

考察加入本发明实施例1制备的膨胀剂后的低密度水泥浆的综合性能，得到如下表所示结果：

配方：(1)G级水泥+15%漂珠+1.5%G304+0.5%USZ+59%水

(2)G级水泥+15%漂珠+1.5%G304+0.5%USZ+2.0%本发明膨胀剂+59%水

(3)G级水泥+15%漂珠+1.5%G304+0.5%USZ+2.5%本发明膨胀剂+59%水

注：漂珠为减轻剂，是电厂锅炉内燃烧后的副产物，G304为降失水剂， USZ为分散剂，都为水泥浆添加物。

由以上实验结果来看，在50℃的条件下，加入本发明膨胀剂后的水泥石强度，API失水，稠化时间，流变性能等特点与配方(1)相比强度提高、稠化时间变小、流变性能无明显的不良变化，膨胀率增大。

实施例3：

考察加入本发明实施例1制备的膨胀剂后的常规密度水泥浆的综合性能，得到如下表所示结果：

配方：(1)G级水泥+35%SiO₂+1.4%USZ+5%G310+1.4%GH-9+44%水

(2)G级水泥+35%SiO₂+1.4%USZ +5%G310+1.4%GH-9+2.0%本发明膨胀剂+44%水

(3)G级水泥+35%SiO₂+1.4%USZ +5%G310+1.4%GH-9+2.5%本发明膨胀剂+44%水

(4)G级水泥+35%SiO₂+1.4%USZ +5%G310+1.4%GH-9+3.0%本发明膨胀剂+44%水

注：SiO₂作为热稳定剂，温度超过110℃时可防止水泥石强度衰退，USZ为分散剂，G310为抗高温降失水剂， GH-9为缓凝剂，都为现有常规水泥浆添加物。

由以上数据可以看出，本发明膨胀剂构成的水泥体系在95℃高温条件下，其强度，API失水，稠化时间，流变性能等较未加膨胀剂的水泥体系，其膨胀率和强度显著提高，同时其API失水及稠化时间基本无变化、流变性能稳定。

综上，本发明的油井水泥用膨胀剂可以适用于API所规定的各级水泥，其适用温度高于50℃，加入量为水泥质量的2%～4.2%，随加量增加，膨胀率基本呈线性增长趋势，加入后水泥石的膨胀率可以达到0.5%～1.7%。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种油井水泥用膨胀剂，其特征在于由下述质量分数的物质组成：

CaO 12～18%，

CaCl₂ 12～18%，

MgO 28～35%，

MgSO₄ 28～35%，

余量为具有水硬活性的矿渣。

2.根据权利要求1所述的油井水泥用膨胀剂，其特征在于：所述矿渣来源于炼钢高炉产生的矿渣。

3.根据权利要求1所述的油井水泥用膨胀剂，其特征在于：所述矿渣主要成分为硅铝酸盐质材料。

4.权利要求1所述的一种油井水泥用膨胀剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将CaO及CaCl₂均匀混合，在1020～1080℃下煅烧60min后冷却至室温，得到混合物1；

（2）将MgO和MgSO₄混合均匀后在1090～1150℃下煅烧90min后冷却至室温，得到混合物2；

（3）将混合物1、混合物2与矿渣混合均匀后研磨至细度220-400目，得到油井水泥膨胀剂。

5.权利要求1所述的一种油井水泥用膨胀剂在固井水泥浆中的应用。