CN110092597A - 一种地聚物材料、适配缓凝剂及制备的耐高温固井水泥浆 - Google Patents

一种地聚物材料、适配缓凝剂及制备的耐高温固井水泥浆 Download PDF

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Abstract

本发明属于油田固井材料技术领域，具体涉及一种地聚物材料，适配的耐高温缓凝剂，以及由所述地聚物材料和缓凝剂制备的耐高温油田固井水泥浆。本发明所述地聚物材料，以粉煤灰、钾长石粉、硅酸钠和氢氧化钠为原料，为固井水泥浆的强度性能提供保障；本发明所述耐高温缓凝剂，以磷酸二氢钾、硼砂和氯化钙为原料，所述缓凝剂可以为固井水泥浆提供较好的耐高温性能。本发明所述耐高温固井水泥浆，以所述地聚物材料和耐高温缓凝剂为原料，所述固井水泥浆在220℃条件下的稠化时间达2h30min以上，且其1天养护强度高达25MPa，不仅满足了较高温度固井工程对水泥浆的要求，且性能明显优于现有地聚物固井水泥浆产品。

Description

一种地聚物材料、适配缓凝剂及制备的耐高温固井水泥浆
技术领域
本发明属于油田固井材料技术领域，具体涉及一种地聚物材料，以及适配的耐高温缓凝剂，并进一步公开由所述地聚物材料和缓凝剂制备的耐高温油田固井水泥浆。
背景技术
地聚合物的概念是在1978年由法国人Davidovits提出的，它是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，属无定形到半晶态，属于非金属材料。地聚物材料具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。
在钻探工程中，固井程序即保证了后续钻井的安全高效施工，也是保证生产井长期安全稳定的关键。鉴于地聚物具有耐高温、强度高、胶结好、密度低、收缩率低、耐腐蚀、持久性好、环保、成本低等优点，目前已逐步开发出基于地质聚合物形成的固井水泥浆，可以满足固井工程的需求。
如中国专利CN105778875A公开了一种地聚物油井水泥，所述地聚物油井水泥的组分为：40-70％偏高岭土+5-20％粉煤灰+5-15％生石灰+3-15％氢氧化纳+2-8％硅酸铀+2-10％烧石膏。该地聚物水泥浆在200℃条件下养护1天后，其抗压强度达到55MPa。又如中国专利CN102153996A公开了一种油气藏固井用偏高岭土基地质聚合物及其膨胀剂，所述地聚物组分为包括60-90％偏高岭土+10-40％工业废渣粉(矿渣粉、粉煤灰和磷渣粉)+2-8％膨胀剂，其膨胀剂组分为20-70％碱土金属氧化物(氧化钙或氧化镁)或碱土金属盐(氯化钙、氯化镁或硝酸钡)+30-80％种无机质铝酸盐(铝酸钠、铝酸钙或硫酸铝钾)。该地质聚合物水泥浆体系在80℃条件下养护3天的抗压强度为45.7MPa，但整个体系的耐温性较低。又如中国石油大学(华东)的刘洋在其硕士学位论文《偏高岭土基地质聚合物在高温固井中应用的可行性研究》中提出，地聚物组分为39％偏高岭土+13％矿渣+13％粉煤灰+32％硅酸钠+3％氢氧化钠，在75℃条件下养护1天后，放入200℃条件下养护1天，其抗压强度可达到39.2MPa，能够满足固井强度要求；但其初凝时间为20min、终凝时间为27min，无法满足稠化时间要求；即便加入5％氯化钡作为缓凝剂，使其初凝时间提高至72min，终凝时间提高至250min，但其75℃养护1天的强度仅为抗压6MPa，对其强度性能产生严重影响。又如中国专利CN101323778A公开了一种油田固井用偏高岭土-矿渣基地质聚合物及其高温缓凝剂，所述地聚物组分为50-90％偏高岭土+10-50％高炉矿渣+3-10％高温缓凝剂，所述高温缓凝剂组分为80-90％碱土金属盐(氯化镁、氯化钙、氯化钡、硝酸钙或硝酸钡)+10-20％无机质硫酸盐(硫酸锌、硫酸钙、硫酸铝钾或硫酸铝钠)复配，该方案在高碱条件下能有效控制偏高岭土-矿渣基地聚物的凝结速率，且在80℃下稠化时间达5小时以上，但是该体系于80℃的耐温性低。
可见，现有技术中基于地质聚合物形成的固井水泥浆，在凝结性能和强度方面均取得了较好的性能优势，但在耐高温性能方面则依然存在着较大的欠缺，尤其无法满足高温深井(＞200℃)、干热岩地热井(＞200℃)、油页岩原位加热井(＞760℃)或火烧油层井(＞650℃)等高温环境下的固井性能需要。因此，开发一种耐高温性能佳的油田固井水泥浆对于高温深井钻探具有积极的意义。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种地聚物材料以及适配的耐高温缓凝剂，并进一步公开其制备方法；
本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种耐高温地聚物油田固井水泥浆，以解决现有技术中地聚物水泥浆耐高温性能较差导致无法满足高温条件下固井工程要求及固井水泥浆测试标准的问题。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种地聚物材料，包括如下质量含量的原料组分：
粉煤灰65-75wt％；
钾长石粉15-20wt％；
硅酸钠5-15wt％；
氢氧化钠5-10wt％。
具体的，所述的地聚物材料：
所述粉煤灰为低钙粉煤灰，所述粉煤灰的粒径为150-200目；
所述钾长石粉的粒径为300-350目。
本发明还公开了一种制备所述地聚物材料的方法，包括取选定量的所述粉煤灰、钾长石粉、硅酸钠和氢氧化钠进行混合的步骤。
本发明还公开了所述地聚物材料用于制备耐高温油田固井水泥浆的用途。
本发明还公开了一种与所述地聚物材料的适配缓凝剂，包括如下质量含量的原料组分：
磷酸二氢钾30-40wt％；
硼砂30-50wt％；
氯化钙20-30wt％。
本发明还公开了一种制备所述适配缓凝剂的方法，包括取选定量的所述磷酸二氢钾、硼砂和氯化钙进行混合的步骤。
本发明还公开了所述的适配缓凝剂用于制备耐高温油田固井水泥浆的用途。
本发明还公开了一种耐高温油田固井水泥浆，包括所述的地聚物材料、所述的适配缓凝剂和水；
所述地聚物材料与所述缓凝剂的质量比为80-95：5-20。
进一步的，所述的耐高温油田固井水泥浆，控制所述水泥浆的水固比为0.4-0.6。
本发明还公开了一种制备所述耐高温油田固井水泥浆的方法，包括取选定量的所述地聚物材料、缓凝剂和水进行混合的步骤。
本发明所述地聚物材料，以粉煤灰、钾长石粉、硅酸钠和氢氧化钠为原料，所得地聚物材料强度性能较好，为固井水泥浆的强度性能提供保障。本发明所述耐高温缓凝剂，以磷酸二氢钾、硼砂和氯化钙为原料，所述缓凝剂可以为固井水泥浆提供较好的耐高温性能，且所述缓凝剂对地聚物的抗压强度不会产生负面影响，有助于将地聚物的使用范围扩展到了较高温度的固井工程领域。
本发明所述耐高温固井水泥浆，以所述地聚物材料和耐高温缓凝剂为原料，所述固井水泥浆在220℃条件下的稠化时间达2h30min以上，且其1天养护强度高达25MPa，不仅满足了较高温度固井工程对水泥浆的要求，且性能明显优于现有地聚物固井水泥浆产品。本发明所述地聚物固井水泥浆不仅制备方法简单，且原料来源广泛，成本低于传统的油井水泥浆体系，具有较好的工业应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为本发明实施例3中制得水泥浆的220℃稠化曲线(2h54min)。
具体实施方式
本发明下述实施例中：
所述低钙粉煤灰，采用市售三级低钙粉煤灰，180目；
所述钾长石粉，采用市售钾长石粉，325目；
所述氢氧化钠，采用市售工业级片状氢氧化钠，纯度为99％；
所述硅酸钠，采用市售工业级水玻璃，模数为2.0；
所述磷酸二氢钾，采用市售工业级磷酸二氢钾，纯度为98％；
所述硼砂，采用市售工业级硼砂，纯度为98％；
所述氯化钙，采用市售粉末状氯化钙，纯度为94％。
实施例1
本实施例所述耐高温油田固井水泥浆，包括地聚物材料、适配的耐高温缓凝剂和水；其中，
所述地聚物材料包括如下组分：低钙粉煤灰500g、钾长石粉116g、硅酸钠116g、以及氢氧化钠39g；
所述耐高温缓凝剂包括如下组分：磷酸二氢钾57g、硼砂96g、氯化钙38g；
所述耐高温油田固井水泥浆中，控制水固比为0.6。
实施例2
本实施例所述耐高温油田固井水泥浆，包括地聚物材料、适配的耐高温缓凝剂和水；其中，
所述地聚物材料包括如下组分：低钙粉煤灰500g、钾长石粉100g、硅酸钠33g、以及氢氧化钠33g；
所述耐高温缓凝剂包括如下组分：磷酸二氢钾14g、硼砂11g、氯化钙10g；
所述耐高温油田固井水泥浆中，控制水固比为0.5。
实施例3
本实施例所述耐高温油田固井水泥浆，包括地聚物材料、适配的耐高温缓凝剂和水；其中，
所述地聚物材料包括如下组分：低钙粉煤灰500g、钾长石粉107g、硅酸钠36g、以及氢氧化钠71g；
所述耐高温缓凝剂包括如下组分：磷酸二氢钾44g、硼砂50g、氯化钙32g；
所述耐高温油田固井水泥浆中，控制水固比为0.5。
本实施例所述地聚物固井水泥浆体系的220℃稠化曲线如附图1所示，可见，该水泥浆体系的稠化时间约为2h54min，具有较好的性能。
实施例4
本实施例所述耐高温油田固井水泥浆，包括地聚物材料、适配的耐高温缓凝剂和水；其中，
所述地聚物材料包括如下组分：低钙粉煤灰500g、钾长石粉142g、硅酸钠36g、以及氢氧化钠36g；
所述耐高温缓凝剂包括如下组分：磷酸二氢钾28g、硼砂28g、氯化钙24g；
所述耐高温油田固井水泥浆中，控制水固比为0.4。
实验例
分别对本发明上述实施例1-4中制备的水泥浆进行相应性能测试，具体测试结果如下表1所示。
表1实施案例性能测试结果
从上表1中数据可以看出，本发明所述地聚物固井水泥浆体系在220℃的养护条件下，其抗压强度和稠化时间均满足固井需求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种地聚物材料，其特征在于，包括如下质量含量的原料组分：
粉煤灰65-75wt％；
钾长石粉15-20wt％；
硅酸钠5-15wt％；
氢氧化钠5-10wt％。
2.根据权利要求1所述的地聚物材料，其特征在于：
所述粉煤灰为低钙粉煤灰，所述粉煤灰的粒径为150-200目；
所述钾长石粉的粒径为300-350目。
3.一种制备根据权利要求1或2所述地聚物材料的方法，其特征在于，包括取选定量的所述粉煤灰、钾长石粉、硅酸钠和氢氧化钠进行混合的步骤。
4.权利要求1或2所述地聚物材料用于制备耐高温油田固井水泥浆的用途。
5.一种权利要求1或2所述地聚物材料的适配缓凝剂，其特征在于，包括如下质量含量的原料组分：
磷酸二氢钾30-40wt％；
硼砂30-50wt％；
氯化钙20-30wt％。
6.一种制备权利要求5所述适配缓凝剂的方法，其特征在于，包括取选定量的所述磷酸二氢钾、硼砂和氯化钙进行混合的步骤。
7.根据权利要求5所述的适配缓凝剂用于制备耐高温油田固井水泥浆的用途。
8.一种耐高温油田固井水泥浆，其特征在于，包括权利要求1或2所述的地聚物材料、权利要求5所述的适配缓凝剂和水；
所述地聚物材料与所述缓凝剂的质量比为80-95：5-20。
9.根据权利要求8所述的耐高温油田固井水泥浆，其特征在于，控制所述水泥浆的水固比为0.4-0.6。
10.一种制备权利要求8或9所述耐高温油田固井水泥浆的方法，其特征在于，包括取选定量的所述地聚物材料、缓凝剂和水进行混合的步骤。
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