CN110590212B - 一种用于低温固井的油井水泥的外掺料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低温固井的油井水泥外掺料，涉及油气固井材料技术领域。本发明的外掺料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%~30%；硬石膏30%~45%；沸石凝灰岩粉40%~50%；明矾石粉在1200℃温度下煅烧30min，比表面积≥350m²/kg；所述硬石膏粉的比表面积≥300m²/kg；所述沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m²/kg。本发明所提供的掺合料是一种活性矿物外掺料，其本身硬化速度很慢，在与水泥混合后能与水泥中矿物组分反应生成具有胶凝能力的水化产物，显著促进水泥水化反应。同时，生成水泥石体积微膨胀，防止因水泥凝固过程中失水导致的水泥石体积收缩，改善硅酸盐水泥的低温固井质量。

Description

一种用于低温固井的油井水泥的外掺料

技术领域

本发明涉及油气固井材料技术领域，更具体地说涉及一种用于低温固井的油井水泥外掺料。

背景技术

固井是油气井开发过程的重要环节，固井质量的好坏直接关系到油气井的继续钻进以及后续的完井、采油和修井等各项作业的质量。固井作业包括下套管和注水泥两个主要环节，通过注水泥施工，用油井水泥填充套管和井眼之间的环隙，油井水泥凝固后起到隔绝地层流体在层间流动、支撑套管、防止套管壁腐蚀等作用。

固井常用的油井水泥主要是硅酸盐水泥，但随着石油工业的发展，油气资源勘探开发向“深、低、海、非”领域迈进，对固井水泥提出了更高的要求。在浅层油气资源和海洋油气田的开发中普遍面临着低温固井环境难题，目前主要解决方法有使用低温促凝剂、采用超细油井水泥或两者相结合。但多数低温促凝剂会引起水泥石体积收缩、水泥石后期强度衰退，高效的低温促凝剂也会大大增加固井成本。另一方面，硅酸盐水泥在低温时，其主要矿物硅酸三钙、硅酸二钙水化反应极慢，在低温固井环境下硅酸盐水泥将无法满足固井施工要求。

针对低温固井环境，国内有研究人员将低温硬化性能优异的非硅酸盐水泥应用于固井工程领域。如专利CN10197317A公开了一种深水固井用硫铝酸盐水泥浆，采用硫铝酸盐水泥作为固井水泥，加入减轻剂和油井水泥外加剂制得固井水泥浆，在水泥浆密度1.50，3℃温度21MPa条件下养护24h，水泥石抗压强度为4.2MPa；在15℃温度下养护12h，水泥石抗压强度为3.1MPa。专利CN104610948A公开一种深水固井防浅流层磷铝酸盐水泥浆，以磷铝酸盐水泥作为固井水泥，在水泥浆密度为1.80，10℃温度21MPa条件下养护24h，水泥石抗压强度为7.8MPa。

上述现有技术使用非硅酸盐水泥作为固井水泥在低温下也能获得较高的早期强度，实现低温固井施工，但水泥石强度达到3.5MPa的时间较长，难以有效封隔油气水层，且成本较硅酸盐油井水泥大幅度增加。此外，在固井施工时，非硅酸盐水泥如果与硅酸盐水泥混合后，可能会发生闪凝造成固井事故。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种用于低温固井的油井水泥外掺料。本发明的目的在于解决硅酸盐油井水泥在低温下早期强度低、强度发展慢的问题，特提供一种用于低温固井的油井水泥掺合料。本发明所提供的掺合料是一种活性矿物外掺料，其本身硬化速度很慢，在与水泥混合后能与水泥中矿物组分反应生成具有胶凝能力的水化产物，显著促进水泥水化反应。同时，生成水泥石体积微膨胀，防止因水泥凝固过程中失水导致的水泥石体积收缩，改善硅酸盐水泥的低温固井质量。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种用于低温固井的油井水泥外掺料，其特征在于：所述外掺料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%~30%；硬石膏30%~45%；沸石凝灰岩粉40%~50%；

所述煅烧明矾石粉具体是指：明矾石粉在1200℃温度下煅烧30min，待矿物熔融后取出急冷，再将煅烧后的明矾石粉磨至比表面积≥350m²/kg；

所述硬石膏粉的比表面积≥300m²/kg；所述沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m²/kg。

本发明中沸石凝灰岩粉的主要矿物为斜发沸石。

本发明之所以采用煅烧明矾石粉，是因为经过高温煅烧的明矾石急冷后，矿物组分中含有非晶态的铝氧化物，使得煅烧明矾石具有很强的水化活性，与硅酸盐水泥混合能很快反应生成水化硫铝酸钙，提高水泥石的早期强度。

沸石凝灰岩是一种经天然煅烧形成的火山灰质铝硅酸盐矿物，含有活性的二氧化硅和三氧化二铝，能与水泥水化产物氢氧化钙反应，生成胶凝物质。本发明特点的选择比表面积≥310m²/kg的沸石凝灰岩粉，其具有很大的内表面和开放性结构，可以改善油井水泥的流变性。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明与硅酸盐油井水泥配合使用时，通过外掺料中的活性的非晶态的铝氧化物、二氧化硅和三氧化二铝参与水化反应，促进了硅酸盐水泥的低温水化反应，使得硅酸盐水泥在较低的温度下也能获得较高的早期强度。

2、本发明的外掺料沸石凝灰岩具有很大的内表面和开放性结构，可以改善油井水泥的流动度。

3、本发明的掺合料生产工艺简单，原材料价格低、来源广，具有较好的应用价值。

附图说明

图1为G级油井水泥水化产物和G级油井水泥加掺合料水化产物XRD衍射谱图；

图2为G级油井水泥水化产物SEM微观结构图；

图3为G级油井水泥加掺合料水化产物SEM微观结构图。

具体实施方式

以下实施例中所使用的水泥为嘉华特种水泥股份有限公司生产的G级油井水泥，煅烧明矾石、硬石膏和沸石凝灰岩粉由嘉华特种水泥股份有限公司制备。

实施例1

掺合料不同比例对G级油井水泥低温性能的影响如下所示：

低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%、硬石膏35%；沸石凝灰岩粉50%，代号为DZ-1-1；

低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉20%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉50%，代号为DZ-1-2；

低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉25%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉45%，代号为DZ-1-3；

低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉30%、硬石膏20%、沸石凝灰岩粉50%，代号为DZ-1-4；

低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%、硬石膏45%、沸石凝灰岩粉40%，代号为DZ-1-5；

本发明中沸石凝灰岩粉的主要矿物为斜发沸石。

按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准制备水泥浆，水灰比为44%，测定水泥浆的流动度和稠化时间，在不同温度下养护8h后测定水泥石的抗压强度，其中低温掺合料与G级油井水泥的比例为25份低温掺合料和75份G级油井水泥，并与相同养护条件下的G级油井水泥浆的抗压强度进行比较，结果见表1。试验结果表明，在试验温度下，加入低温掺合料的G级油井水泥的抗压强度显著增大，在4℃条件下8h强度就能达到3.5MPa以上，且水泥浆的流动度较纯G级油井水泥浆更好，掺入低温掺合料后水泥浆的稠化时间变短，在实际施工中可以通过缓凝剂进行调节。

对比结果如下表1所示：

表1

实施例2

本申请中低温掺合料中各组分的比表面积对硅酸盐水泥低温抗压强度的影响对比如下：

根据实施例1的试验结果，固定低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉25%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉45%，改变低温掺合料的比表面积，考察低温掺合料比表面积变化对G级油井水泥浆性能和低温强度的影响。

低温早强掺合料成分的比表面积为：煅烧明矾石粉250m²/kg、硬石膏300m²/kg；沸石凝灰岩粉310m²/kg，代号为DZ-2-1；

低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉350m²/kg、硬石膏300m²/kg、沸石凝灰岩粉310m²/kg，代号为DZ-2-2；

低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉400m²/kg、硬石膏300m²/kg、沸石凝灰岩粉360m²/kg，代号为DZ-2-3；

低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉450m²/kg、硬石膏300m²/kg、沸石凝灰岩粉360m²/kg，代号为DZ-2-4；

低温早强掺合料的比表面积为：煅烧明矾石粉350m²/kg、硬石膏350m²/kg、沸石凝灰岩粉400m²/kg，代号为DZ-2-5；

按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准制备水泥浆，水灰比为44%，测定水泥浆的流动度和稠化时间，在不同温度下养护8h后测定水泥石的抗压强度，其中低温掺合料与G级油井水泥的比例为25份低温掺合料和75份G级油井水泥，试验结果见表2。试验结果表明，增大煅烧明矾石的表面积有利于提高掺合料的早强性能，但会降低水泥浆的流动度和稠化时间；增大沸石凝灰岩粉的比表面积对掺合料的早强性能影响不大，对水泥浆流动度有所改善；增大硬石膏的比表面积有利于水泥浆稠化时间的延长。根据试验结果，综合考虑外掺料的低温早强性能和水泥浆的性能，选择煅烧明矾石粉磨至比表面积≥350m²/kg，硬石膏粉的比表面积≥300m²/kg，沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m²/kg。。

对比结果如下表2所示：

表2

实施例3

本申请中低温掺合料不同掺量对硅酸盐水泥低温抗压强度的影响对比如下：

根据实施例1和实施例2的试验结果，固定低温早强掺合料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉25%、硬石膏30%、沸石凝灰岩粉45%，改变低温掺合料的掺量，考察低温掺合料掺量对G级油井水泥低温性能的影响。

按照GB/T 10238-2015《油井水泥》和GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》标准制备水泥浆，水灰比为44%，测定水泥浆的流动度和稠化时间，在不同温度下养护8h后测定水泥石的抗压强度，结果见表2。试验结果表明，随低温掺合料掺量增加，G级油井水泥的低温强度越高，当低温掺合料的掺量达到20%以上，对G级油井水泥的低温抗压强度促进显著，但掺量大于25%以后G级油井水泥的低温强度略有降低。

对比结果如下表3所示

表3

如图1所示，图1是G级油井水泥和样品DZ-1-3水化产物的XRD衍射图谱。对比分析可知，低温外掺料加入G级油井水泥后，其水化产物的衍射峰强度显著增加，表明加入低温外掺料促进G级油井水泥的低温水化反应，水化产物中AFt钙矾石的含量也更高。

图2和图3分别为G级油井水泥和样品DZ-1-3水化产物的SEM微观结构图，由图可知，G级油井水泥水化产物呈絮状和针状，其中还存在较多的未水化的水泥颗粒。针状水化产物是水化硫铝酸钙，但这种形态的水化硫铝酸钙对水泥石强度的增长几乎没有贡献，且水泥石的孔隙度大，因此水泥石的抗压强度低。G级油井水泥掺入低温外掺料后的水化产物的结构致密，且水化产物中水化硫铝酸钙是呈柱状或板状结构，这种形态的水化硫铝酸钙能大幅提高水泥石的强度。

Claims (2)

1.一种用于低温固井的油井水泥外掺料，其特征在于：所述外掺料成分和成分组成为：煅烧明矾石粉15%~30%；硬石膏30%~45%；沸石凝灰岩粉40%~50%；

所述煅烧明矾石粉具体是指：明矾石粉在1200℃温度下煅烧30min，待矿物熔融后取出急冷，再将煅烧后的明矾石粉磨至比表面积≥350m²/kg；

所述硬石膏粉的比表面积≥300m²/kg；所述沸石凝灰岩粉的比表面积≥310m²/kg。

2.如权利要求1所述的一种用于低温固井的油井水泥外掺料，其特征在于：所述沸石凝灰岩粉的主要矿物为斜发沸石。

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