CN112408881A - 适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及其制备方法 - Google Patents

适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及其制备方法，其制备方法包括：1、利用水泥净浆搅拌机对原材料进行低速干燥搅拌；2、继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加自来水；3、将原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速、停止、高速进行搅拌；4、将配制好的浆液注入立方体三联试模中进行养护；5、将其置于热水中浸泡，形成高透水多孔水泥基材料。本发明针对我国广大的中低温地热资源，利用开发过程中的温度变化规律，在有效堵漏及保证孔壁稳定的同时，钻井结束后形成多孔材料，减少了酸化解堵措施的时间成本或破碎后水泥块沉积井底引发事故的风险，从而在一定程度上有益于我国地热能的发展。

Description

适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及其制 备方法
技术领域
本发明属于适用于中低温地热井条件下(温度为90～150℃)的暂堵型多孔水泥材料的技术领域，尤其涉及基于温敏聚合物的适用于中低温地热井的自降解多孔水泥基材料及其制备方法。
背景技术
地热资源按温度进行划分：温度高于150℃的高温地热、温度在90～150℃之间的中温地热、温度在25～90℃之间的低温地热。而我国是以中低温为主的地热资源大国，全国地热资源潜力接近全球的8％。世界能源署的评估报告数据显示，世界范围内，与太阳能相比，地热能的发展明显滞后。主要是由于与其他可再生能源，特别是太阳能相比，地热能所需专业技术难以解决的难题。对于地热来说，前期开发风险(例如，资源可靠性的探测)仍然较高，且在过去的十年里钻探成本持续增加，导致了较高的投资成本。
钻井是地热勘探及最终开发利用的唯一手段。钻井过程成本昂贵又必不可少。而为获得较好的水源补给，地热井一般布置在构造带或者是地层破碎带上，使得钻进施工出现地层漏失、坍塌和井壁失稳等复杂情况。钻进过程中漏失造成材料浪费和非钻进时间成本增加以及井内事故频发，因此必须进行堵漏。针对地热井钻探中，特别是地热储层容易出现大裂缝甚至是溶洞的地层，钻井液无法建立循环，应采用水泥浆堵漏。水泥作为常用的固井和堵漏材料，封堵破碎地层时相对钻井液堵漏材料经济成本更低，且效果明显，方便快捷，是钻井工程中常用的，行之有效的堵漏方法。
然而，在钻井完毕后，为增加地热产能，需要恢复储层的渗透率及产出通道。因此，要求封堵地层的水泥同时具备两种性质，既可以在钻井过程中强度较高、渗透率较低起到护壁堵漏作用，完钻后又可降解为地热流体的产出提供通道。常规水泥在对地层封堵后需要恢复储层渗透性时，只能通过采取酸化解堵措施，且解堵恢复的能力差。目前已经研制的自降解水泥，目前存在的问题主要有：
(1)主要针对储层温度在200～300℃的高温地热井，而我国则是以中低温为主的地热资源大国，因此必须要研制适用于中低温地热资源开发过程的暂堵水泥；
(2)已有的技术中未对降解后水泥的破碎情况进行过深入研究，破碎及粉状的水泥很可能会进入储层造成堵塞，对储层的渗透率造成不可逆转的损害；
(3)水泥完全破碎降解后易发生二次水化影响排除过程，且水泥密度较大，水泥块容易沉积在钻头附近造成卡钻事故。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明公开了一种适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及其制备方法，根据地热井温度在开发过程中的变化规律，利用温敏聚合物随温度发生的性质变化，在有效封堵保证钻进后，无需酸化解堵操作，水泥材料在钻井结束后地层温度升高时自降解内部产生通道。该材料主要针对我国普遍存在的中低温地热能开发项目，最终，通过简化地热资源的勘探开发过程，有利于降低钻井成本和风险。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥70-97％、粉煤灰漂珠0-20％、聚乙烯醇(PVA)纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
进一步地，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥70％、粉煤灰漂珠20％、PVA纤维/颗粒10％、水灰比W/C为0.5。
进一步地，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥80％、粉煤灰漂珠0-20％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
进一步地，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥90％、粉煤灰漂珠0-10％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
进一步地，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥97％、粉煤灰漂珠0-3％、PVA纤维/颗粒0-3％、水灰比W/C为0.5。
本发明提供的另一种技术方案是：上述适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对原材料进行低速干燥搅拌，其中，所述原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，继续保持搅拌机在低速搅拌下进行，打开秒表开始计时；
步骤3：所述原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速、停止、高速搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将所述浆液注入立方体三联试模中进行养护；
步骤5：将所述浆液在经过常温养护几天后，置于热水中浸泡，形成高透水多孔水泥基材料。
进一步地，原材料在与水进行拌和前，首先利用步骤1中的水泥净浆搅拌机对所述原材料进行低速干燥搅拌不少于3min，以保证聚合物、水泥和漂珠的充分混合。
进一步地，所述步骤3中，搅拌的低速时间为120s、停止时间为15s、高速时间为120s。
进一步地，所述步骤4中的立方体三联试模的尺寸为：50mm×50mm×50mm。
进一步地，所述步骤5具体为：将浆液在经过常温养护3天后，再在90℃以上的热水中浸泡24h，以形成高透水多孔水泥基材料。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及制备方法，在钻进过程中的相对低温(60℃左右)保持高强度、致密、低渗透性，保证对地层的有效封堵，而在钻井结束后井筒温度升高(90-150℃)时，PVA颗粒或纤维降溶解，在材料内部形成相互连通的孔洞，为地热流体(包括水或蒸汽)的产出提供通道。
2、本发明的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，在钻井结束后的相对高温下(90-150℃)，发生降解后，水泥材料在内部形成相互连通的孔洞，但骨架保持原状继续保护孔壁、防止坍塌，避免增加酸化措施的时间成本或破碎后水泥块沉积引发井内事故的风险。
3、本发明适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料及制备方法，将漂珠加入到原材料中，一方面使得水泥浆的密度减轻，另一方面漂珠可优化水泥浆的流变性，在降低密度的同时提高浆液的可泵性；PVA密度较低，添加至材料中也有降低密度的作用。
附图说明
图1为材料封堵及解堵过程示意图；
图2为材料的抗压强度示意图；
图3为材料的孔径分布曲线；
图4为材料的累计孔隙体积曲线；
图5为试样的渗透率值；
图6为试样粉末的傅里叶红外吸收光谱图；
图7为材料在高温降解前后的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥70-97％、粉煤灰漂珠0-20％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
上述适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对原材料进行低速干燥搅拌，其中，所述原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，添加完毕后继续保持搅拌机在低速搅拌下进行，并打开秒表开始计时；
步骤3：所述原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速、停止、高速搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将所述浆液注入立方体三联试模中进行养护；
步骤5：将所述浆液在经过常温养护几天后，置于热水中浸泡，形成高透水多孔水泥基材料。
实施例1
适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥70％、粉煤灰漂珠20％、PVA纤维/颗粒10％、水灰比W/C为0.5。
基于上述的暂堵型高透水多孔水泥基材料，现提出适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对所有原材料进行低速干燥搅拌，原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维，搅拌时长不低于3min，保证所有原材料干燥条件下混合均匀；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加普通自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，继续保持搅拌机处于低速搅拌，打开秒表开始计时；
步骤3：所有原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速120s、停止15s、高速120s搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将浆液注入50mm×50mm×50mm的标准立方体三联试模中进行养护；
步骤5：浆液在经过常温养护3天后，再90℃以上的热水中浸泡24h，形成高透水多孔水泥基材料。
实施例2
适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥80％、粉煤灰漂珠0-20％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
适用于中低温地热井的暂堵型多孔水泥的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对所有原材料进行低速干燥搅拌，原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维，搅拌时长不低于3min，保证所有原材料干燥条件下混合均匀；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加普通自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，继续保持搅拌机处于低速搅拌，并打开秒表开始计时；
步骤3：所有原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速120s、停止15s、高速120s搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将浆液注入50mm×50mm×50mm的标准立方体三联试模中进行养护；
步骤5：浆液在经过常温养护3天后，再90℃以上的热水中浸泡24h，形成高透水多孔水泥基材料。
实施例3
适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥90％、粉煤灰漂珠0-10％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
适用于中低温地热井的暂堵型多孔水泥的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对所有原材料进行低速干燥搅拌，原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维，搅拌时长不低于3min，保证所有原材料干燥条件下混合均匀；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加普通自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，继续保持搅拌机处于低速搅拌，并打开秒表开始计时；
步骤3：所有原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速120s、停止15s、高速120s搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将浆液注入50mm×50mm×50mm的标准立方体三联试模中进行养护；
步骤5：浆液在经过常温养护3天后，再90℃以上的热水中浸泡24h，形成高透水多孔水泥基材料。
实施例4
适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥97％、粉煤灰漂珠0-3％、PVA纤维/颗粒0-3％、水灰比W/C为0.5。
适用于中低温地热井的暂堵型多孔水泥的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对所有原材料进行低速干燥搅拌，原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维，搅拌时长不低于3min，保证所有原材料干燥条件下混合均匀；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加普通自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，继续保持搅拌机处于低速搅拌，并打开秒表开始计时；
步骤3：所有原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速120s、停止15s、高速120s搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将浆液注入50mm×50mm×50mm的标准立方体三联试模中进行养护；
步骤5：浆液在经过常温养护3天后，再90℃以上的热水中浸泡24h，形成高透水多孔水泥基材料。
表1配料表示例及浆液密度
Figure BDA0002790554730000091
表1为实施例中部分配方配料表的示例及其浆液密度。298.15K左右的室温下，以上实施例的水泥浆的密度区间在1.22-1.84g/cm3之间，其中密度最大的是水灰比为0.5的油井水泥净浆，其密度为1.84g/cm3。浆液密度随加入漂珠的百分数增加而降低，加入PVA纤维后，其密度进一步降低。浆液密度的降低，将有利于降低在封堵破碎的漏失地层时，漏失地层受浆液的液柱压力作用而破裂的风险。
图2显示为不同原材料配比下经过三天常温养护(3d)后，以及90℃热水浸泡24h(90)水泥材料的抗压强度。其中油井水泥G0 0 3d的强度最高为20.29MPa，其次为G10 03d、G10 3 3d，最后是G20 0 3d。从数据上显示，抗压强度随漂珠含量的增加而下降，而在加入3％PVA后，其强度下降幅度并不大。整体来说，配方的强度均大于6.5MPa。另外，在经过90℃热水浸泡24h后，G10 3 90的抗压强度相对于常温养护3天后的增加了11.41％，为8.54MPa。
附图3中所示为G0 0 3d、G10 3 3d及G10 3 90三种试样的压汞测试结果中孔径分布曲线，结果表明：G0 0 3d中孔径分布的在1000nm左右出现高度突出的单峰；而添加漂珠和纤维后，相同养护条件下G10 3 3d的峰变为高度接近的两峰，位置分别在67nm和697nm左右，同时在5-67nm之间孔径分布增大，并且在超过2000nm范围内的孔径分布与G0 0 3d接近；进一步地，在G10 3 3d经过90℃水浸泡后，超过1000nm的大孔明显高于G0 0 3d以及G103 3d。以上结果表明，漂珠和纤维的加入加入水泥后，使其孔径分布更加细化；而经过90℃热水浸泡后，材料的大孔范围内的分布明显增多。
图4与图3对应，为试样累计孔隙体积曲线，G0 0 3d、G10 3 3d和G10 3 90的累计体积分别为0.3631mL/g，0.3363mL/g和0.3862mL/g。对比G10 3 3d和G10 3 90，可以得出，经过90℃热水浸泡后，配方G10 3的孔隙度增加。
图5为试样在不同阶段下测得的渗透率值，结果显示：G0 0 3d的渗透率只有0.7708mD，G10 3 3d为16.8823mD，G10 3 90有大幅度提高为225.8566mD；参考累计孔隙体积，经过90℃热水浸泡后，G10 3试样的孔体积增大，渗透率增大，说明PVA纤维在热水中溶解后从水泥中溶出，从而使得材料内部孔隙增多，且纤维直径与长度比值较大，对水泥基体中的独立气泡有连通作用，因此，渗透率有较大提高。说明了利用高温下水溶的PVA，可以实现适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的配制。
图6为试样粉末的傅里叶红外吸收光谱图。图中显示，-OH在G10 3d时的吸收峰最大，位置在3440，而在经过高温90℃水浸泡后-OH减少。而PVA中含有大量的-OH，说明了在经过高温90℃水浸泡后PVA的溶出。图7为材料在高温降解前后扫描电镜图，图a中显示常温下聚合物纤维在水泥中稳定存在，而图b中显示，经过高温水浸泡后，原本纤维所占据的位置已变为空洞，实现了多孔材料的形成。结合图2至图7，得出：PVA纤维在90℃的水中溶解，随之而来的是水泥基材料孔隙体积的增加、渗透率的升高，但其抗压强度并未降低。
本发明相对于现有技术要解决的技术问题是：
已有材料主要针对储层温度在200～300℃的高温地热井，本发明中的材料面向的是我国普遍利用的广大中低温地热资源(90-150℃)；
已有材料形成的是在井筒温度升高后降解后发生破碎排出的暂堵水泥，破碎及粉状的水泥很可能会进入储层造成堵塞，对储层的渗透率造成不可逆转的损害，而本发明中的材料发生降解后，水泥材料在内部形成相互连通的孔洞，但骨架保持原状继续保护孔壁、防止坍塌，避免增加酸化措施的时间成本或破碎后水泥块沉积井底引发井内事故的风险。
本发明中将漂珠加入到原材料中，一方面使得水泥浆的密度减轻，另一方面漂珠可优化水泥浆的流变性，在降低密度的同时提高浆液的可泵性；而PVA密度较低，可进一步降低浆体的密度作用，以防较高的水泥密度破坏地层。
原有的发明中向水泥中加入发泡剂降低密度的方法，会带来较大的强度降低，而本发明中材料3天常温养护后的抗压强度均在6.5MPa以上。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，其特征在于，包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥70-97％、粉煤灰漂珠0-20％、聚乙烯醇(PVA)纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
2.根据权利要求1所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，其特征在于，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥70％、粉煤灰漂珠20％、PVA纤维/颗粒10％、水灰比W/C为0.5。
3.根据权利要求1所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，其特征在于，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥80％、粉煤灰漂珠0-20％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
4.根据权利要求1所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，其特征在于，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥90％、粉煤灰漂珠0-10％、PVA纤维/颗粒0-10％、水灰比W/C为0.5。
5.根据权利要求1所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料，其特征在于，所述暂堵型高透水多孔水泥基材料包括如下质量百分比的原料配方：油井水泥97％、粉煤灰漂珠0-3％、PVA纤维/颗粒0-3％、水灰比W/C为0.5。
6.适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用水泥净浆搅拌机对原材料进行低速干燥搅拌，其中，所述原材料包含油井水泥、漂珠、PVA纤维；
步骤2：继续打开装有混合均匀后原材料的水泥净浆搅拌机，向其中添加自来水，按水灰比W/C为0.5进行添加，添加完毕后，继续保持搅拌机在低速搅拌下进行，打开秒表开始计时；
步骤3：所述原材料和水经过水泥净浆搅拌机在低速、停止、高速搅拌后，暂堵型高透水多孔水泥基材料的浆液材料准备完毕；
步骤4：配浆完毕后，将所述浆液注入立方体三联试模中进行养护；
步骤5：将所述浆液在经过常温养护几天后，置于热水中浸泡，形成高透水多孔水泥基材料。
7.根据权利要求6所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述原材料在与水进行拌和前，首先利用步骤1中的水泥净浆搅拌机对所述原材料进行低速干燥搅拌不少于3min，以保证聚合物、水泥和漂珠的充分混合。
8.根据权利要求6所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，搅拌的低速时间为120s、停止时间为15s、高速时间为120s。
9.根据权利要求6所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的立方体三联试模的尺寸为：50mm×50mm×50mm。
10.根据权利要求6所述的适用于中低温地热井的暂堵型高透水多孔水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5具体为：将浆液在经过常温养护3天后，再在90℃以上的热水中浸泡24h，以形成高透水多孔水泥基材料。
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