CN113003962A - 一种水泥浆的胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种水泥浆的胶凝材料，其中，以重量计，所述胶凝材料包括以下组分：10份至40份偏高岭土，10份至40份轻质碳酸钙，10份至40份超细粉煤灰，10份至40份沸石粉，2份至8份碱金属硫酸盐。所述热胶凝材料能够降低水泥浆的水化热，并且提高水泥浆浆体的流动性，使水泥浆的稠化时间可调，早期强度高，可满足含水合物的深水表层海上固井施工的需要。

Description

一种水泥浆的胶凝材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及但不限于固井水泥浆领域，尤指一种水泥浆的胶凝材料及其制备方法。
背景技术
针对含水合物地层的深水表层固井作业，常规的水泥浆体系由于水化放热量大，容易使含水合物地层吸热分解，释放出大量气体，严重影响固井质量，甚至引发井喷重大安全风险。因此，含水合物地层固井一般采用低水化热水泥浆。目前，通常采用三种方法来降低水泥浆的水化热：(1)加入有机相变材料，利用相变潜热来吸收水泥水化释放出的热量；但当环境温度变化较大或者水泥水化放热超过相变材料的吸热能力时，将失去原有效果；(2)加入矿渣等低水化热胶凝材料，但这类水泥浆通常早期强度较低、浆体流动性不好，不能满足现场作业要求；(3)使用低热水泥，这使得固井材料变得复杂，增加了现场作业工作量。
总而言之，由于海洋钻井现场条件的限制和固井材料的局限性，目前的低水化热水泥浆还不能满足海上固井的实际作业需求。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本发明的保护范围。
本申请提供了一种低密度水泥浆的低水化热胶凝材料及其制备方法，该低水化热胶凝材料能够降低水泥浆的水化热，并且提高水泥浆浆体的流动性，使水泥浆的稠化时间可调，早期强度高，可满足含水合物的深水表层海上固井施工的需要。
本申请提供了一种低密度水泥浆的低水化热胶凝材料，以重量计，所述胶凝材料包括以下组分：10份至40份偏高岭土，10份至40份轻质碳酸钙，10 份至40份超细粉煤灰，10份至40份沸石粉，2份至8份碱金属硫酸盐。
在本申请提供的一种实施方式中，以重量计，所述胶凝材料包括以下组分： 10份至20份偏高岭土，10份至20份轻质碳酸钙，20份至35份超细粉煤灰， 20份至35份沸石粉，5份至8份碱金属硫酸盐。
在本申请提供的一种实施方式中，所述偏高岭土的粒径为0.1μm至10μm。
在本申请提供的一种实施方式中，所述偏高岭土中的二氧化硅含量≥46％。
在本申请提供的一种实施方式中，所述轻质碳酸钙的粒径为1μm至5μm。
在本申请提供的一种实施方式中，所述轻质碳酸钙的纯度≥98％。
在本申请提供的一种实施方式中，所述超细粉煤灰的粒径为1μm至30μm。
在本申请提供的一种实施方式中，所述超细粉煤灰中的二氧化硅含量≥ 50％。
在本申请提供的一种实施方式中，所述沸石粉的粒径为1μm至20μm。
在本申请提供的一种实施方式中，所述沸石粉中的二氧化硅含量≥65％。
在本申请提供的一种实施方式中，所述碱金属硫酸盐为元明粉，所述元明粉的纯度≥98％。
又一方面，本申请提供了上述胶凝材料的所述制备方法包括：将偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉和碱金属硫酸盐按重量含量混合均匀，得到所述低水化热胶凝材料。
当采用本申请的低水化热胶凝材料配制水泥浆时，水泥浆中的水泥可以采用常规“G”级油井水泥。
本申请的低水化热胶凝材料可根据海上固井现场实际施工需要，用于配制大水灰比、不同水化放热量的水泥浆，并且适用性不受环境温度的限制。对于密度为1.5g/cm3的水泥浆，添加本申请的低水化热胶凝材料后能使其在1天内的水化热降低50％，水化速率峰值降低32％，并且仅通过调节该低水化热胶凝材料的添加量，即可得到水化热可调的水泥浆，同时，浆体流动性好，形成的水泥石的早期强度能够满足钻井作业要求。
此外，本申请的低水化热胶凝材料的配方简单，成本低廉，综合性能优良，使用其配制低水化热水泥浆时，施工方便，该材料作业前可与油井水泥先行干混，放置于灰罐中，适用于液体自动添加系统，降低了固井作业劳动强度，可满足含天然气水合物地层的固井施工尤其是海上固井施工的需要。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请性能测试中实施例1对应的水化放热曲线。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
一种低水化热胶凝材料，以重量计，由以下组分组成：偏高岭土20％、轻质碳酸钙15％、超细粉煤灰30％、沸石粉30％和元明粉5％；
其中，偏高岭土的粒径为0.1μm-10μm，二氧化硅含量为≥46％；
轻质碳酸钙的粒径为1μm-5μm，纯度为≥98％；
超细粉煤灰的粒径为1μm-30μm，二氧化硅含量为≥50％；
沸石粉的粒径为1μm-20μm，二氧化硅含量为≥65％；
元明粉的纯度为≥98％。
将偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉和元明粉按上述重量含量混合均匀，即得到所述低水化热胶凝材料。
实施例2
一种低水化热胶凝材料，以重量计，由以下组分组成：偏高岭土10％、轻质碳酸钙10％、超细粉煤灰40％、沸石粉35％和元明粉5％；
其中，偏高岭土的粒径为0.1μm-10μm，二氧化硅含量为≥46％；
轻质碳酸钙的粒径为1μm-5μm，纯度为≥98％；
超细粉煤灰的粒径为1μm-30μm，二氧化硅含量为≥50％；
沸石粉的粒径为1μm-20μm，二氧化硅含量为≥65％；
元明粉的纯度为≥98％。
将偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉和元明粉按上述重量含量混合均匀，即得到所述低水化热胶凝材料。
实施例3
一种低水化热胶凝材料，以重量计，由以下组分组成：偏高岭土40％、轻质碳酸钙35％、超细粉煤灰10％、沸石粉13％和元明粉2％；
其中，偏高岭土的粒径为0.1μm-10μm，二氧化硅含量为≥46％；
轻质碳酸钙的粒径为1μm-5μm，纯度为≥98％；
超细粉煤灰的粒径为1μm-30μm，二氧化硅含量为≥50％；
沸石粉的粒径为1μm-20μm，二氧化硅含量为≥65％；
元明粉的纯度为≥98％。
将偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉和元明粉按上述重量含量混合均匀，即得到所述低水化热胶凝材料。
对比例1-11组分如下，各原料与实施例1中的原料相同。
表1
水泥浆配方 偏高岭土 轻质碳酸钙 超细粉煤灰 沸石粉 元明粉
对比例1 - 15 40 40 5
对比例2 20 20 30 30 -
对比例3 40 25 - 30 5
对比例4 40 20 40 - -
对比例5 - - 50 40 10
对比例6 50 40 - - 10
对比例7 - - - 90 10
对比例8 - 90 - - 10
对比例9 100 - - - -
对比例10 - 100 - - -
对比例11 - - - 100 -
性能测试
采用上述实施例和对比例的胶凝材料配制固井水泥浆，固井水泥浆的配方为：G级油井水泥100重量份、实施例1-3、对比例1-11中的材料20重量份、悬浮剂10重量份、调凝剂4重量份、降失水剂6重量份、消泡剂0.5重量份和人工海水107重量份，按照GB/T19139-2012油井水泥试验方法配制水泥浆。并测试上述水泥浆的早期强度、水化热；
所述G级油井水泥为山东中昌油井水泥，悬浮剂为碱性硅溶胶，粒径为 8nm至20nm，购自中海油服化学有限公司，C-P81L；促凝剂为中海油服化学有限公司生产的C-A95L，缓凝剂为中海油服化学有限公司生产的C-R21L，降失水剂选自中海油服化学有限公司生产的C-FL86L，消泡剂为中海油服化学有限公司生产的C-DF60L。
测试结果如下：
表1
Figure BDA0003020271320000061
与实施例相比，对比例1、5、7由偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉和元明粉中两种、三种或四种材料组合，水泥石抗压强度低于五种组分形成的配方，且水化热相差不大，这是由于偏高岭土、轻质碳酸钙等材料对提高水泥浆体系活性有协同增效作用；对比例2、4中抗压强度低，这是由于实施例中的元明粉对胶凝材料有激发作用，能够激发偏高岭土、超细粉煤灰和沸石粉的活性，从而提高水泥石抗压强度；对比例3、6、8虽然水泥石强度较高，但是水化热显著增大，这是由于含量较高的偏高岭土具有较高活性，虽然有利于提高水泥石抗压强度，但是水化热也相应提高，而超细粉煤灰和沸石粉在降低水化热方面的作用无法完全体现；对比例9-11中，仅单一胶凝材料组分无法获得较高的抗压强度。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种水泥浆的胶凝材料，其中，以重量计，所述胶凝材料包括以下组分：10份至40份偏高岭土，10份至40份轻质碳酸钙，10份至40份超细粉煤灰，10份至40份沸石粉，2份至8份碱金属硫酸盐。
2.根据权利要求1所述的胶凝材料，其中，以重量计，所述胶凝材料包括以下组分：10份至20份偏高岭土，10份至20份轻质碳酸钙，20份至35份超细粉煤灰，20份至35份沸石粉，5份至8份碱金属硫酸盐。
3.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述偏高岭土的粒径为0.1μm至10μm。
4.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述偏高岭土中的二氧化硅含量≥46％。
5.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述轻质碳酸钙的粒径为1μm至5μm。
6.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述超细粉煤灰的粒径为1μm至30μm。
7.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述超细粉煤灰中的二氧化硅含量≥50％。
8.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述沸石粉的粒径为1μm至20μm。
9.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其中，所述沸石粉中的二氧化硅含量≥65％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的胶凝材料的制备方法，其中，所述制备方法包括：将偏高岭土、轻质碳酸钙、超细粉煤灰、沸石粉和碱金属硫酸盐按重量含量混合均匀，得到所述低水化热胶凝材料。
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