CN114230216B - 一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用 - Google Patents

Abstract

一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用。属于油田固井水泥添加剂技术领域，尤其涉及一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用。本发明所制得的钢渣基油井水泥膨胀剂具有较大的限制膨胀率、较高的抗压强度。与现有技术相比，本发明所述的钢渣基油井水泥膨胀剂高效合理利用了固体废弃物钢渣，通过氢氧化镁的稳定性增大了膨胀剂在油井水泥中的膨胀效能，大大地减少了硬化水泥石的微间隙和油气资源的浪费。同时实现了将钢渣中氧化镁变废为宝，降低了产品生产成本，提高了产品的市场竞争力。

Description

一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用

技术领域

本发明属于油田固井水泥添加剂技术领域，尤其涉及一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用。

背景技术

在固井过程中油井水泥浆的水灰比大，固井环境恶劣，一般处于高温（38-200℃）、高压状态，这使得油井水泥浆的收缩非常严重。收缩会导致硬化水泥石产生比较大的微间隙，高压油气流体就会通过微间隙窜入低压区，使得油气资源损失甚至可能会导致固井失败。采用油井水泥膨胀剂是解决水泥浆体收缩的有效方法之一，开发节能、低碳、环保的油井水泥膨胀剂对提高固井质量有重要的意义。

现有的膨胀剂可分为晶体类膨胀剂和发气类膨胀剂。

发气类膨胀剂主要依靠碱活性金属粉末与水泥浆中的碱溶液反应产生的气体作为膨胀源，主要适用于低压浅井，其适用温度一般在75℃以下。

晶体类膨胀剂主要的膨胀源是晶体材料重结晶或晶型转变时产生的结晶膨胀压。晶体类膨胀剂主要通过生成钙钒石、氢氧化钙、氢氧化镁，补偿水泥硬化时发生的体积收缩并在一定程度上改善水泥石结构。其中钙钒石及氢氧化钙在井内压力水作用下溶解度较大、稳定性较差（温度大于70℃钙钒石会发生分解）。

我国是世界上最大的钢铁制造国，每生产1吨钢铁，就会产生0.15-0.2吨钢渣。据统计，我国每年生产8000万吨钢渣。钢渣的有效回收率仅占钢渣总量的30%，在国际上处于比较落后的地位。较低的钢渣回收利用导致了钢渣的排放量和堆积量日益增多，极不利于钢铁企业的生产和发展，同时还占用了大量耕地，减少了我国耕地面积，处理不当还会影响附近生态环境。拓展新型的的钢渣应用途径，对于国家的固废资源化利用、实现“双碳”目标的战略理念，具有非常重要的意义。钢渣是炼钢过程中产生的固态废弃物，是一种具有活性的建筑材料。钢渣的化学成分主要有CaO、Fe₂O₃、SiO₂、MgO、Al₂O₃，具有一定的硅酸三钙和活性矿物铝酸钙含量。钢渣中的游离氧化钙和氧化镁与水反应可以使体积膨胀，合理控制钢渣的膨胀率和膨胀周期可用于制备油井水泥膨胀剂。

现有技术如“CN1322689A，钢渣水泥膨胀剂及其膨胀水泥”出于利用钢渣、节约水泥用量、降低成本、废物利用的目的，提供了一种钢渣水泥膨胀剂，其基础技术方案是调整钢渣的细度（或比表面积）就直接进行利用，将比表面积粉磨至300~450m²/Kg。应该说，实现了废物利用，大幅度降低了成本。但是该种技术手段形成的膨胀剂用于固井作业场合时，由于单一生成的Ca（OH）₂无法全时全方位地作用于油井水泥全生命周期，并且其性能无法满足高温下的固井环境，所以钢渣膨胀剂仍难以适应固井作业的需求。

因此，在现有技术基础上，如何优化、调配出以钢渣为主料的膨胀剂，用以改善油井水泥全周期的膨胀强度，具有极大的现实意义。

发明内容

为了合理利用钢渣固体废弃物，解决目前油井水泥收缩带来的安全以及环保问题，本发明提供一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用，所提供的油井水泥膨胀剂能够在油井水泥水化的各个时期，均具有良好的膨胀性能。

本发明的一种钢渣基油井水泥膨胀剂，以重量份数计，其包括以下组分：钢渣700-800份、菱镁矿100-150份、白云石75-100份、方镁石50-100份；

所述钢渣粉、菱镁矿、白云石和方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积260-460m²/kg，均化成成品。

所述钢渣中游离氧化钙含量不大于5%，游离氧化镁含量不大于13%。

所述菱镁矿为经过2200℃-3000℃高温煅烧烧结制备得到，其中氧化镁含量≥80%。

所述白云石中氧化钙含量≥10%，氧化镁含量≥15%。

一种钢渣基油井水泥膨胀剂在油井水泥中的应用，以油井水泥为主料，按主料质量5-13%的比例加入所述钢渣基油井水泥膨胀剂；然后，再按水灰比0.44加水，养护温度为90℃。

本发明以钢渣为基础，合成进菱镁矿、白云石和方镁石，形成四种主材。利用各组分中不同状态的氧化镁（钢渣中的游离氧化镁（f-MgO）、重烧后活性低的氧化镁）混合在一起，使各个时期的氧化镁都有膨胀作用，并且膨胀率可控，膨胀周期可控。在油井水泥水化的各个时期，不同的氧化镁成分之间存在协同作用。油井水泥水化后期会收缩使其强度下降，需要添加活性低的氧化镁使其体积膨胀，来增强油井水泥的后期强度。

本发明所制得的钢渣基油井水泥膨胀剂具有较大的限制膨胀率、较高的抗压强度。与现有技术相比，本发明所述的钢渣基油井水泥膨胀剂高效合理利用了固体废弃物钢渣，通过氢氧化镁的稳定性增大了膨胀剂在油井水泥中的膨胀效能，大大地减少了硬化水泥石的微间隙和油气资源的浪费。同时实现了将钢渣中氧化镁变废为宝，降低了产品生产成本，提高了产品的市场竞争力。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不受下述实施例限定。

一种钢渣基油井水泥膨胀剂，以重量份数计，其包括以下组分：钢渣700-800份、菱镁矿100-150份、白云石75-100份、方镁石50-100份；钢渣中含有游离氧化钙和游离氧化镁，其中游离氧化钙用于生成氢氧化钙，提供水泥的早期膨胀率，使油井水泥的强度增加；

钢渣粉、菱镁矿、白云石和方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积260-460m²/kg，均化成成品。在钢渣中引入菱镁矿、白云石和方镁石作为氧化镁源，氧化镁作为膨胀剂在高温条件下有良好的膨胀效果，并且其膨胀特性便于控制，其中方镁石提供的氧化镁主要在水泥水化前期提供可控的膨胀率，白云石和菱镁矿提供的氧化镁主要在水泥水化中后期提供膨胀率，使得水泥水化的各个时期，不同的氧化镁成分协同作用，确保水泥产生有效的膨胀效果。氧化镁水化时产物固相体积增大118%左右，且氧化镁水化需水量少、水化产物氢氧化镁性能稳定，通过调节氧化镁活性可控制氧化镁膨胀剂的膨胀过程。氧化镁膨胀剂有效补偿油井水泥收缩的关键在于其煅烧温度须与养护温度达到较好地匹配。

钢渣中游离氧化钙含量不大于5%，游离氧化镁含量不大于13%。如果大于该限定数值，会引起水泥安定性问题，在凝结硬化时会发生不均匀的体积变化，出现龟裂、弯曲、松脆和崩溃等不安定现象。

菱镁矿为经过2200℃-3000℃高温煅烧烧结制备得到，其中氧化镁含量≥80%。菱镁矿主要成分为MgCO₃，高温煅烧是为了使MgCO₃分解为MgO，降低其活性，得到活性低的MgO，用以提高油井水泥水化后期的强度，防止水泥强度倒缩。

白云石中氧化钙含量≥10%，氧化镁含量≥15%。白云石为CaMg(CO₃)₂，可以提供MgO成分和CaO成分，为油井水泥早期和后期的强度提供保障。确定氧化镁含量是为了得到足够量的低活性氧化镁；白云石中的氧化镁和氧化钙起补充作用；主要在后期中起作用。

一种钢渣基油井水泥膨胀剂在油井水泥中的应用，以油井水泥为主料，按主料质量5-13%的比例加入钢渣基油井水泥膨胀剂；然后，再按水灰比0.44加水水化硬化；养护温度为90℃，用以适应固井工况的温度。

油井水泥膨胀剂要求的技术指标，具体要求为：

初始稠度≤30Bc；

过渡时间≤40min；

稠化线形突变≤10Bc

稠化时间在基浆稠化时间-30至基浆稠化时间+30之间；

48h相对膨胀率在0.4-3.2之间；

24h抗压强度≥14MPa。

在本发明实施例中性能测试均以行业标准SY/T-5504.8-2013中的标准进行检测，养护温度为90℃。

实施例1：

本实施的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣700份、菱镁矿100份、白云石75份、方镁石55份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积260 m²/kg，以13%的掺量加入到G级油井水泥中，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表1所示。

实施例2：

本实施的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣710份、菱镁矿100份、白云石100份、方镁石50份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积350 m²/kg，以8%的掺量加入到G级油井水泥中，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表1所示。

实施例3：

本实施的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣710份、菱镁矿110份、白云石75份、方镁石60份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积300 m²/kg，以5%的掺量加入到G级油井水泥中，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表1所示。

实施例4：

本实施的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣750份、菱镁矿110份、白云石90份、方镁石60份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积400 m²/kg，以6%的掺量加入到G级油井水泥中，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表1所示。

实施例5：

本实施的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣750份、菱镁矿150份、白云石75份、方镁石100份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积460 m²/kg，以6%的掺量加入到G级油井水泥中，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表1所示。

实施例6：

本实施的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣800份、菱镁矿110份、白云石90份、方镁石60份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积380 m²/kg，以10%的掺量加入到G级油井水泥中，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表1所示。

表1

应用例1：

本应用的油井水泥膨胀剂，以重量份计，包含以下组分：钢渣710份、菱镁矿120份、白云石75份、方镁石60份。将钢渣粉、菱镁矿、白云石、方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积350 m²/kg，以6%的掺量加入到G级油井水泥中，水灰比为0.44，养护温度为90℃，按照标准《SY/T-5504.8-2013油井水泥外加剂评价方法-第8部分膨胀剂》进行测试。结果如表2所示。

表2

油井水泥作业环境复杂多变，温度处于室温至200℃之间，在不同温度下，膨胀剂能起到适当的膨胀性能，保证油井水泥稠化正常和强度发展稳定。在低温时游离的氧化钙和氧化镁可以发挥其早期膨胀作用；在超过70℃的高温时，膨胀晶体钙钒石会因高温不稳定而分解，这时，活性低的氧化镁可以水化生成氢氧化镁，使油井水泥的体积达到可控的膨胀，解决油井水泥高温收缩的问题。

钢渣和方镁石中游离的氧化镁和氧化钙在油井水泥水化的初期发挥微膨胀效果，保证油井水泥有较高的早期强度。菱镁矿中的氧化镁活性比较低，在油井水泥的水化后期会长期保持良好的膨胀作用，能有效防止油井水泥水化后期强度倒缩。白云石中的氧化镁和氧化钙可以起到随时补充膨胀作用。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和改变，这些替换和改变均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种钢渣基油井水泥膨胀剂，其特征在于，以重量份数计，其包括以下组分：钢渣700-800份、菱镁矿100-150份、白云石75-100份、方镁石50-100份；

所述钢渣粉、菱镁矿、白云石和方镁石按照以上重量份数配料后粉磨至比表面积260-460m²/kg，均化成成品；

所述钢渣中游离氧化钙含量不大于5%，游离氧化镁含量不大于13%；

其中方镁石主要在水泥水化前期提供可控的膨胀率，白云石和菱镁矿主要在水泥水化中后期提供膨胀率。

2.根据权利要求1所述的一种钢渣基油井水泥膨胀剂，其特征在于，所述菱镁矿为经过2200℃-3000℃高温煅烧烧结制备得到，其中氧化镁含量≥80%。

3.根据权利要求1所述的一种钢渣基油井水泥膨胀剂，其特征在于，所述白云石中氧化钙含量≥10%，氧化镁含量≥15%。

4.一种权利要求1所述钢渣基油井水泥膨胀剂在油井水泥中的应用，以油井水泥为主料，其特征在于，按主料质量5-13%的比例加入所述钢渣基油井水泥膨胀剂；然后，再按水灰比0.44加水，养护温度为90 ℃。