CN116425505A - 页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂及制备方法，强度稳定剂按重量百分比计，由如下组份构成：高温早强剂50‑60%；高温增强剂20‑30%；活性激发剂10‑20%。本发明中的稳定剂不但可以在低温环境下快速促进水泥石强度发育，使其具有明显的早高强特性，还可以在高温环境下，实现强度二次发育，具有优秀的抗高温特性，能有效防止页岩油650℃高温原位转化工况下固井水泥环孔隙率增大、强度衰退严重、力学及密封完整性受损失效等技术问题，可保障页岩油原位热采井固井质量及完整性，提高页岩油资源开采效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂及制备方法，属于油气勘探开发固井工程领域。
背景技术
我国低成熟度页岩（母）油资源量丰富，技术可采资源量约650亿吨，其中鄂尔多斯盆地约450亿吨。目前，国内外大量页岩油原位转化实践证明，原位加热技术可以使得成熟度低的页岩油转化成流动性较好的油气资源，实现顺利开采。原位加热技术需要将地层温度加热到500℃-650℃，并且保持2-3长时间持续加热状态，目前固井作业中主要固井材料硅砂改性硅酸盐水泥抗温阈值为350℃，页岩油原位转化高温环境势必损伤固井水泥环完整性，造成孔隙结构增大，抗压强度衰退，无法满足超高温环境下保障2-3年的井筒密封完整性要求，大大降低了页岩油加热转化效率。因此，页岩油原位转化加热固井技术对固井水泥环的抗高温特性提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂及制备方法。本发明中的稳定剂不但可以在低温环境下快速促进水泥石强度发育，使其具有明显的早高强特性，还可以在高温环境下，实现强度二次发育，具有优秀的抗高温特性，能有效防止页岩油650℃高温原位转化工况下固井水泥环孔隙率增大、强度衰退严重、力学及密封完整性受损失效等技术问题，可保障页岩油原位热采井固井质量及完整性，提高页岩油资源开采效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，按重量百分比计，由如下组份构成：
高温早强剂 50-60%；
高温增强剂 20-30%；
活性激发剂 10-20%。
所述高温早强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
磷酸盐水泥 55-65%；
硫铝酸盐水泥 15-25%；
超细硅酸盐水泥 5-15%；
钙基黏土 5-15%。
所述高温增强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
滑石粉 35-45%；
微硅 20-35%；
硫酸钙晶须 10-20%；
碳化硅晶须 10-20%。
所述活性激发剂按重量百分比计，由如下组份构成：
碱式硫酸镁晶 40-50%；
氧化锌晶须 30-40%；
碳酸氢钠 10-20%。
所述高温早强剂中的磷酸盐水泥和硫铝酸盐水泥80%通过120目且不通过140目筛网，钠基黏土70%通过140目且不通过160目筛网，超细硅酸盐水泥95%通过300目筛网。
所述高温增强剂中的滑石粉和微硅中60%通过160目筛网，20%通过140目且不通过160目筛网，20%通过80目且不通过140目筛网。
所述高温增强剂中的微硅中非晶态二氧化硅含量大于98%，晶态二氧化硅含量小于1.6%。
所述高温增强剂中的硫酸钙晶须长径比为20-50，碳化硅晶须比为50-100。
所述活性激发剂中碱式硫酸镁晶须长径比为30-200，氧化锌晶须比为50-300。
一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）按配比称取磷酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、超细硅酸盐水泥、钠基黏土，形成高温早强剂混合物；
（2）按配比称取滑石粉、微硅、硫酸钙晶须和碳化硅晶须，形成高温增强剂混合物；
（3）按配比称取碱式硫酸镁晶须、氧化锌晶须和碳酸氢钠粉末，形成活性激发剂混合物；
（4）将步骤（1）-（3）中形成的混合物依次负压输送到粉体混合罐中，持续气体鼓吹混合2.0小时后，即得到超高温强度稳定剂。
采用本发明的优点在于：
1、本发明所涉及的高温早强剂不同组份之间形成“粒径互补”与“加速放热”特征，具备密实增强和增大放热双重功效，赋予水泥石早高强特性。
2、本发明所涉及的高温增强剂具有“高温环境响应”与“搭桥拉筋”特征，二次生成低钙硅比抗高温水化产物，提高水泥石高温环境中的强度稳定性。
3、本发明所涉及的强度稳定剂超高温耐久性好，在650℃×40MPa条件下，养护60天后水泥石抗压强度仍然≥35MPa，衰退率仅为15.93%，具有优秀的超高温强度稳定特性。
综上，针对页岩油原位转化加热固井工程中水泥环所面临的超高温超长时加热破坏问题，本发明以非硅酸盐凝胶材料和高温增强材料为主，开发出新型的抗超高温强度稳定剂，该稳定剂不但可以在低温环境下快速促进水泥石强度发育，使其具有明显的早高强特性，还可以在高温环境下，实现强度二次发育，具有优秀的抗高温特性，能有效防止页岩油650℃高温原位转化工况下固井水泥环孔隙率增大、强度衰退严重、力学及密封完整性受损失效等技术问题。对保障页岩油原位热采井固井质量及完整性，提高页岩油资源开采效率，促进页岩油原位开采超前储备技术基础研究具有极其重要的意义。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征以及有益成果有更清晰的理解认识，对本发明的技术方案进行以下详细说明。实例1为超高温强度稳定剂的制备过程，实例2为超高温强度稳定剂所形成的固井水泥石在650℃高温环境下力学性能评价数据，实例3为超高温强度稳定剂所形成的抗650℃超高温固井水泥浆体综合性能评价数据。实施例4为对强度稳定剂及制备方法进行具体说明。实施例5和6为对强度稳定剂的配比关系进行说明。
实施例1
一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）称取165份80%通过120目且不通过140目筛网的磷酸盐水泥，55份80%通过120目且不通过140目筛网硫铝酸盐水泥，27.5份95%通过300目筛网的超细硅酸盐水泥，27.5份70%通过140目且不通过160目筛网的钠基黏土，形成高温早强剂混合物；
（2）称取54份60%通过160目筛网，20%通过140目且不通过160目筛网，20%通过80目且不通过140目筛网的滑石粉，40.5份60%通过160目筛网，20%通过140目且不通过160目筛网，20%通过80目且不通过140目筛网的微硅，21.6份硫酸钙晶须和18.9份碳化硅晶须，形成高温增强剂混合物；
（3）称取40.5份碱式硫酸镁晶须、32.4份氧化锌晶须和17.1份碳酸氢钠粉末，形成活性激发剂混合物；
（4）将(1)-(3)步骤中形成的混合物依次负压输送到粉体混合罐中，打开气体混合泵，持续气体鼓吹混合2.0小时后，即得到超高温强度稳定剂。
实施例2
用实施例1所制备的超高温强度稳定剂配制抗超高温固井水泥石，置于高温高压养护釜中，在650℃超高温环境中持续养护60天后，抗压强度、渗透率以及相应的变化率如表1所示。其中A为对比样水泥石，未添加超高温强度稳定剂；B为测试水泥石，添加10%超高温强度稳定剂。
表1 固井水泥石在650℃高温环境下力学性能评价
由表1可知，添加超高温强度稳定剂的水泥石初始抗压强度高达45.63MPa，相比于对比样提高50.84%，具有明显的早高强特性；经过650℃超高温环境养护60天后，抗压强度仍然保持在38MPa以上，衰退率仅为15.93%，相比于对比样衰退率降低65.12%，说明水泥石在650℃超高温环境下具有优秀的抗高温性能及耐久性能，有效防止页岩油650℃高温原位转化工况下固井水泥环强度衰退严重的技术难题，为保障页岩油原位热采井固井质量及完整性，提高页岩油资源开采效率提供技术支撑。
实施例3
本发明超高温强度稳定剂所形成的抗650℃超高温固井水泥浆体综合性能评价数据如表2所示，API析水均为0mL，API失水量为37mL，符合API标准，流动度为22cm，流变参数n值范围为0.82，稠度系数K值范围为0.57。表明，本发明所形成的抗650℃超高温固井水泥浆体具有良好的流动流变性能以及控失水性能，水泥浆体系综合工程性能良好，完全满足现场注水泥施工基本要求。
表2 抗高温水泥浆综合性能
实施例4
一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，按重量百分比计，由如下组份构成：
高温早强剂 55%；
高温增强剂 27%；
活性激发剂 18%。
其中高温早强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
磷酸盐水泥 60%；
硫铝酸盐水泥 20%；
超细硅酸盐水泥 10%；
钙基黏土 10%。
其中高温增强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
滑石粉 40%；
微硅 30%；
硫酸钙晶须 16%；
碳化硅晶须 14%。
其中活性激发剂按重量百分比计，由如下组份构成：
碱式硫酸镁晶 45%；
氧化锌晶须 36%；
碳酸氢钠 19%；
高温早强剂中的磷酸盐水泥和硫铝酸盐水泥80%通过120目且不通过140目筛网，钠基黏土70%通过140目且不通过160目筛网，超细硅酸盐水泥95%通过300目筛网，上述高温早强剂不同组份之间形成粒径互补，产生良好的紧密堆积效果，协同早期加速放热特性，通过增加密实性和增大早期放热量，赋予水泥石早高强特性。
高温增强剂中的滑石粉和微硅中60%通过160目筛网，20%通过140目且不通过160目筛网，20%通过80目且不通过140目筛网，微硅中非晶态二氧化硅含量大于98%，晶态二氧化硅含量小于1.6%。硫酸钙晶须长径比介于20-50，碳化硅晶须比介于50-100。非晶态二氧化硅潜伏于水泥石基体中，当受到高温或者碱性环境激活，通过火山灰效应二次生成低钙硅比抗高温水化产物，结合晶须“搭桥拉筋”效应，提高水泥石高温环境中的强度稳定性。
活性激发剂是由碱式硫酸镁晶须、氧化锌晶须、碳酸氢钠复配而成，其中碱式硫酸镁晶须长径比介于30-200，氧化锌晶须比介于50-300，增强激发剂在水泥颗粒表面的吸附性。活性激发剂对高温早强剂、高温增强具有碱性刺激激活作用，促使水化产物二次发育，进一步保障水泥石超高温环境下抗压强度及本体结构完整性。
本发明还提供了页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)按设计的各组分重量份数称取磷酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、超细硅酸盐水泥、钠基黏土，形成高温早强剂混合物；
(2)按设计的各组分重量份数称取滑石粉、微硅、硫酸钙晶须和碳化硅晶须，形成高温增强剂混合物；
(3)按设计的各组分重量份数称取碱式硫酸镁晶须、氧化锌晶须和碳酸氢钠粉末，形成活性激发剂混合物；
(4)将(1)-(3)步骤中形成的混合物依次负压输送到粉体混合罐中，打开气体混合泵，持续气体鼓吹混合2.0小时后，即得到超高温强度稳定剂。
综上所述，本发明并不简单局限于上述实例所讲，通过与其他固井水泥浆外加剂复配使用，也能形成综合性能良好的固井水泥浆体系，本发明具有普遍实用性。
实施例5
一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，按重量百分比计，由如下组份构成：
高温早强剂 50%；
高温增强剂 30%；
活性激发剂 20%。
所述高温早强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
磷酸盐水泥 55%；
硫铝酸盐水泥 25%；
超细硅酸盐水泥 15%；
钙基黏土 5%。
所述高温增强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
滑石粉 35%；
微硅 35%；
硫酸钙晶须 20%；
碳化硅晶须 10%。
所述活性激发剂按重量百分比计，由如下组份构成：
碱式硫酸镁晶 40%；
氧化锌晶须 40%；
碳酸氢钠 20%。
本实施例的强度稳定剂不同组份之间形成“粒径互补”与“加速放热”特征，密实增强和增大放热双重功效效果最佳，水泥石早高强特性最佳。
实施例6
一种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，按重量百分比计，由如下组份构成：
高温早强剂 60%；
高温增强剂 30%；
活性激发剂 10%。
所述高温早强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
磷酸盐水泥 65%；
硫铝酸盐水泥 15%；
超细硅酸盐水泥 15%；
钙基黏土 5%。
所述高温增强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
滑石粉 45%；
微硅 35%；
硫酸钙晶须 10%；
碳化硅晶须 10%。
所述活性激发剂按重量百分比计，由如下组份构成：
碱式硫酸镁晶 50%；
氧化锌晶须 30%；
碳酸氢钠 20%。
本实施例的强度稳定剂超高温耐久性最佳，在650℃×40MPa条件下，养护60天后水泥石抗压强度仍然≥40MPa，衰退率仅为15.93%。
Claims (10)
1.种页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，按重量百分比计，由如下组份构成：
高温早强剂 50-60%；
高温增强剂 20-30%；
活性激发剂 10-20%。
2.根据权利要求1所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述高温早强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
磷酸盐水泥 55-65%；
硫铝酸盐水泥 15-25%；
超细硅酸盐水泥 5-15%；
钙基黏土 5-15%。
3.根据权利要求2所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述高温增强剂按重量百分比计，由如下组份构成：
滑石粉 35-45%；
微硅 20-35%；
硫酸钙晶须 10-20%；
碳化硅晶须 10-20%。
4.根据权利要求3所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述活性激发剂按重量百分比计，由如下组份构成：
碱式硫酸镁晶 40-50%；
氧化锌晶须 30-40%；
碳酸氢钠 10-20%。
5.根据权利要求4所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述高温早强剂中的磷酸盐水泥和硫铝酸盐水泥80%通过120目且不通过140目筛网，钠基黏土70%通过140目且不通过160目筛网，超细硅酸盐水泥95%通过300目筛网。
6.根据权利要求5所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述高温增强剂中的滑石粉和微硅中60%通过160目筛网，20%通过140目且不通过160目筛网，20%通过80目且不通过140目筛网。
7.根据权利要求6所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述高温增强剂中的微硅中非晶态二氧化硅含量大于98%，晶态二氧化硅含量小于1.6%。
8.根据权利要求7所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述高温增强剂中的硫酸钙晶须长径比为20-50，碳化硅晶须比为50-100。
9.根据权利要求8所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂，其特征在于，所述活性激发剂中碱式硫酸镁晶须长径比为30-200，氧化锌晶须比为50-300。
10.根据权利要求1所述的页岩油原位转化超高温工况固井用强度稳定剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）按配比称取磷酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、超细硅酸盐水泥、钠基黏土，形成高温早强剂混合物；
（2）按配比称取滑石粉、微硅、硫酸钙晶须和碳化硅晶须，形成高温增强剂混合物；
（3）按配比称取碱式硫酸镁晶须、氧化锌晶须和碳酸氢钠粉末，形成活性激发剂混合物；
（4）将步骤（1）-（3）中形成的混合物依次负压输送到粉体混合罐中，持续气体鼓吹混合2.0小时后，即得到超高温强度稳定剂。
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