CN116514420A - 一种低水化热韧性固井水泥 - Google Patents
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Abstract
一种低水化热韧性固井水泥。属于固井工程固井材料技术领域。结构稳定性好，能从根本上解决固井水泥石高强度低水化热的难题，进而实现固井水泥环的长期耐久性。以低热硅酸盐水泥熟料为基料，硅灰作为混合材，晶须作为改性剂，与石膏混配，共同粉磨至比表面积为350~450m2/kg，从而制备出低水化热韧性固井水泥；其主要原料和重量份数为：低热硅酸盐水泥熟料75~90份，硅灰0~16份，低热外掺料2.5~3.5份，晶须1~3份，石膏4.5份。本发明通过优化匹配，调整水泥组分含量，使得水泥能有效解决易漏失地层固井水泥环封隔失效难题，可替代现有G级油井水泥固井水泥浆体系，并更好地降低水泥浆的水化放热，并有更高的早强强度，有利于易漏失地层固井工程的结构耐久性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于固井工程固井材料技术领域，尤其涉及对低水化热韧性固井水泥组分的改进。
发明背景
天然气的高效安全勘探开发已成为我国能源战略的重要内容，同时，天然气是将来很长一段时间国家能源的主要战略接替区。为解决我国能源的供需矛盾，满足经济的快速发展的需求，需要加大力度勘探非常规资源，目前我国已陆续在新疆、四川、重庆及南海一带等地区勘探到了大型的天然气资源，特别是在塔里木盆地、川东北地区，天然气勘探取得了重大的突破。根据数据资料统计发现，塔里木盆地库车山前区块面积4560km2，天然气资源量达到2258×108m3，川东北区块面积3564 km2，天然气资源量达到3586×108m3。
本世纪初以来，水平井钻完井技术和水力压裂技术在页岩气高效开发中的广泛应用使页岩气高效开发成为了现实，助推北美实现了“页岩气革命”。北美页岩气革命的成功吸引了世界各国的关注，各国政府和企业都投入了大量的人力、物力、财力进行页岩气的勘探和开发。国内近年来受各方面影响国际油价跌宕起伏，为维持市场稳定，对页岩气藏开采力度也开始不断增大，利用超长水平井技术工业化开采页岩气，缓解能源价格压力。中国页岩气资源丰富，加快我国页岩气开发进程，对于缓解天然气供应压力、调整能源结构具有重大意义
超长水平井（水平段超过3000 m）技术最先起源于美国，研究人员针对地层倾角较小的气藏利用旋转导向技术与特殊水泥浆技术钻探超长水平井，后续经过大规模水平段分段压裂作业后，能够实现单井开采整个目标水平段，极大地降低了页岩气开采成本。但是这些技术往往会伴生许多难题，就固井作业来说，超长水平井固井作业主要面临油基泥浆污染、压裂后水泥环完整性、水泥浆气窜、固井质量评价等难题。由于美国超长水平井技术发展比较早，目前已经发展到10000 m超长水平段，而我国的涪陵、长宁、陇东、昭通、新疆玛湖、苏里格气田区块超长水平井水平段仅刚突破3000m，与国外存在显著差距。为缩短与国外关键技术差距、降低页岩气开采成本、缓解能源压力，开展超长水平井技术研究显得很有必要。
目前我国对页岩储层的开发主要采用水平井套管完井+大排量分段压裂工艺技术。通过分段压裂工艺技术，使得水力主裂缝沟通了储层天然裂缝以及岩石层理，从而形成复杂的裂缝网络，实现储层的有效改造。但是，在我国西南地区页岩气开发过程中，威远-长宁国家级页岩气示范区部分井次在储层改造过程中出现了井筒完整性失效的问题，套管变形的问题导致桥塞无法坐封到位，压裂段数减少，从而造成作业成本提高，单井产量降低，缩短了页岩气井的生命周期，严重制约了我国页岩气的开发进程。研究发现，固井作业中最容易发生环空封隔失效的阶段为注水泥时期、水泥浆胶凝态时期，水泥浆固化为水泥石时期，而水泥浆固化形成的水泥环贯穿整个油井生命周期，其持续时间最长，更有可能导致环空封隔失效。
近年来，随着油气开采环境向复杂地质推进，漏失地层的固井材料和固井技术越来越受深井、超深井在油气资源的探勘、开发中的数量日益增多。由于井下温度较高，油井水泥的水化硬化过程，水化产物的组成和结构与普通井相比均发生了明显变化，导致下水泥石强度衰退严重，甚至开裂，导致固井水泥环封隔失效，为固井封固质量与安全带来挑战。
目前国内外现有的固井材料通常以G级油井水泥作为基本水泥，再添加粉煤灰、矿渣等外掺料和缓凝剂的基础上配置新型低水化热固井水泥浆，以满足固井施工要求。但是由于G级水泥矿物组成的钙硅比决定了水化产物晶型不稳定，从而造成结构失稳，单纯地添加外掺料虽然满足了固井要求，但是固井水泥环的长期力学性能不足，从而影响油气井采收率。因此，从水泥矿物组成优化入手，通过降低硅酸三钙含量，提高硅酸二钙含量，并适当调节溶剂型矿物（铝酸三钙和铁铝酸四钙）含量，以改变水泥的水化进程，使得前期水化放热降低，且不影响水泥的后期强度，使水泥水化产物具有更好的结构稳定性，从而从根本上解决固井水泥石高强度低水化热的难题，更好地满足易漏失地层的固井需求。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种结构稳定性好，能从根本上解决固井水泥石高强度低水化热的难题，进而实现固井水泥环的长期耐久性的低水化热韧性固井水泥。
本发明的技术方案是：以低热硅酸盐水泥熟料为基料，硅灰作为混合材，晶须作为改性剂，与石膏混配，共同粉磨至比表面积为350~450m2/kg，从而制备出低水化热韧性固井水泥；其主要原料和重量份数为：低热硅酸盐水泥熟料75~90份，硅灰0~16份，低热外掺料2.5~3.5份，晶须1~3份，石膏4.5份。
所述的低热硅酸盐水泥熟料矿物成分（重量百分比）为：
C3S：35%~45%，
C2S：40%~50%，
C3A：1%~3%，
C4AF：17%~26%。
所述的低热硅酸盐水泥1d水化热≤100kj/kg，2d水化热≤150kj/kg，且1d抗压强度≥25MPa，2d强度≥35MPa，90d抗压强度＞75MPa，2d弹性模量＜5GPa。
所述的硅灰为比表面积大于2000m2/kg且二氧化硅含量大于92%。
所述的晶须为氧化铝晶须、氧化镁晶须、纳米碳化硅晶须的混合物。
所述的低导热外掺料为碳氟树脂、中空玻璃微珠和氧化锆的混合物。
本发明通过对水泥基材料矿物组成优化匹配入手，调整水泥组分中硅酸三钙，硅酸二钙，铝酸三钙和铁铝酸四钙含量，使得水泥的水化进程更好地满足固井需求，该种低水化热韧性固井水泥能有效解决易漏失地层固井水泥环封隔失效难题，制备方法简单易得，可以替代现有G级油井水泥固井水泥浆体系，并更好地降低水泥浆的水化放热，并有更高的早强强度，有利于易漏失地层固井工程的结构耐久性和安全性。
具有以下性能特点：
（1）水化热低，1d水化热≤100kJ/kg，3天水化热≤200kJ/kg，适用于易漏失地层及地质条件不稳固的油气井固井工程，起到防窜流的作用，提升固井水泥环结构完整性。
（2）早期强度高，1d抗压强度≥20MPa，2d抗压强度大于30MPa， 2d弹性模量＜5GPa，可满足大型交变载荷工况下复杂油气井固井工程施工要求，90d抗压强度＞75MPa，有利于保证固井水泥环长期封隔完整性。
（3）稠化时间为80~140min，且与现有通用缓凝剂、促凝剂适应性良好，可根据固井工程实际需要，添加0~5%的各类缓凝剂/促凝剂调节水泥稠化时间。
具体实施方式
本发明的低水化热韧性固井水泥以低热硅酸盐水泥熟料为基料，硅灰作为混合材，晶须作为改性剂，与石膏混配，共同粉磨至比表面积为350~450m2/kg，从而制备出低水化热韧性固井水泥；其主要原料和重量份数为：低热硅酸盐水泥熟料75~90份，硅灰0~16份，低热外掺料2.5~3.5份，晶须1~3份，石膏4.5份。
低热硅酸盐水泥熟料矿物成分（重量百分比）为：
C3S：35%~45%，
C2S：40%~50%，
C3A：1%~3%，
C4AF：17%~26%。
低热硅酸盐水泥1d水化热≤100kj/kg，2d水化热≤150kj/kg，且1d抗压强度≥25MPa，2d强度≥35MPa，90d抗压强度＞75MPa 2d弹性模量＜5GPa。
硅灰为比表面积大于2000m2/kg且二氧化硅含量大于92%。
晶须为氧化铝晶须、氧化镁晶须、纳米碳化硅晶须的混合物。
低导热外掺料为碳氟树脂、中空玻璃微珠和氧化锆的混合物。
本发明中所采用的低水化热硅酸盐水泥由于特殊的矿物组成，导致其具有非常明显的优点和缺点：相比于普通G级油井水泥，低热硅酸盐水泥熟料的硅酸二钙含量大幅增加，硅酸三钙和铝酸三钙含量大幅减少，铁铝酸四钙含量大幅增加，其早期水化热、干缩率更低，耐久性更高，但是早期强度较低，这不利于油气井固井工程施工。
添加适量混合材如硅灰等可改善水泥的综合性能。晶须作为增强增韧材料，可进一步密实水泥石孔隙率、提高水泥强度和韧性。
下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1
低水化热韧性固井水泥生料的制备：
按照如下的质量分数进行配料：石灰石76份、砂岩14份、铁粉4.5份，工业废渣5.5份，将各组分混合均匀粉磨至比表面积250~350m2/kg目，得到低水化热韧性固井水泥生料。
低水化热韧性固井水泥熟料的制备：
将制得的低水化热韧性固井水泥生料置于新型水泥干法窑系统内经过一定温度进行煅烧，制得低水化热韧性固井水泥熟料。
低水化热韧性固井水泥的制备：
取煅烧所得的低水化热韧性固井水泥熟料90份，晶须3份，低导热外掺料2.5份，石膏4.5份，混合均匀粉磨至比表面积360m2/kg~450m2/kg，制成低水化热韧性固井水泥。
实施例2
低水化热韧性固井水泥生料的制备：
按照如下的质量分数进行配料：石灰石78份、砂岩12份、铁粉4.5份，工业废渣5.5份，将各组分混合均匀粉磨至比表面积250~350m2/kg目，得到低水化热韧性固井水泥生料。
低水化热韧性固井水泥熟料的制备：
将制得的低水化热韧性固井水泥生料置于新型水泥干法窑系统内经过一定温度进行煅烧，制得低水化热韧性固井水泥熟料。
低水化热韧性固井水泥的制备：
取煅烧所得的低水化热韧性固井水泥熟料80份，硅灰11份，低导热外掺料3份，晶须1.5份，石膏4.5份，混合均匀粉磨至比表面积360m2/kg~450m2/kg，制成低水化热韧性固井水泥。
实施例3
低水化热韧性固井水泥生料的制备：
按照如下的质量分数进行配料：石灰石80份、砂岩11份、铁粉4份，工业废渣5份，将各组分混合均匀粉磨至比表面积250~350m2/kg目，得到低水化热韧性固井水泥生料。
低水化热韧性固井水泥熟料的制备：
将制得的低水化热韧性固井水泥生料置于新型水泥干法窑系统内经过一定温度进行煅烧，制得低水化热韧性固井水泥熟料。
低水化热韧性固井水泥的制备：
取煅烧所得的低水化热韧性固井水泥熟料75份，硅灰16份，晶须1份，低导热外掺料3.5份，石膏4.5份，混合均匀粉磨至比表面积360m2/kg~450m2/kg，制成低水化热韧性固井水泥。
表1 实施例低水化热韧性固井水泥的物理性能
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种低水化热韧性固井水泥，其特征在于：以低热硅酸盐水泥熟料为基料，硅灰作为混合材，晶须作为改性剂，与石膏混配，共同粉磨至比表面积为350~450m2/kg，从而制备出低水化热韧性固井水泥；其主要原料和重量份数为：低热硅酸盐水泥熟料75~90份，硅灰0~16份，低热外掺料2.5~3.5份，晶须1~3份，石膏4.5份。
2.根据权利要求1所述的一种低水化热韧性固井水泥，其特征在于，所述的低热硅酸盐水泥熟料矿物成分（重量百分比）为：
C3S：35%~45%，
C2S：40%~50%，
C3A：1%~3%，
C4AF：17%~26%。
3.根据权利要求1所述的一种低水化热韧性固井水泥，其特征在于，所述的低热硅酸盐水泥1d水化热≤100kj/kg，2d水化热≤150kj/kg，且1d抗压强度≥25MPa，2d强度≥35MPa，90d抗压强度＞75MPa，2d弹性模量＜5GPa。
4.根据权利要求1所述的一种低水化热韧性固井水泥，其特征在于，所述的硅灰为比表面积大于2000m2/kg且二氧化硅含量大于92%。
5.根据权利要求1所述的一种低水化热韧性固井水泥，其特征在于，所述的晶须为氧化铝晶须、氧化镁晶须、纳米碳化硅晶须的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种低水化热韧性固井水泥，其特征在于，所述的低导热外掺料为碳氟树脂、中空玻璃微珠和氧化锆的混合物。
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