CN117049811A - 一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法 - Google Patents

一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法 Download PDF

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梁远斌
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熊杨
任秋璇
张天健
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Abstract

本发明涉及一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法，该方法操作步骤如下：步骤S1：按照油井水泥膨胀剂成分配方准备原料石灰石、明矾石、粉煤灰、理膨润土；步骤S2将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；步骤S3：将预制料煅烧，然后快速冷却，得烧结料；步骤S4：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得预处理膨润土；步骤S5：将烧结料加入球磨至平均粒径10～30目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到100～200目，结束球磨，得到高性能油井水泥膨胀剂成品。本发明的有益效果：产品活性高、膨胀效果好，且工艺简单。

Description

一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法
技术领域
本发明涉及油田助剂技术领域，具体涉及一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法。
背景技术
固井是钻井作业中至关重要的一个环节。固井的过程主要是在套管与井壁之间的环形空间注入水泥浆，凝固后形成一个高抗压强度和高胶结能力的水泥环，以达到封固套管与井壁之间的环形空间，防止地下流体在各地层之间窜流，造成油气资源污染和流失，是目前国内外油气开采中尚未完全解决的重大问题之一。固井水泥浆是以硅酸盐水泥为胶凝材料，搭配其他功能性外掺料、外加剂搅拌而成。由于其水胶比大、所处环境温度与压力高，具有较大的收缩率，是造成胶结质量差、环空窜流、固井质量不合格的主要原因。
向固井水泥浆中加入油井水泥膨胀剂是减少水泥收缩、防止气窜、提高固井质量的重要手段。现有的膨胀剂可分为发气类膨胀剂(氢气、氮气等)和晶格类膨胀剂(膨胀剂钙矾石、氧化钙和氧化镁等)两大类。发气类膨胀剂主要以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，适用于低压环境以及浅井，发气时间受到温度控制，使用范围较窄。晶格类膨胀剂主要通过生成钙钒石、氢氧化钙、氢氧化镁等，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。
但实际工作中，水泥浆中虽然加了大量的膨胀剂，但很多井仍有窜气、井口带压等现象。其主要是由于各个井的实际情况不相同，如实验条件、施工工艺、固井要求等。这些条件将影响膨胀剂的作用时间。温度越高，膨胀剂的作用时间越早。当膨胀剂的作用时间早于水泥浆的凝结时间，膨胀剂的效果未被有效利用。
因此，现提出一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法，得到的产品活性高、膨胀效果好，且工艺简单。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法，该方法所制得的产品活性高、膨胀效果明显、工艺简单，配制的水泥浆流动性好，满足固井要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高活性油井水泥膨胀剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：按照油井水泥膨胀剂成分配方准备原料石灰石、明矾石、粉煤灰、理膨润土；
步骤S2：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤S3：将预制料煅烧，然后快速冷却，得烧结料；
步骤S4：搅拌膨润土，并同时向膨润土中通入水雾增湿，得预处理膨润土；
步骤S5：将烧结料加入球磨至平均粒径10～30目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到100～200目，结束球磨，得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
在本方案的一种优选实施方式中，所述的膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径＜1000目。
钙膨润土(calcium bentonite clay)也称钙基膨润土，是指膨润土的层间阳离子为Ca2+的膨润土，它不溶于水，具有油性和有机容性，热稳定性很好；钙基膨润土有较大的有效孔容，所以它有很强的吸附能力。
在本方案的一种优选实施方式中，油井水泥膨胀剂成分配方按百分比计为：石灰石38～65％，明矾石25～40％，预制膨润土1～8％，余量为粉煤灰。
在本方案的一种优选实施方式中，所述的步骤S3具体操作为：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料。
在本方案的一种优选实施方式中，所述的步骤S4得到的预处理膨润土其含水率为40～60％。
进一步地，所述的步骤S4得到的预处理膨润土其含水率为45～55％。
在本方案的一种优选实施方式中，所述步骤S4具体操作为：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得含水率为40～60％预处理膨润土。
本发明的有益效果是：
本发明制备方法先将平均粒径小于1000目的钙基膨润土在通入水雾增湿的情况下，进行球磨，得预处理膨润土，再巧妙采用球磨的方式将含水率较高的预处理膨润土均匀分布在膨胀剂颗粒的表面形成防水层，从而暂隔膨胀剂颗粒与水接触，延缓其作用时间；并同时控制膨胀剂的粒径，进一步有利于延缓其作用时间，从而本方案的膨胀效果明显，制得的产品活性高，且工艺简单。
附图说明
图1为本发明实施例2所得产品的稠化曲线图；
图2为本发明未加膨胀剂的膨胀曲线图；
图3为市面通用的膨胀剂膨胀曲线图；
图4为本发明实施例2所制得的膨胀剂膨胀曲线图；
图5为本发明对比例所制得的膨胀剂膨胀曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
一种高活性油井水泥膨胀剂，按百分比计包括：石灰石38％，明矾石40％，预制膨润土3％，余量为粉煤灰。
其中，膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径为2000目。
制备步骤：
步骤一：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤二：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料；
步骤三：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得到含水率达到46％的预处理膨润土；
步骤四：将烧结料加入球磨至平均粒径10目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到200目，结束球磨，放料得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
实施例2
一种高活性油井水泥膨胀剂，按百分比计包括：石灰石60％，明矾石25％，预制膨润土6％，余量为粉煤灰。
其中，膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径为3000目。
制备步骤：
步骤一：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤二：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料；
步骤三：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得到含水率达到50％的预处理膨润土；
步骤四：将烧结料加入球磨至平均粒径10目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到200目，结束球磨，放料得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
实施例3
一种高活性油井水泥膨胀剂，按百分比计包括：石灰石50％，明矾石30％，预制膨润土7％，余量为粉煤灰。
其中，膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径为3000目。
制备方法：
步骤一：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤二：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料；
步骤三：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得到含水率达到55％的预处理膨润土；
步骤四：将烧结料加入球磨至平均粒径10目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到200目，结束球磨，放料得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
实施例4
一种高活性油井水泥膨胀剂，按百分比计包括：石灰石60％，明矾石25％，预制膨润土6％，余量为粉煤灰。
其中，膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径为3000目。
制备方法：
步骤一：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤二：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料；
步骤三：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得到含水率达到50％的预处理膨润土；
步骤四：将烧结料加入球磨至平均粒径10目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到100目，结束球磨，放料得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
实施例5
一种高活性油井水泥膨胀剂，按百分比计包括：石灰石50％，明矾石30％，预制膨润土7％，余量为粉煤灰。
其中，膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径为3000目。
制备方法：
步骤一：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤二：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料；
步骤三：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得到含水率达到55％的预处理膨润土；
步骤四：将烧结料加入球磨至平均粒径10目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到100目，结束球磨，放料得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
对比例
一种高活性油井水泥膨胀剂，按百分比计包括：石灰石60％，明矾石25％，预制膨润土6％，余量为粉煤灰。
其中，膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径为3000目。
制备步骤：
步骤一：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤二：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料；
步骤三：将烧结料加入球磨至平均粒径10目，加入膨润土，继续球磨至平均粒径达到200目，结束球磨，放料得到油井水泥膨胀剂。
进一步地，对实施例2所得膨胀剂、对比例所得膨胀剂以及市售膨胀剂分别进行膨胀性能测试，测试结果如下表：
样品 相对膨胀率 附图
市售膨胀剂 1.56％ 图3
实施例2 1.95％ 图4
对比例 1.68％ 图5
未添加膨胀剂 - 图2
对实施例2所得产品进行稠化实验，其稠化曲线如图1所示，稠化曲线正常，说明该膨胀剂与其他外加剂的相容性良好，从而不影响浆体的其他性能，配制的水泥浆流动性好，满足固井要求；且实施例2的相对膨胀率明显优于对比例和市售产品，说明本方案方法所制得的膨胀剂其膨胀性能更优，膨胀效果明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高性能油井水泥膨胀剂的制备方法，其特征在于，该方法操作步骤如下：
步骤S1：按照油井水泥膨胀剂成分配方准备原料石灰石、明矾石、粉煤灰、理膨润土；
步骤S2：将石灰石、明矾石和粉煤灰进行球磨，得预制料；
步骤S3：将预制料煅烧，然后快速冷却，得烧结料；
步骤S4：搅拌膨润土，并同时向膨润土中通入水雾增湿，得预处理膨润土；
步骤S5：将烧结料加入球磨至平均粒径10～30目，加入预处理膨润土，继续球磨至平均粒径达到100～200目，结束球磨，得到高性能油井水泥膨胀剂成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的膨润土为钙基膨润土，且其平均粒径＜1000目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，油井水泥膨胀剂成分配方按百分比计为：石灰石38～65％，明矾石25～40％，预制膨润土1～8％，余量为粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的一种高性能油井水泥膨胀剂及其制备方法，其特征在于：所述的步骤S3具体操作为：将预制料放入850～1000℃下煅烧2h，快速冷却至50℃以下，得烧结料。
5.根据权利要求1所述的一种高性能油井水泥膨胀剂及其制备方法，其特征在于：所述的步骤S4得到的预处理膨润土其含水率为40～60％。
6.根据权利要求5所述的一种高性能油井水泥膨胀剂及其制备方法，其特征在于：所述的步骤S4得到的预处理膨润土其含水率为45～55％。
7.根据权利要求5所述的一种高性能油井水泥膨胀剂及其制备方法，其特征在于：所述的步骤S4具体操作为：用混料机对膨润土进行搅拌，同时用雾化机向混料机中通入水雾，得含水率为40～60％预处理膨润土。
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