[發(fā)明專利]硼化鋯陶瓷微珠制備耐高溫高壓油井固井試塊的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410483464.2
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN104261836A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭志東
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/58
• 分類號(hào): C04B35/58;C04B35/622;C04B28/00;C04B14/32
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1.硼化鋯陶瓷微珠制備耐高溫高壓油井固井試塊的方法，包括硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的制備、配料、混合、攪拌調(diào)漿、試模、性能試驗(yàn)，硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠性能試驗(yàn)包括漂浮率測定、密度、耐靜水壓強(qiáng)度的測定、漿液密度測定、沉降穩(wěn)定性、稠化時(shí)間、降失水量、耐壓密度試驗(yàn)、流動(dòng)性指標(biāo)、抗壓性能測試；?

包括以下步驟：

A、硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠制備：

第一步、配料：取粒徑1～10μm氧化鋯粉、粒徑5～15μm碳化硼粉、粒徑1～10μm氧化硼比例為：75～85wt%：12～20?wt%：3～5wt%；

第二步、制坯：將粒徑1～10μm氧化鋯粉、粒徑5～15μm碳化硼粉、粒徑1～10μm氧化硼按第一步的重量百分比取樣混合得到混合粉，攪拌均勻，將粒徑1～10μm氧化鋯粉、粒徑5～15μm碳化硼粉、粒徑1～10μm氧化硼混合粉中加入酚醛樹脂，比例為：1.0?wt%：0.5～0.8?wt%，粒徑1～10μm氧化鋯粉、粒徑5～15μm碳化硼粉、粒徑1～10μm氧化硼與酚醛樹脂混合攪拌均勻，在50～100°C溫度下固化處理，將固化體在制粉機(jī)中粉碎，得到粒徑10～20μm混合粉，混合料放入模具中，在壓力機(jī)上施加1～3?MPa壓力，擠壓成型得到坯料；

第三步、高溫?zé)疲簩⒌诙降玫脚髁戏湃敫邷責(zé)Y(jié)爐中，在1600～2000°C下，在氫氣氣氛爐保溫?zé)Y(jié)的時(shí)間為5～8小時(shí)，300～500°C脫碳處理得到硼化鋯粉體；

第四步、硼化鋯實(shí)心微珠的制作：將第三步得到硼化鋯粉體在球化機(jī)上加工制成粒徑5～15μm硼化鋯圓球狀的實(shí)心顆粒；

第五步、硼化鋯漿液制作：硼化鋯液漿的百分比組成為：粒徑5～15μm硼化鋯?65～70?wt%：水30～35?wt%；

第六步、發(fā)泡劑加入：向第五步制作的硼化鋯漿液中加入發(fā)泡劑，碳酸鈣、硫酸鉀或硫酸鈉中的一種，濃度為1～3g/L；

第七步、硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠制備：將第六步混合漿液充分?jǐn)嚢柽^濾，采用高壓噴射高速離心旋轉(zhuǎn)噴霧法，形成微球，在分區(qū)控制的增氧燃?xì)鉅t上經(jīng)過脫水膨脹、高溫?zé)Y(jié)、表面熔融玻化、成球，經(jīng)過風(fēng)力淸選分級(jí)得到5～50μm硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠、硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠壁厚在10～20μm，抗壓強(qiáng)度在150～250?MPa；?

第八步、性能指標(biāo)測試：

a、漂浮率測定：稱取粒徑5～50μm硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠100克，倒入1000毫升的燒杯中，再倒入500毫升自來水倒于燒杯中，用玻璃棒攪拌，靜置1小時(shí)，在燒杯中漂浮的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠為漂珠，在燒杯底部沉淀為沉珠，將燒杯中漂珠和沉珠分別取出并烘干稱重，計(jì)算漂浮率，硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠在水中的漂浮率大于98%；

b、測量硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的密度：取100毫升的容量瓶稱重得G₁，再將硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠倒入100毫升容量瓶中，硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠凹面與100毫升容量瓶的刻度線相切，稱量硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠與瓶重得G₂，?100毫升硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠凈重量為G₂-?G₁，根據(jù)質(zhì)量、密度和體積得m=ρ?V?，密度ρ=（G₂-?G₁）/?V，根據(jù)耐高溫高壓試塊的固井要求，試塊密度在1.0～1.5g/cm³，而硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠密度在0.5g/cm³～0.85?g/cm³之間；

c、耐靜水壓強(qiáng)度的測定：?稱量硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠100克倒入靜水壓強(qiáng)度試管中，靜水壓強(qiáng)度試管與壓力泵連接，將壓力泵中的水加壓于靜水壓強(qiáng)度試管中，記錄壓力值，停止加壓取出試管中的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠測量漂浮率，硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠耐靜水壓的強(qiáng)度在150?～250MPa；

d、檢測硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的密度變化值：同一批次不同位置的取樣點(diǎn)的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的密度變化范圍在±0.01?g/cm³；即同一批次的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的密度要求在0.7?g/cm³，則取樣點(diǎn)樣品的密度應(yīng)控制在0.69?g/cm³?～0.71g/cm³之間；

B、硼化鋯陶瓷微珠制備耐高溫高壓油井固井試塊：

第一步、配料：配料：將G級(jí)油井水泥55～65?wt%、粒徑為5～50μm的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠25～35?wt%、燒失量1.1%的粒徑20～50μm粉煤灰5～7?wt%、純度99.9%氧化鈣1.5～2?wt%、硫酸鈉0.5～1.0?wt%和粒徑5～20μm微硅1～3?wt%，配置漿液的PH值在8.0?～10.5之間；

第二步、制作高溫高壓固井試塊：以0.5～0.7（W/C）的水灰比，將漿液通過液泵抽吸，噴撒到高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒的外表面，在滾筒外表面產(chǎn)生離心力將漿液拋灑，實(shí)現(xiàn)拋灑旋轉(zhuǎn)攪拌，而傳統(tǒng)的葉片高速攪拌容易將減輕劑微珠打碎，漿液上下翻滾才能攪拌均勻，將一部分測試倒入一組二塊試模，試模的長、寬、高分別53mm*53mm*53mm，在恒溫52°C的水浴養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24小時(shí)、48?小時(shí)，脫模后在涼水中浸泡1小時(shí)，進(jìn)行性能指標(biāo)測試，將G級(jí)油井水泥55～65?wt%、粒徑為20～50μm的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠25～35?wt%、燒失量1.1%的粉煤灰5～7?wt%、純度99.9%氧化鈣1.5～2?wt%、硫酸鈉0.5～1.0?wt%和微硅1～3?wt%中的混合料，若水使用量超過0.5～0.7范圍，漿液凝固時(shí)間長，早期強(qiáng)度低，降失水過多，試塊降失水大于50ml/30min，試塊收縮量大，造成漏井，影響固井質(zhì)量；

第三步、性能指標(biāo)測試：

a、漿液密度測定：取第二步制作漿液，倒入漿液密度計(jì)中稱量密度g/cm³，耐高溫、高壓漿液的密度在1.0～1.5g/cm³之間，試塊密度變化率小于0.015?g/cm³，根據(jù)ρ=?m/V公式，稱出試塊的重量G₁，根據(jù)體積V₁，計(jì)算密度ρ₁，將試塊放入壓力機(jī)上加壓，稱出試塊的重量G₂，根據(jù)體積V_2，計(jì)算密度ρ₂，密度變化率為（ρ₂-ρ₁）/ρ₁，密度變化率小于說明固井試塊抗壓能力強(qiáng)，加壓后V₂體積變化小，密度ρ₂變化也小；

b、沉降穩(wěn)定性：取第二步制作漿液倒入沉降筒，0.5小時(shí)后觀察均一性，穩(wěn)定性，均一性是硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠與漿液相互融合，不再上下漂浮波動(dòng)，微珠均勻分布在漿液中；

c、原材料的性能及漿液的性能測試：固井材料可分為：基料，即G級(jí)油井超細(xì)水泥、減輕劑即漂珠或閉孔空心陶瓷微珠、外加劑，外加劑指基料和減輕劑以外的材料，測定G級(jí)油井超細(xì)水泥、硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠顆粒直徑、粉煤灰的燒失量以及活性、漿液的PH值等指標(biāo)，G級(jí)油井超細(xì)水泥、硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠、燒失量1.1%的粉煤灰、純度99.9%氧化鈣、微硅都是經(jīng)過900°C以上的高溫?zé)频牟牧希邷仉姞t溫度指的大于900°C，鹽類硫酸鈉884°C的熔點(diǎn)，在高溫高壓油井中不易分解，穩(wěn)定性強(qiáng)，采用燒失量1.1%的粉煤灰，燒失量低，含碳量低，燒結(jié)充分，活性高，水化反應(yīng)速度快，形成凝膠狀的物質(zhì)速度快，根據(jù)堆積原理，粉煤灰主要填補(bǔ)G油井超細(xì)水泥和閉孔空心玻璃微珠的兩種材料粒徑間空隙，粒徑不同的顆粒兩兩相切時(shí)，相切圓之間的間隙由粉煤灰填充，使G油井水泥和閉孔空心的玻璃微珠粒緊密結(jié)合，但使用量上應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，即控制在總重量的5～7?%范圍內(nèi)，否則，影響試塊的強(qiáng)度，增大水灰比，降失水增大，收縮大漏井，其次是經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)生成的粉煤灰，具有活性，漿液的水化速度加快，燒失量低的粉煤灰需要水灰比小，有助于固井試塊的早強(qiáng)，純度99.9%氧化鈣，氧化鈣純度越高，活性越強(qiáng)，水化速度快，氧化鈣水化反應(yīng)時(shí)釋放出大量的熱，使?jié){液的溫度升高，并生成凝膠狀的物質(zhì)氫氧化鈣，利于耐高溫高壓漿液的早強(qiáng)，溫度對試塊的早強(qiáng)起重要的作用，其次水化后生成的氫氧化鈣呈堿性，能夠調(diào)節(jié)漿液的PH值，在弱堿性條件下，即PH值在8～10.5之間，能提高油井水泥的早期強(qiáng)度，硫酸鈉是一種降失水劑，降失水效果明顯，硫酸鈉中的鈉離子，具有反滲透功能，擴(kuò)散速度快，使?jié){液在凝固中析出部分水，硫酸鈉用量多少，對漿液的降失水起重要作用，合理降失水有利于水泥石的早強(qiáng)，若漿液在凝固中降失水過多，固井試塊收縮量大，造成漏井，影響固井質(zhì)量，硫酸鈉與其他降失水劑相比，鈉離子擴(kuò)散性強(qiáng)，擴(kuò)散均勻一致，成本低，效果顯著，硅粉中二氧化硅的含量高，提高試塊的抗壓強(qiáng)度，外加劑必須控制使用量，不能用外加劑代替減輕劑，更不能用外加劑代替基料油井水泥，損失試塊的強(qiáng)度，即制備耐高溫高壓固井試塊的硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠密度應(yīng)在0.5g/cm³～0.85?g/cm³之間，而粉煤灰、硅粉、膨潤土、高嶺土、硅藻土、海泡石抗鹽土等密度都在2.0?g/cm³以上，不能制備密度在1.0～1.5g/cm³之間漿液，通常將1.0～1.5g/cm³之間漿液為耐高溫高壓漿液，1.6?g/cm³～1.7?g/cm³為耐中溫中壓漿液，1.8?g/cm³～1.9?g/cm³為耐低溫低壓漿液，密度不同，適用的固井范圍不同，而G級(jí)油井超細(xì)水泥密度在3.0～3.3g/cm³；

e、耐高溫高壓油井指的是油井作業(yè)面溫度在150～240°C，油井的深度在4000米以下的油井，抗壓強(qiáng)度在60?～100MPa，固井試塊的抗壓強(qiáng)度取決于硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的抗壓強(qiáng)度，低壓低溫油井指深度小于2000米，抗壓強(qiáng)度小于20?MPa，溫度在70～90°C，中壓中溫油井指深度在2000～4000米，抗壓強(qiáng)度在20～?60MPa，溫度在90～150°C，高壓高溫油井指指深度大于4000米，抗壓強(qiáng)度大于60?～100MPa；

d、稠化時(shí)間：隨溫度變化明顯，還與外加劑添加數(shù)量種類有關(guān)，記錄稠化時(shí)間；

e、由于高溫高壓油井作業(yè)面溫度在150～240°C，常用的外加劑如早強(qiáng)劑、分散劑、降失水劑、促凝劑、消泡劑等適用范圍在90°C以下，溫度升高外加劑分解失去作用，耐高溫高壓油井使用的外加劑需特別注明耐溫范圍等使用條件；

f、耐高溫、高壓是固井試塊在150～240°C溫度范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度在60～?100MPa之間，試塊密度變化率小于0.015?g/cm³；

g、減輕劑和外加劑含量的限定：減輕劑指的是硼化鋯閉孔空心陶瓷微珠的加入量應(yīng)小于等于?35?wt?%，外加劑必須耐溫大于300°C，添加量控制在一定范圍內(nèi)，即燒失量1.1%的粉煤灰5～7?wt%、純度99.9%氧化鈣1.5～2?wt%、硫酸鈉0.5～1.0?wt%和微硅1～3?wt%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼化鋯陶瓷微珠制備耐高溫高壓油井固井試塊的方法，其特征在于：制備的高溫高壓固井試塊降失水量小于50ml/30min。