[發明專利]硼化鈮陶瓷微珠制備耐高溫高壓油井固井試塊的方法

有效

• 申請號: 201410487285.6
• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104326763A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 郭志東
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: C04B38/02
• 分類號: C04B38/02;C04B35/58;C09K8/473
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1.硼化鈮陶瓷微珠制備耐高溫高壓油井固井試塊的方法，包括硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠的制備、配料、混合、攪拌調漿、試模、性能試驗，硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠性能試驗包括漂浮率測定、密度、耐靜水壓強度的測定、漿液密度測定、沉降穩定性、稠化時間、降失水量、耐壓密度試驗、流動性指標、進行抗壓性能測試；

包括以下步驟：

A、硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠制備：?

第一步、配料：取粒徑1～10μm五氧化二鈮粉、粒徑3～20μm碳化硼粉和、粒徑5～15μm氧化硼比例為：7?0～80wt%：15～20?wt%：3～6?wt%；

第二步、制坯：將粒徑1～10μm五氧化二鈮粉、粒徑3～20μm碳化硼粉和、粒徑5～15μm氧化硼按第一步的重量百分比取樣混合得到混合粉，將粒徑1～10μm五氧化二鈮粉、粒徑3～20μm碳化硼粉和、粒徑5～15μm氧化硼混合粉中加入酚醛樹脂，重量比例為：1.0?wt%：0.5～0.8?wt%，將粒徑1～10μm五氧化二鈮粉、粒徑3～20μm碳化硼粉和、粒徑5～15μm氧化硼混合粉中和酚醛樹脂混合攪拌均勻，在50～100°C溫度下固化處理，將固化體在制粉機中粉碎，得到粒徑30～100μm混合粉，混合料放入模具中，在壓力機上施加1～3?MPa壓力，擠壓成型得到坯料；

第三步、高溫燒制：將第二步得到坯料放入高溫燒結爐中，在1600～2000°C下，在氫氣氣氛爐保溫燒結的時間為5～8小時，300～500°C脫碳處理得到硼化鈮粉體；

第四步、硼化鈮實心微珠的制作：將第三步得到硼化鈮粉體在球化機上加工制成粒徑5～30μm硼化鈮實心微珠粉；

第五步、硼化鈮液漿制作：硼化鈮液漿的百分比組成為：粒徑5～30μm硼化鈮60～70?wt%：水30～40?wt%；

第六步、發泡劑加入：向第五步制作的硼化鈮液漿中加入發泡劑，碳酸鈣、硫酸鉀或硫酸鈉中的一種，濃度為1～3g/L；

第七步、硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠制備：將第六步混合液漿充分攪拌過濾，采用高壓噴射高速離心旋轉噴霧法，形成微球，在分區控制的增氧燃氣爐上經過膨脹、高溫燒結、表面熔融玻化、成球，經過風力淸選分級得到5～50μm硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠、硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠壁厚在10～20μm，抗壓強度在110～250?MPa；

第八步、性能指標測試：

a、漂浮率測定：稱取粒徑5～50μm硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠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，在燒杯中漂浮的硼化鈮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，計算漂浮率，硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠在水中的漂浮率大于98%；

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

c、耐靜水壓強度的測定：?稱量硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠100克倒入靜水壓強度試管中，靜水壓強度試管與壓力泵連接，將壓力泵中的水加壓于靜水壓強度試管中，記錄壓力值，停止加壓取出試管中的硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠測量漂浮率，硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠耐靜水壓的強度在110?～250MPa；

d、檢測硼化鈮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的硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠的密度變化范圍在±0.01?g/cm³；

e、耐高溫高壓油井指的是油井作業面溫度在150～240°C，油井的深度在4000米以下的油井，抗壓強度在60?～100MPa，固井試塊的抗壓強度取決于硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠的抗壓強度，低壓低溫油井指深度小于2000米，抗壓強度小于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，抗壓強度大于60?～100MPa；

?B、硼化鈮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級油井水泥55～65?wt%、粒徑為5～50μm的硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠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，撒到高速旋轉轉筒的外表面，在滾筒外表面產生離心力將液漿拋灑，實現旋轉拋灑攪拌，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的水浴養護箱中養護24小時、48?小時，脫模后在涼水中浸泡1小時，進行性能指標測試；

第三步、性能指標測試：

a、漿液的密度測定：取第二步制作高溫高壓漿液，倒入泥漿密度計中稱量密度并讀數，耐高溫高壓漿液的密度在1.0～1.5g/cm³之間；

b、沉降穩定性：取第二步制作高溫高壓漿液倒入沉降筒，0.5小時后觀察均一性，穩定性，均一性是硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠與漿液相互融合，不再上下漂浮波動，微珠均勻分布在沉降筒的漿液中；

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級油井超細水泥、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級油井超細水泥、硼化鈮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，G級油井超細水泥、硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠、燒失量1.1%的粉煤灰、純度99.9%氧化鈣、微硅都是經過900°C以上的高溫燒制的材料，高溫電爐溫度指的大于900°C，鹽類硫酸鈉884°C的熔點，在高溫高壓油井中不易分解，穩定性強，采用燒失量1.1%的粉煤灰，燒失量低，含碳量低，燒結充分，活性高，水化反應速度快，形成凝膠狀的物質速度快，根據堆積原理，粉煤灰主要填補G油井超細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，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合，但使用量上應控制在一定范圍內，即控制在總重量的5～7?%范圍內，否則，影響試塊的強度，增大水灰比，降失水增大，收縮大漏井，其次是經過高溫燒結生成的粉煤灰，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，純度99.9%氧化鈣，氧化鈣純度越高，活性越強，水化速度快，氧化鈣水化反應時釋放出大量的熱，使漿液的溫度升高，并生成凝膠狀的物質氫氧化鈣，利于耐高溫高壓試塊的早強，溫度對試塊的早強起重要的作用，其次水化后生成的氫氧化鈣呈堿性，能夠調節漿液的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，擴散速度快，使漿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，若漿液在凝固中降失水過多，固井試塊收縮量大，造成漏井，影響固井質量，硫酸鈉與其他降失水劑相比，鈉離子擴散性強，擴散均勻一致，成本低，效果顯著，硅粉中二氧化硅含量高，提高固井試塊的抗壓強度，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，損失試塊的強度，硼化鈮陶瓷微珠的密度應在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級油井超細水泥密度在3.0～3.3g/cm³，密度計算采用加權平均；

?d、稠化時間：隨溫度變化明顯，還與外加劑添加數量種類有關，記錄稠化時間；

e、由于高溫高壓油井作業面溫度在150～240°C，常用的外加劑如早強劑、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，抗壓強度在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：減輕劑指的是硼化鈮閉孔空心陶瓷微珠的加入量應小于等于35?wt?%，外加劑必須耐溫大于300°C，添加量控制在一定范圍內，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.根據權利要求1所述的硼化鈮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。