[發明專利]耐高溫固井水泥體系及其制備方法

有效

• 申請號: 202110815046.9
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113582605B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 龐學玉;程國東;秦建鯤;孫立君
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: C04B28/02
• 分類號: C04B28/02;C04B111/27
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 嚴政

本發明涉及固井水泥制備技術領域，公開了一種耐高溫固井水泥體系及其制備方法。所述體系由固體組分和液體組分組成，并且固體組分和液體組分的重量比為1:(0.2?0.9)；其中，所述固體組分含有25?85重量％的水泥、4?60重量％的硅砂和4?60重量％的粉煤灰，并且所述硅砂和所述粉煤灰的重量比為(0.0714?14):1；所述液體組分含有水和添加劑。所述水泥體系不僅可以解決超高溫環境固井水泥石強度衰退問題，同時可解決粉煤灰帶來的土地占用和環境污染問題，促進工業固廢粉煤灰的高附加值利用。

技術領域

本發明涉及固井水泥制備技術領域，具體涉及一種耐高溫固井水泥體系及其制備方法。

背景技術

目前硅酸鹽水泥(包括常規固井水泥)是固井工程中最常用的膠凝材料，隨著淺層石油資源逐漸枯竭，油氣勘探開發逐漸向深地、深水等復雜環境拓展。深井、超高溫深井(按國際和國內石油行業通用的概念，指井底靜止溫度高于200℃、井深超過4500m的井)鉆井數量逐年增加，這些深井的井底靜止溫度可達200℃以上，超高的井底環境溫度會導致水泥石強度衰退，難以保證油井在一次固井成功之后實現井眼環空的長期有效封隔。研究表明，超過110℃時，硅酸鹽水泥凈漿水化產物C-S-H凝膠會發生結晶化，生成α型硅酸二鈣水合物、針硅鈣石等產物，導致水泥石強度衰退。

目前行業通用的解決水泥石高溫強度衰退方法是在配方中添加30％-40％的硅砂，使得晶體型水化產物轉變為性能相對較好的雪硅鈣石和硬硅鈣石來保證其強度，還可以通過進一步優化硅砂類型、細度、摻量等參數來優化配方的高溫穩定性。但是最新的研究表明(李寧等，200℃加砂硅酸鹽水泥配方優化設計及強度衰退機理[J].硅酸鹽學報,2020,48(11):1824-1833；Pang,Xueyu等,Long-term strength retrogression of silica-enriched oil well cement:A comprehensive multi-approach analysis,Cement andConcrete Research 144(2021)106424)，經過優化后的加砂硅酸鹽水泥在模擬深井井況高溫原位成型條件下，14天內強度相對穩定，但30天及以上養護期內仍然出現嚴重強度衰退，從而嚴重影響固井水泥封固效果；并且，僅依靠配方中添加硅砂無法完全解決超高溫成型條件下固井中水泥石強度衰退問題，急需開發新的固井材料。造成加砂硅酸鹽水泥長期強度衰退的原因可能是無定型C-S-H凝膠持續發生結晶化和物相轉變。這種長期強度衰退趨勢在2天至30天相對短的時間內表現為滲透率大幅上升、壓汞孔喉直徑明顯變大、以及抗壓強度明顯降低。

粉煤灰是煤燃燒過程中排出的微小灰粒，通常主要作為外摻料被廣泛應用于油井水泥和建筑水泥材料中以提高材料的環保性和耐久性等工程性能，而針對粉煤灰作為外摻料被用以解決高溫環境下固井水泥石強度衰退問題研究較少。專利申請CN112194389A公布了一種利用電石渣、硅砂、鋼渣、粉煤灰按比例粉磨煅燒得到了一種抗高溫油井水泥，但該發明為無水泥熟料體系，由于各種添加劑配伍等問題目前應用難度較大，并且該專利只是在180℃，20.5MPa條件下進行了48小時短期性能測試，無法說明其長期抗高溫衰退效果。專利CN110092597B公布了一種地聚物材料、適配緩凝劑及制備的耐高溫固井水泥漿，該發明同樣為無水泥熟料體系，且專利中并未對體系耐高溫性能進行說明。

目前關于粉煤灰與硅砂復配解決高溫固井水泥石強度衰退的研究暫未出現報道。

隨著人們環保意識的增強，各國對污染物排放的限制越來越嚴格，對水泥工業生產節能減排的要求越來越高。大摻量固廢制備合格的綠色環保材料是十分迫切的。粉煤灰作為工業副產物，每年產量大，利用率卻不高，本發明通過摻粉煤灰制備綠色環保油井水泥符合國家低碳、綠色的環保趨勢。