一种固井用抗高温强度衰退材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种固井用抗高温强度衰退材料及其制备方法，涉及油气田开发固井材料技术领域。本发明是从水泥水化产物的角度出发以解决强度衰退的问题。本发明的抗高温强度衰退材料其组分按照重量百分比计，包括55%‑75%锂渣，10%‑20%加气混凝土废料，10%‑20%陶瓷废料，5%碳粉。本发明的抗高温强度衰退材料适用于高温环境，将其掺入到水泥浆体系中制备得到水泥石，可保证在高温环境下水泥石强度不衰退。本发明的抗高温强度衰退材料具有抗压强度高、抗高温强度衰退特点。

权利要求

1.一种固井用抗高温强度衰退材料，其特征在于，该抗高温强度衰退材料按重量百分比计由以下原料组成：锂渣：55% 75%；

~

加气混凝土废料10% 20%；

~

陶瓷废料：10% 20%；

~

碳粉5%；

所述锂渣的成分中SiO2≥55%，Al2O3≥25%，粉体细度≥600目；所述加气混凝土废料主要成分为托勃莫来石和二氧化硅，粉体细度≥600目；所述陶瓷废料中，ZrO2≥95%，粉体细度≥600目。

2.如权利要求1所述的一种固井用抗高温强度衰退材料，其特征在于：所述碳粉有效物质含量≥98%，粉体细度≥600目。

3.如权利要求1或2所述的一种固井用抗高温强度衰退材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体为：首先将锂渣、加气混凝土废料、陶瓷废料和碳粉按照权利要求1所述比例混合，烘干后通过磨机粉磨，控制粉体细度≥600目；得到所述固井用抗高温强度衰退材料。

说明书

一种固井用抗高温强度衰退材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及油气田开发固井材料技术领域，更具体地说涉及一种固井用抗高温强度衰退材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 油气开采过程中水泥石长期处于井下高温高压环境中，在油气井服役期内必须要保证水泥石的力学强度、胶结性能和层间封隔效果达到要求。常规硅酸盐加砂水泥浆体系在高温及超高温环境下存在诸多问题，水泥石高温强度衰退、开裂、收缩和水泥浆高温稳定性差等问题尤为突出。目前针对硅酸盐水泥石高温力学性能改善的研究主要集中在高温条件下石英砂掺量、级配等方面。但是研究表明仅仅依靠在水泥中加砂的方式是无法解决高温环境下水泥石的力学性能衰退的问题，因此亟需开发出一种固井用抗高温强度衰退材料来改善硅酸盐水泥体系的力学性能。

[0003] 如公开日为2021年3月30日，公开号为CN112574730A，名称为“一种油井水泥强度衰退抑制剂”的发明专利申请，该发明专利申请公开的强度衰退抑制剂包括如下组分：组分(1)，二氧化硅，30‑60份；组分(2)，三氧化二铝，40‑70份。该发明的油井水泥强度衰退抑制剂可以改变水泥水化产物，提高水泥石的密实性，降低水泥石的孔隙度和渗透率，从而可以有效抑制超深井高温复杂条件下油井水泥强度的衰退，适用温度范围广，且不会对水泥浆性能产生不利影响。

[0004] 又如公开日为2021年3月9日，公开号为CN112457831A，名称为“一种油井水泥石高温稳定剂及其应用”的发明专利申请，主要包括如下质量百分比的各组分：沉淀二氧化硅40‑60％；氧化铝粉30‑40％；海泡石粉5‑15％；玄武岩全切纤维5‑10％；碳纳米管1‑2％。该发明的油井水泥石高温稳定剂能够形成一套适用于超高温、稠油热采及地热井固井需求的水泥浆体系，各项性能满足施工要求，形成的水泥石环耐高温，能有效避免火驱、气驱施工后水泥石抗压强度衰退，保证水泥环的完整性，避免因水泥石破碎造成环空带压及套管损坏。

[0005] 又如，2020年，刘景丽等人在《钻井液与完井液》期刊发表了论文《一种油井水泥石高温稳定剂》，该油井水泥石高温稳定剂是一种以多种氢氧化物为主，辅以适量抗高温纤维组成的固体粉末。这些物质作为惰性外掺料组分，低温不参与水化反应，不影响水泥浆的各项性能。在高温下，稳定剂里的氢氧化物组分耐高温、不燃烧，具有很好的吸热作用，在320～490 ℃高温下发生相变、脱水吸热分解反应，消耗大量的脱水热，分解生成的活性氧化物附着于水泥石表面又进一步阻止了地热、蒸汽、火焰对水泥石内部的影响。稳定剂里的抗高温纤维在高温条件下具有良好增强作用，遇火发生裂解、软化、收缩，大部分热量被带走，降低了水泥环表面和火焰区的温度，进而防止水泥环抗压强度衰退，保持水泥环的完整性。

[0006] 上述现有技术中主要从颗粒级配及粒度分布方向出发，提高水泥石的致密度来改善水泥石抗高温强度衰退的现象，少有研究从水泥水化产物的角度出发解决强度衰退的问题。因此，研发出一种适用于高温环境下保证水泥强度不衰退的材料尤为重要。

发明内容

[0007] 为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种固井用抗高温强度衰退材料及其制备方法，本发明的发明目的在于提供一种从水泥水化产物的角度出发解决强度衰退的问题的抗高温强度衰退材料。本发明的抗高温强度衰退材料其组分按照重量百分比计，包括55%‑75%锂渣，10%‑20%加气混凝土废料，10%‑20%陶瓷废料，5%碳粉。本发明的抗高温强度衰退材料适用于高温环境，将其掺入到水泥浆体系中制备得到水泥石，可保证在高温环境下水泥石强度不衰退。本发明的抗高温强度衰退材料具有抗压强度高、抗高温强度衰退特点。

[0008] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。

[0009] 本发明第一方面提供了一种固井用抗高温强度衰退材料，该抗高温强度衰退材料按重量百分比计由以下原料组成：

[0010] 锂渣：55% 75%；~

[0011] 加气混凝土废料10% 20%；~

[0012] 陶瓷废料：10% 20%；~

[0013] 碳粉5%。

[0014] 进一步优选的，所述锂渣的成分中SiO2≥55%，Al2O3≥25%，粉体细度≥600目。

[0015] 进一步优选的，所述加气混凝土废料主要成分为托勃莫来石和二氧化硅，粉体细度≥600目。

[0016] 进一步优选的，所述陶瓷废料中，ZrO2≥95%，粉体细度≥600目。

[0017] 进一步优选的，所述碳粉有效物质含量≥98%，粉体细度≥600目。

[0018] 本发明第二方面提供了一种固井用抗高温强度衰退材料的制备方法，该制备方法具体为：

[0019] 首先将锂渣、加气混凝土废料、陶瓷废料和碳粉按照上述比例混合，烘干后通过磨机粉末，控制粉体细度≥600目；得到所述固井用抗高温强度衰退材料。

[0020] 与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

[0021] 1、本发明的固井用抗高温强度衰退材料，能够有效提高水泥石高温抗压强度，且能够保证水泥石高温环境下抗压强度不衰退。

[0022] 2、本发明的固井用抗高温强度衰退材料，使用锂渣、加气混凝土废料、陶瓷废料等固废作为主要原材料，能够大大减少固废对于环境的污染；同时由于这些固废的主要成分为活性的SiO2和Al2O3，大大减小了水泥浆体系中对硅砂的使用；在保护环境的同时，降低材料成本，该发明具有绿色环保，成本低廉、性能优异的特点。

[0023] 3、本发明申请的固井用抗高温强度衰退材料，利用锂渣和加气混凝土废料中活性二氧化硅含量高的特点保证了水泥浆体系的钙硅比及高温强度。抗高温强度衰退材料中的陶瓷废料具有大量的ZrO2，由于其本身优异的耐高温性能，进一步提高了水泥石高温强度和抗高温性能。锂渣中的活性氧化铝固溶在高温水化产物托勃莫来石和加气混凝土废料中的托勃莫来石中形成铝代托勃莫来石，阻碍了托勃莫来石向硬硅钙石转变，从而提高了水泥石抗高温强度衰退的性能。碳粉作为一种惰性材料，填充于水泥石的孔隙中且形成一定的缺陷，为水化产物的形成提供结晶点，促进水泥水化，不仅提高了水泥早期强度，而且还提高了水泥石的致密度，进而保证水泥石高温下的抗压强度。依据协同增效的作用原理，按照一定的比例混合而成的固井用抗高温强度衰退材料具有绿色环保，耐高温，抑制强度衰退，成本低的特点。

具体实施方式

[0024] 下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 下实施例均按照GB/T19139标准制备水泥浆，其中G级油井水泥由嘉华特种水泥股份有限公司提供，高温缓凝剂和高温降失水剂为卫辉市化工有限公司提供，高温缓凝剂为AMPS类聚合物；高温降失水剂2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸类聚合物；高温稳定剂为黏土类矿物。

[0026] 实施例1

[0027] 作为本发明一较佳实施例，本实施例采用的固井用抗高温强度衰退材料具体组分如下表所示：

[0028]

[0029] 所述锂渣的成分中SiO2≥55%，Al2O3≥25%，粉体细度≥600目。所述加气混凝土废料主要成分为托勃莫来石和二氧化硅，粉体细度≥600目。所述陶瓷废料中，ZrO2≥95%，粉体细度≥600目。所述碳粉有效物质含量≥98%，粉体细度≥600目。将上述原料按比例混合粉磨后，控制粉体细度≥600目；得到所述固井用抗高温强度衰退材料1#产品。

[0030] 实施例2

[0031] 作为本发明一较佳实施例，本实施例采用的固井用抗高温强度衰退材料具体组分如下表所示：

[0032]

[0033] 所述锂渣的成分中SiO2≥55%，Al2O3≥25%，粉体细度≥600目。所述加气混凝土废料主要成分为托勃莫来石和二氧化硅，粉体细度≥600目。所述陶瓷废料中，ZrO2≥95%，粉体细度≥600目。所述碳粉有效物质含量≥98%，粉体细度≥600目。将上述原料按比例混合粉磨后，控制粉体细度≥600目；得到所述固井用抗高温强度衰退材料2#产品。

[0034] 实施例3

[0035] 作为本发明一较佳实施例，本实施例采用的固井用抗高温强度衰退材料具体组分如下表所示：

[0036]

[0037] 所述锂渣的成分中SiO2≥55%，Al2O3≥25%，粉体细度≥600目。所述加气混凝土废料主要成分为托勃莫来石和二氧化硅，粉体细度≥600目。所述陶瓷废料中，ZrO2≥95%，粉体细度≥600目。所述碳粉有效物质含量≥98%，粉体细度≥600目。将上述原料按比例混合粉磨后，控制粉体细度≥600目；得到所述固井用抗高温强度衰退材料3#产品。

[0038] 对比例1

[0039] G级油井水泥+2%高温稳定剂+2%高温缓凝剂+4%高温降失水剂，按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得1号固井水泥浆体系。

[0040] 实施例4

[0041] G级油井水泥+20%抗高温强度衰退材料1#产品+2%高温稳定剂+2%高温缓凝剂+4%高温降失水剂，按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得2号固井水泥浆体系。

[0042] 实施例5

[0043] G级油井水泥+20%抗高温强度衰退材料2#产品+2%高温稳定剂+2%高温缓凝剂+4%高温降失水剂，按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得3号固井水泥浆体系。

[0044] 实施例6

[0045] G级油井水泥+20%抗高温强度衰退材料3#产品+2%高温稳定剂+2%高温缓凝剂+4%高温降失水剂，按照GB/T19139标准制备水泥浆，水灰比0.44，得4号固井水泥浆体系。

[0046] 实施例7

[0047] 作为本发明又一较佳实施例，本实施例是对对比例1和实施例4‑6中得到的水泥浆工程性能进行测试。按照下述配方进行210℃实验：实验结果如下表所示：

[0048]

[0049] 根据上表中的实验数据，可以得出1‑4号固井水泥浆体系各项高温工程性能良好，满足施工要求。且本发明中抗高温强度衰退材料与高温缓凝剂、降失水剂等具有良好的配伍性，安全可泵时间可控，过渡时间短，有利于提高高温固井作业施工安全。

[0050] 实施例8

[0051] 作为本发明又一较佳实施例，将上述对比例1和实施例4‑6中得到的水泥浆样品，倒入铜模成型后放入高温养护釜中养护，养护温度为250℃，养护周期为2d、7d、28d。采用NYSQ‑2017压力试验机进行抗压强度的测试，检测结果见下表。

[0052] 表1为对比例1和实施例4‑6的固井水泥浆体系的抗压强度测试结果

[0053]

[0054] 由上表中的数据可知，1‑4号水泥浆体系在养护一定的龄期后，1号水泥浆体系抗压强度低且出现衰退现象，2‑4号水泥浆体系抗压强度高，且并未出现衰退的现象。表明本发明中的技术方案所提供的水泥浆体系抗高温性能好，主要由于本发明中抗高温强度衰退材料性能好。

[0055] 通过上述案例可知，采用本发明中的技术方案，加入特定的抗高温强度衰退材料后，有效改善了固井水泥高温强度稳定性，采用实施例配制的水泥浆体系高温性能良好，能够满足高温固井工程的水泥浆的性能要求。

[0056] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。