一种用于高温深井的固井水泥及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种用于高温深井的固井水泥及其制备方法和应用。该用于高温深井的固井水泥，包括如下重量份的组分：油井水泥：100份、抗强度衰退剂：30～60份、抗强度衰退助剂：10～20份和高温增强剂：5～15份；其中，抗强度衰退剂为硅粉和微硅中的一种或两种；抗强度衰退助剂为高岭土、沸石、硅灰石和硅藻土中的一种或多种；高温增强剂选自纳米膨润土、纳米TiO

A kind of cementing cement for high temperature deep well and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温深井的固井水泥及其制备方法和应用
本专利技术属于石油钻井
，具体涉及一种用于高温深井的固井水泥及其制备方法和应用。
技术介绍
固井是将水泥注入套管和地层之间的环形空间并经过凝固以形成水泥环的过程，其目的是利用水泥环的胶结作用和硬度，实现地层的有效层间封隔、支撑并保护套管，从而保障井筒长期密封完整性，延长油井寿命。良好的井筒长期完整性对油井正常生产、持续稳产具有重要意义。随着油气勘探的深入进行，深井、超深井等复杂油气藏钻井数量日益增加，井底静止温度高于150℃甚至高于180℃的高温深井不断出现，因此对水泥环长期密封性能提出了更高的要求。固井水泥石的强度能否在长期高温环境下保持稳定，是保证高温油井水泥环长期密封完整性、延长油井寿命的关键因素。但是，固井水泥石在高温环境下的强度极易发生快速衰退，严重影响高温深井井筒长期完整性，导致油井寿命大大缩短。针对这一问题，国内外开展了大量相关研究。通用的做法，是在温度高于110℃的情况下，向水泥中加入30～40％甚至更多的硅粉、微硅等硅质材料作为防强度衰退剂，其主要原理为：在温度高于110℃时，水泥主要水化产物CSH凝胶结构不稳定，会逐渐转变成结构疏松、强度较低的α-C2SH晶相，导致水泥石强度降低、渗透率增加；在加入硅粉、微硅等硅质材料后，将水泥中的钙硅比降至1：1或更低，从而生成结构致密、强度高的雪硅钙石(C5S6H5)等有利晶相，从而保障了水泥石的长期强度稳定。其中，针对不同的温度区间，硅粉、微硅等防强度衰退剂的加量会有所不同，一般温度越高，硅粉、微硅等的掺量也相应增大。比如在110～150℃以下的高温环境下，硅粉合理掺量约为30％；在温度高于150℃的高温环境下，一般要求掺加35％或者更多的硅粉。但是，关于高温深井(井底静止温度为150～200℃、井深为4500～6000m)水泥石的研究多局限于7天以内的短期强度研究，而长期强度衰退的研究相对较少。实验结果表明，在180℃以上高温环境下，加入40％～60％的硅粉作为强度稳定剂，7天以内短期强度均不会发生明显变化，但是水泥石28天长期强度往往会产生较大程度的衰退，衰退率最多可达60％以上，直接影响井筒水泥环长期密封性能。同时，高温深井不同于热采井固井，其水泥高温水化过程存在很大不同，热采井耐高温水泥石采用低温(约50℃)成型后再高温养护的方式，而高温深井耐高温水泥石则是直接模拟井下实际温度(150～200℃)进行养护，两者之间的水化过程存在明显不同，导致满足热采井(>300℃)的耐高温水泥石配方，反而在高温深井环境下发生明显衰退。总体而言，对于高温深井固井水泥石，如何有效抑制长期强度过大衰退，目前缺少有效应对手段。因此，提供一种用于高温深井的耐高温固井水泥配方及配套的制备工艺，防止固井水泥石在150℃～200℃的高温水热环境下的长期强度发生严重衰退，对于保障井筒水泥环长期密封完整性，延长油井寿命，具有非常重要的实际意义。
技术实现思路
针对现有技术中的上述缺陷，本专利技术提供一种用于高温深井的固井水泥，其具有非常突出的抗强度衰退能力，能够解决现有固井水泥石在150℃～200℃的高温深井水热环境下长期强度发生严重衰退的问题。本专利技术还提供一种上述用于高温深井的固井水泥的制备方法，具有工艺简单、生产可行的特点。本专利技术还提供上述用于高温深井的固井水泥在高温深井中的应用。采用该固井水泥所形成的固井水泥石，在150℃～200℃的高温深井水热环境下的90天长期强度不会发生明显衰退。为实现上述目的，本专利技术首先提供一种用于高温深井的固井水泥，包括如下重量份的组分：油井水泥：100份、抗强度衰退剂：30～60份、抗强度衰退助剂：10～20份和高温增强剂：5～15份；其中，抗强度衰退剂为硅粉和微硅中的一种或两种混合；抗强度衰退助剂为高岭土、沸石、硅灰石和硅藻土中的一种或多种混合；高温增强剂选自纳米膨润土、纳米TiO2和纳米Fe2O3中的一种或多种混合。根据本专利技术的技术方案，通过将油井水泥与抗强度衰退剂、抗强度衰退助剂以及高温增强剂进行合理配置，使各组分协同作用，使得到的固井水泥在用于固井时所形成的水泥石的90天长期强度得以保持稳定状态，满足150℃～200℃的高温深井要求，保障井筒水泥环长期密封完整性，延长油井寿命。油井水泥是专用于油井、气井的固井工程的水泥。在本专利技术具体实施过程中，所用的油井水泥具体可以为G级油井水泥。G级油井水泥是油气井固井施工应用最普遍广泛的一种水泥材料，根据API规范，其主要成分及相应含量为CaO：62～65份、SiO2：20～25份、Al2O3：3～7份、Fe2O3：2～6份。作为固井水泥的主要成分，G级油井水泥在高温水热环境下，可与水及其它组分一起发生水化反应，生成高温下稳定的水泥石。具体的，G级油井水泥的粒径分布区间为2～150μm。在本专利技术具体实施过程中，所使用的G级油井水泥是通过商购获得，其粒径分布区间满足上述要求且平均粒径约为20～30μm，比如平均粒径约为25μm。本专利技术中，所使用的抗强度衰退剂可以是硅粉、微硅等硅质材料中的一种或至少两种的混合。作为主要的高温强度稳定剂，硅粉的主要成分为结晶态的α-石英，SiO2的含量大于96％；微硅的主要成分为无定形SiO2，且SiO2的含量大于95％。在本专利技术具体实施过程中，一般选用硅粉与微硅的混合物作为抗强度衰退剂。本专利技术对于二者的比例不做特别限定，一般控制硅粉与微硅之间的质量比为40～55：5，比如二者之间的质量比为40：5、45：5、50：5或者55：5，以使固井水泥所形成的水泥石的长期强度得以保持稳定状态。更具体的，硅粉的粒径分布区间可以为5～200μm；微硅粒径分布区间可以为0.05～3μm。在本专利技术具体实施过程中，所使用的硅粉具有上述粒径分布区间且平均粒径约为40～60μm，比如平均粒径大约在50μm；所使用的微硅粉具有上述粒径分布区间且平均粒径大约在0.15～0.25μm。以上述硅粉、微硅作为强度稳定剂主要成分，一方面降低了体系钙硅比，生成更多的热稳定性好、强度高的水化产物，防止水泥石高温强度过度衰退；另一方面通过合理设计粒径分布，兼顾水化全过程，确保前期、后期均有充足的二氧化硅参与反应，保证水泥石长期强度稳定。在本专利技术具体实施过程中，通常控制抗强度衰退剂为40～60重量份，进一步防止生成的水泥石高温强度过度衰退，保障长期强度稳定。本专利技术中，抗强度衰退助剂具体可以选自高岭土、沸石、硅灰石、硅藻土等硅铝质材料中的一种，也可以是上述硅铝质材料中两种及以上组分的混合。具体的，所使用的抗强度衰退助剂的粒径分布区间可以为1～15μm。在本专利技术具体实施过程中，所使用的抗强度衰退助剂在上述粒径分布区间内，且平均粒径约4～5.5μm，比如平均粒径约为5μm。上述抗强度衰退助剂作为辅助性的高温强度稳定剂，主要组分为火山灰活性材料，在高温下可与硅酸盐水泥水化产物发生二次水化反应，有利于改善水泥石界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高温深井的固井水泥，其特征在于，包括如下重量份的组分：/n油井水泥：100份、抗强度衰退剂：30～60份、抗强度衰退助剂：10～20份和高温增强剂：5～15份；/n其中，所述抗强度衰退剂为硅粉和微硅中的一种或两种；所述抗强度衰退助剂为高岭土、沸石、硅灰石和硅藻土中的一种或多种；所述高温增强剂选自纳米膨润土、纳米TiO

【技术特征摘要】
1.一种用于高温深井的固井水泥，其特征在于，包括如下重量份的组分：
油井水泥：100份、抗强度衰退剂：30～60份、抗强度衰退助剂：10～20份和高温增强剂：5～15份；
其中，所述抗强度衰退剂为硅粉和微硅中的一种或两种；所述抗强度衰退助剂为高岭土、沸石、硅灰石和硅藻土中的一种或多种；所述高温增强剂选自纳米膨润土、纳米TiO2和纳米Fe2O3中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的用于高温深井的固井水泥，其特征在于，所述油井水泥为G级油井水泥。


3.根据权利要求1或2所述的用于高温深井的固井水泥，其特征在于，所述油井水泥的粒径分布区间为2～150μm。


4.根据权利要求1所述的用于高温深井的固井水泥，其特征在于，所述抗强度衰退剂为硅粉与微硅的混合，且硅粉与微硅之间的质量比为40～55：5。


5.根据权利要求1或4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾正青，李鹏晓，李宁，袁中涛，何思龙，曾建国，张峰，刘爱萍，周波，夏元博，高海洋，石凌龙，刘忠飞，邹双，王中丽，王银东，徐力群，余纲，黎泽寒，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11