一种油气井水泥及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧性油气井水泥及其重要组分油气井熟料的制备方法，涉及水泥制备技术领域，所述油气井水泥包括如下重量百分比的组分：油气井熟料90‑95％，天然二水石膏5‑10％。本发明专利技术提供的油气井水泥与常规油气井水泥相比：1、48h抗压强度提高8‑12％，可达25MPa；2、抗拉强度最高可提升90％，其制备的水泥环承压能力明显提升，在模拟工况条件下，套管内压力承压可提高15MPa，水泥环受损时，仍可有效保证套管与水泥环的胶结质量；3、有更高的柔韧性，杨氏弹性模量仅在5.0‑5.5Gpa；4、有更高的强度增长率，尤其是后期抗拉强度增长明显。

【技术实现步骤摘要】
一种油气井水泥及其制备方法
本专利技术涉及油气田固井
，主要涉及一种高强高韧性油气井水泥及其重要组分油气井熟料的制备方法。
技术介绍
油气井水泥是一种无机胶凝材料，广泛应用于油气井开发的固井工程中，作为一种非均质多孔脆性复合材料，其在极端的服役条件下其力学性能，特别是韧性不能满足应用需求，从而导致水泥基体发生损坏。目前常见的油气井水泥的增韧性方法有：(1)填充颗粒法。其增韧机理为空隙填充、裂纹偏转、裂纹终止等。虽然颗粒增韧材料成本低，但活性低，时效性短，难与水泥石形成良好的胶结从而严重影响水泥石的强度。(2)纤维增韧法。其增韧机制为裂纹偏转、纤维断裂和纤维桥联等，纤维材料虽作为改善水泥石韧性最有效的方式之一，然其长径比比较大，悬浮稳定性差且成本高。(3)添加外加剂法。通过添加外加剂优化水泥石基体中钙矾石的生长，使钙矾石相的晶体长度更接近于晶须、纤维材料，虽然这种外加剂可以诱使钙矾石生产成为类晶须纤维的结构，但钙矾石晶体本身的强度不高，并不能有效的阻止裂纹的扩展，复杂工况下对水泥的韧性的提高有限。目前油田固井领域比如：页岩气工程固井、油气藏储气库、高含硫化氢油气田固井等工程，对油气井水泥的柔韧性、抗硫酸盐腐蚀性、耐久性等有较高要求的固井工程数量越来越多，开发一种性价比高、生产制备工艺简单、可操作性强的高强高韧性油气井水泥迫在眉睫，其市场前景向好。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术揭示了一种高强高韧性油气井水泥，所述油气井水泥包括如下重量百分比的组分：油气井熟料90-95％，天然二水石膏5-10％，其中，所述油气井熟料由如下重量百分比的组分制备所得：石灰石80-85％，硅石5-8％，炉渣3-5％，冶炼废渣5-8％，其中，所述冶炼废渣的铁质校正原料化学成分满足要求：碱含量≤1.0％，Fe2O3≥45％。本专利技术还提供了油气井水泥熟料的制备方法，所述方法包括步骤：S100、称取油气井水泥生料，所述生料包括如下重量百分比的组分：石灰石80-85％，硅石5-8％，炉渣3-5％，冶炼废渣5-8％，所述生料配料用冶炼废渣代替原铁矿石，其中，碱含量≤1.0％，Fe2O3≥45％；S200、将所述油气井水泥生料煅烧制得所述油气井水泥熟料，其中，所述煅烧在回转窑中进行。与现有技术相比，本专利技术所制备的高强高韧性油气井水泥的优势在于：本专利技术所制备的高强高韧性油气井水泥的力学性能满足技术指标要求：(1)常压/30℃/48小时抗压强度≥23.0MPa，28天抗压强度衰减率为0；(2)28天抗拉强度≥3.0MPa；(3)三轴力学围压15MPa的测试环境下，水泥石杨氏弹性模量≤5.50Gpa；(4)7天抗折强度≥10MPa。以下将对此种高强高韧性油气井水泥制备的工艺过程进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。具体实施方式本专利技术的总体思路是：根据目前部分学者通过对油气井水泥组分结构设计的改变使其性能提升的研究基础上，分析铁铝酸四钙作为油气井水泥的基本组成相之一，水化热低，抗冲击性性能和抗硫酸盐性能好，通过SEM分析其在水化过程中产生胶凝类的水化产物，由于凝胶的特性，其水化产物可为水泥提供一定的刚性和一定的塑形变性能力。根据其以上特性，在G级油井水泥生产技术的基础上，通过在生料配料中提高Fe2O3含量，在日产2500t/d新型干法分解窑生产线上煅烧，对回转窑系统分解炉进行技术改造：即配置有特殊分散料功能的撒料板和特殊要求安装，经入窑煅烧制得高含铁铝酸钙水泥熟料，采取变速交叉冷却工艺方法冷却熟料获得较高活性和强度。再掺加一定量的天然二水石膏经粉磨制得一种高含铁油气井水泥。最后对该高含铁油气井水泥进行综合力学性能测试评价，其力学性能常压/30℃/48小时抗压强度、28天抗压强度、28天抗拉强度、7天抗折强度、水泥石杨氏弹性模量(即韧性)、水泥环的承压能力较常规油气井水泥都有明显提升。本专利技术提供了一种油气井水泥，所述水泥油气井水泥包括如下重量组分的原料：油气井熟料90-95％，天然二水石膏5-10％，其中，所述油气井熟料由如下重量比的生料制备所得：石灰石80-85％，硅石5-8％，炉渣3-5％，冶炼废渣5-8％，其中，所述冶炼废渣的铁质校正原料化学成分满足要求：碱含量≤1.0％，Fe2O3≥45％。在一个较佳的实施例中，所述生料0.08mm细度控制指标≤20.0％，0.2mm细度控制指标≤1.2％。在一个较佳的实施例中，所述油气井熟料的矿物组成有如下重量比的控制要求：铝酸三钙C3A：≤1.0％，铁铝酸四钙C4AF≥18.0％。在一个较佳的实施例中，所述油气井水泥的力学性能检测有如下技术指标要求：常压/30℃/48小时抗压强度≥23.0MPa；28天抗压强度衰减率为0；28天抗拉强度≥3.0MPa；三轴力学围压15MPa的测试环境下，所述油气井水泥的杨氏弹性模量≤5.50Gpa。在一个较佳的实施例中，所述油气井水泥进行环力学完整性实验测试，水泥石承压大于80MPa；7天抗折强度≥10MPa。本专利技术还提供了一种油气井水泥重要组分油气井熟料的制备方法，所述方法包括步骤：S100、称取油气井水泥生料，所述生料包括如下重量比组分：石灰石80-85％，硅石5-8％，炉渣3-5％，冶炼废渣5-8％，所述生料配料用冶炼废渣代替原铁矿石，其中，碱含量≤1.0％，Fe2O3≥45％；S200、将所述油气井水泥生料煅烧制得所述油气井水泥熟料，其中，所述煅烧在回转窑中进行。在一个较佳的实施例中，煅烧过程中控制温度参数调整范围：煅烧温度1250-1300℃；二次风温：900-1000℃；三次风温：800-900℃；分解炉出口温度：750-850℃；回转窑转速：3.6-4.5r/min。在一个较佳的实施例中，煅烧过程采用篦冷机系统，所述篦冷机系统采取篦床交叉变速冷却工艺方法：篦床前段-后段“慢、中-快、快-慢、慢-快、快-慢、中”循环交叉变速冷却方法，传动频次为：18-20/20-25次/min，25-30/25-30次/min，18-20/18-20次/min，25-30/25-30，18-20/18-20次/min。本专利技术所制备的高强高韧性油气井水泥力学性能检测有如下技术指标要求：(1)常压/30℃/48小时抗压强度≥23.0MPa，28天抗压强度衰减率为0；(2)28天抗拉强度≥3.0MPa；(3)三轴力学围压15MPa的测试环境下，水泥石杨氏弹性模量≤5.50Gpa；(4)水泥环力学完整性实验，依据专利《一种高温高压固井水泥环力学完整性测试装置及方法》ZL2014105720600，进行测试，该水泥石承压大于80MPa；(5)7天抗折强度≥10MPa。油气井水泥熟料制备工艺及设备本专利技术所述的油气井水泥首次在2500t/d新型干法生产线上生产，为了防止高含铁生料在预热器系统受热后发生聚团、粘结，在生产设备方面区别于传统撒料板做成敞型喇叭口状并有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种油气井水泥，所述水泥油气井水泥包括如下重量百分比的组分：油气井熟料90-95％，天然二水石膏5-10％，其中，所述油气井熟料由如下重量百分比的生料制备而得：石灰石80-85％，硅石5-8％，炉渣3-5％，冶炼废渣5-8％，其中，所述冶炼废渣的铁质校正原料化学成分满足要求：碱含量≤1.0％，Fe

【技术特征摘要】
20210226 CN 20211022259021.一种油气井水泥，所述水泥油气井水泥包括如下重量百分比的组分：油气井熟料90-95％，天然二水石膏5-10％，其中，所述油气井熟料由如下重量百分比的生料制备而得：石灰石80-85％，硅石5-8％，炉渣3-5％，冶炼废渣5-8％，其中，所述冶炼废渣的铁质校正原料化学成分满足要求：碱含量≤1.0％，Fe2O3≥45％。


2.如权利要求1所述的油气井水泥，其中，优选的，所述生料0.08mm细度控制指标≤20.0％，0.2mm细度控制指标≤1.2％。


3.如权利要求1所述的油气井水泥，其中，所述油气井熟料的矿物组成有如下重量比的控制要求：铝酸三钙C3A：≤1.0％，铁铝酸四钙C4AF≥18.0％。


4.如权利要求1所述的油气井水泥，其中，所述油气井水泥的力学性能检测有如下技术指标要求：常压/30℃/48小时抗压强度≥21.0MPa；28天抗压强度衰减率为0；28天抗拉强度≥3.0MPa；三轴力学围压15MPa的测试环境下，所述油气井水泥的杨氏弹性模量≤5.50Gpa。


5.如权利要求1所述的油气井水泥，其中，所述油气井水...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明泽，程小伟，吕宝玉，张高寅，徐萍，李盼盼，张春梅，刘开强，
申请(专利权)人：尧柏特种水泥技术研发有限公司，西南石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61