[发明专利]一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种油气田固井用凝石胶凝材料的制备方法，属于石油和天然气开发领域。

技术背景

国内外目前用于油气开发过程中固井的胶凝材料主要是油井水泥。

传统油井水泥的高钙体系和固有水化特征(C-S-H凝胶)，使用环境(高温、高压)和施工工艺(高水灰比、高流动性)决定了其一些致命缺陷。在使用传统油井水泥固井时，为了控制流动度和稠化时间，必须将水灰比控制在较高的水平，固化时所形成的C-S-H凝胶不但含有大量的结晶水和准结晶水，而且还含有大量的自由水，同时产生化学收缩。这种C-S-H凝胶体在高温高压状态下会转变成托贝莫来石(5CaO·6SiO₂·6H₂O)和硬硅钙石(6CaO·6SiO₂·H₂O)等矿物晶体。温度越高，结晶水的含量越低。同时由于高温结晶作用，原来C-S-H凝胶所圈闭的自由水也被释放出来，结果引起水泥硬化体强烈收缩。

传统油井水泥在不加降失水剂的条件下或在由于降失水剂高温失效而导致高滤失水的现象。高滤失水会引起水泥浆流动性变差，甚至发生桥堵，引发地层流体窜流，污染油气层。

传统油井水泥硬化体是高脆性材料，因此作为基础的固井材料具有先天的缺陷。其抗拉强度只有抗压强度的1/7～1/12；抗破裂性能差，极限拉伸率只有0.02％～0.06％；抗冲击强度低，其断裂功只有20～80J/m²(为钢材的10万分之一)；弹性模量高(2.5～6.6MPa)，泊松比小(0.15～0.36)。在进行射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩体/复合体上，可产生高达4×10³～2×10⁴MPa的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流”，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实：射孔前CBL/VDL/SBT测井固井质量为优质，而射孔后CBL/VDL/SBT测井质量却不合格。吉林油田三井次的CBL/VDL测井结果也证明了射孔对隔层封固质量的破坏。大庆油田统计了722口套损井的990个套损点，其中在射孔井段附近的套损点占56.0％，中原油田的764口套损井，有258口井在射孔段，占61.4％。

传统油井水泥的真密度在2.8g/cm³左右，由于颗粒较粗(比表面积为280m²/Kg左右)，很难配出低密度的水泥浆。如果简单采用加大水灰比的方法配制低密度水泥浆(密度低于1.8g/cm³)和超低密度水泥浆(密度低于1.5g/cm³)，将进一步劣化水泥浆的其它性能，如水泥浆硬化体的收缩会急剧增大，抗滤失性能会急剧下降，强度会大幅降低，抗渗性能和抗化学侵蚀性能也会明显劣化。而把上述传统油井水泥进一步磨细则会导致稠化时间难以控制，失去使用意义。

传统水泥浆的高密度将会在地层中产生压差。一些裂缝发育、承压能力低、压力窗口小的地层将会在固井过程中发生严重井漏，在多套压力层系、长封固段和低压易漏性的固井施工中尤为突出，已成为国内外油田普遍存在且尚未解决的技术难题之一。因此，传统油井水泥的固有缺陷可概括为“四高”，即高收缩、高脆性、高滤失、高密度。虽然近些年来很多固井工作者围绕着上述技术难题开展了大量的研究工作，并开发出了以加入漂珠、膨胀珍珠岩等轻骨料为特征的低密度和超低密度水泥浆，以加入各种纤维或其它颗粒为特征的自堵漏水泥浆，以及以加入降失水剂和膨胀剂为特征的低滤失双膨胀水泥浆体系。但是由于所有研究和改进都是以传统水泥的高钙体系为基础，导致所做的改进都没有跳出传统油井水泥高钙体系水化硬化理论的束缚，导致新型的水泥浆体系或因为成本过高而难于推广，或由于一些性能的改进又引发其它一些性能的劣化。特别是由于滤饼顶替不完全而导致滤饼失水收缩和二界面胶结质量差的问题，高温地下流体侵蚀问题，以及抗渗透问题一直没有得到很好的解决。

我国许多大油田经几十年的开采都到了后期阶段，这些油田的地层经强采、强注、高速开采后地层压力都呈严重非均质状态。进一步加剧了固井的困难。同时部分油井由于采用长封固段技术，环空顶替动态液柱压力大，固井顶替过程中易发生井漏；水泥浆顶底部温差大，对确保全井封固段质量难度较大，水泥浆在凝固过程中所产生的失重、挂壁和体积收缩现象严重，易造成地层流体侵入。