[发明专利]一种用于超高温深井的固井水泥及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种用于超高温深井的固井水泥及其制备方法和应用。该用于超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、第一抗强度衰退剂：40～80份、第二抗强度衰退剂：3～10份、填充剂：5～10份，其中：第一抗强度衰退剂为硅粉，第二抗强度衰退剂选自三氧化二铝、氢氧化铝、氧化锌、氢氧化锌和氯化锶中的一种或多种。本发明所提供的用于超高温深井的固井水泥，能够解决现有固井水泥石在200℃～240℃的超高温深井水热环境下长期强度发生严重衰退的问题，从而有效提高了高温下井身质量，实现层间有效封隔，确保井筒水泥环长期密封完整性，延长油井寿命。并且还具有制备工艺简单、施工作业方便的优点。

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，尤其涉及一种用于超高温深井的固井水泥及其制备方法和应用。

背景技术

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，井底温度高于200℃的超高温深井不断出现。固井水泥石在超高温环境下的强度极易发生快速衰退，导致层间封隔失效，将严重影响高温深井井筒长期完整性，缩短油井寿命。

针对水泥石高温长期强度衰退的问题，国内外开展了大量研究。通用的做法，是在温度高于110℃的情况下，向水泥中加入硅粉、微硅等硅质材料作为强度稳定剂，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；而在加入硅粉、微硅等硅质材料后，水泥中的钙硅比降至1：1左右，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，硅粉等强度稳定剂的加量会有所不同，一般温度越高，硅粉掺量也相应增大。比如在110～150℃以下的高温环境下，硅粉合理掺量约为30％；在150～180℃的高温环境下，一般要求掺加35％～40％硅粉；温度超过180℃时，需要加入40％以上的细硅粉，或者更多的较粗硅粉。

目前，国内外关于超高温水泥研究主要集中于稠油热采井领域。稠油热采井的热采环境温度较高(最高可达300℃以上)，大量研究表明，掺加40％～60％粗硅粉的热采井耐高温固井水泥石，在高于300℃环境下长期强度可保持基本稳定，满足稠油热采井固井要求。

关于超高温深井(按国际和国内石油行业通用的概念，指井底静止温度高于200℃、井深超过4500m的井)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。有研究表明，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。

超高温深井不同于稠油热采井固井，稠油热采井的耐高温水泥石采用低温(约50℃)成型后再高温养护的方式，而超高温深井耐高温水泥石则是直接模拟井下实际温度(一般200℃～240℃)进行养护，因此两者之间的高温水化过程存在明显不同，导致满足热采井(热采注蒸汽温度＞300℃)的耐高温水泥石配方，反而在超高温深井(200℃～240℃)环境下发生明显衰退。

总体而言，对于超高温深井耐高温水泥石，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，提供一种用于超高温深井的固井水泥配方及配套的制备工艺，防止固井水泥石在200℃～240℃的超高温深井水热环境下的长期强度发生严重衰退，对于改善高温深井水泥石界面胶结能力，减少环空气窜风险，保障井筒水泥环长期密封完整性，延长油井寿命，具有非常实际的意义。

发明内容