[发明专利]耐高温固井水泥体系及其制备方法

说明书

本发明涉及固井水泥制备技术领域，公开了一种耐高温固井水泥体系及其制备方法。所述体系由固体组分和液体组分组成，并且固体组分和液体组分的重量比为1:(0.2‑0.9)；其中，所述固体组分含有25‑85重量％的水泥、4‑60重量％的硅砂和4‑60重量％的粉煤灰，并且所述硅砂和所述粉煤灰的重量比为(0.0714‑14):1；所述液体组分含有水和添加剂。所述水泥体系不仅可以解决超高温环境固井水泥石强度衰退问题，同时可解决粉煤灰带来的土地占用和环境污染问题，促进工业固废粉煤灰的高附加值利用。

技术领域

本发明涉及固井水泥制备技术领域，具体涉及一种耐高温固井水泥体系及其制备方法。

背景技术

目前硅酸盐水泥(包括常规固井水泥)是固井工程中最常用的胶凝材料，随着浅层石油资源逐渐枯竭，油气勘探开发逐渐向深地、深水等复杂环境拓展。深井、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)钻井数量逐年增加，这些深井的井底静止温度可达200℃以上，超高的井底环境温度会导致水泥石强度衰退，难以保证油井在一次固井成功之后实现井眼环空的长期有效封隔。研究表明，超过110℃时，硅酸盐水泥净浆水化产物C-S-H凝胶会发生结晶化，生成α型硅酸二钙水合物、针硅钙石等产物，导致水泥石强度衰退。

目前行业通用的解决水泥石高温强度衰退方法是在配方中添加30％-40％的硅砂，使得晶体型水化产物转变为性能相对较好的雪硅钙石和硬硅钙石来保证其强度，还可以通过进一步优化硅砂类型、细度、掺量等参数来优化配方的高温稳定性。但是最新的研究表明(李宁等，200℃加砂硅酸盐水泥配方优化设计及强度衰退机理[J].硅酸盐学报,2020,48(11):1824-1833；Pang,Xueyu等,Long-term strength retrogression of silica-enriched oil well cement:A comprehensive multi-approach analysis,Cement andConcrete Research 144(2021)106424)，经过优化后的加砂硅酸盐水泥在模拟深井井况高温原位成型条件下，14天内强度相对稳定，但30天及以上养护期内仍然出现严重强度衰退，从而严重影响固井水泥封固效果；并且，仅依靠配方中添加硅砂无法完全解决超高温成型条件下固井中水泥石强度衰退问题，急需开发新的固井材料。造成加砂硅酸盐水泥长期强度衰退的原因可能是无定型C-S-H凝胶持续发生结晶化和物相转变。这种长期强度衰退趋势在2天至30天相对短的时间内表现为渗透率大幅上升、压汞孔喉直径明显变大、以及抗压强度明显降低。

粉煤灰是煤燃烧过程中排出的微小灰粒，通常主要作为外掺料被广泛应用于油井水泥和建筑水泥材料中以提高材料的环保性和耐久性等工程性能，而针对粉煤灰作为外掺料被用以解决高温环境下固井水泥石强度衰退问题研究较少。专利申请CN112194389A公布了一种利用电石渣、硅砂、钢渣、粉煤灰按比例粉磨煅烧得到了一种抗高温油井水泥，但该发明为无水泥熟料体系，由于各种添加剂配伍等问题目前应用难度较大，并且该专利只是在180℃，20.5MPa条件下进行了48小时短期性能测试，无法说明其长期抗高温衰退效果。专利CN110092597B公布了一种地聚物材料、适配缓凝剂及制备的耐高温固井水泥浆，该发明同样为无水泥熟料体系，且专利中并未对体系耐高温性能进行说明。

目前关于粉煤灰与硅砂复配解决高温固井水泥石强度衰退的研究暂未出现报道。

随着人们环保意识的增强，各国对污染物排放的限制越来越严格，对水泥工业生产节能减排的要求越来越高。大掺量固废制备合格的绿色环保材料是十分迫切的。粉煤灰作为工业副产物，每年产量大，利用率却不高，本发明通过掺粉煤灰制备绿色环保油井水泥符合国家低碳、绿色的环保趋势。