[发明专利]一种基于矿渣粉的新型耐高温固井水泥体系及其制备方法

说明书

本发明属于固井工程技术领域，公开了一种基于矿渣粉的新型耐高温固井水泥体系及其制备方法，基于矿渣粉的新型耐高温固井水泥体系由固体组分和液体组分组成，所述固体组分和液体组分的重量比为1:(0.15‑0.95)；其中，所述固体组分含有21‑70重量％的水泥、5‑60重量％的硅砂和5‑60重量％的矿渣粉，所述硅砂和所述矿渣粉的重量比为(0.11‑11):1；所述液体组分含有水和添加剂。在200℃，50MPa养护条件下，分别测试其2天和30天的物理力学性能，结果表明，本发明的耐高温固井水泥体系性能稳定，可以解决现有技术存在的超高温环境固井水泥石强度衰退、耐高温性能差的问题，满足固井长期封隔要求。

技术领域

本发明属于固井工程技术领域，尤其涉及一种基于矿渣粉的新型耐高温固井水泥体系及其制备方法。

背景技术

硅酸盐水泥(包括常规固井水泥)是石油和天然气固井过程中用于密封套管和地层之间环形空间使用的主要胶凝材料。随着油气勘探开发逐渐向深地、深水等复杂环境拓展，井深超过6000m的超深井钻井数量逐年增加，有些超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，严重时将会导致井筒完整性失效，报废。

20世纪50年代初，硅酸盐水泥在高温下的强度衰退，已经引起了石油工业的注意。研究表明，水泥石高温强度衰退的主要原因为：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。随着近年来研究学者对硅酸盐油井水泥强度衰退机理认识的逐步加深，添加30％-40％(这里为水泥质量分数)的硅砂以及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已成为固井行业内普遍接受的方法。但是最新的研究表明(Pang,Xueyu等,Long-term strengthretrogression of silica-enriched oil well cement:A comprehensive multi-approach analysis,Cement and Concrete Research 144(2021)106424；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)，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；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。因此，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。

目前，关于矿渣粉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。