[发明专利]一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用

说明书

一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用。属于油田固井水泥添加剂技术领域，尤其涉及一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用。本发明所制得的钢渣基油井水泥膨胀剂具有较大的限制膨胀率、较高的抗压强度。与现有技术相比，本发明所述的钢渣基油井水泥膨胀剂高效合理利用了固体废弃物钢渣，通过氢氧化镁的稳定性增大了膨胀剂在油井水泥中的膨胀效能，大大地减少了硬化水泥石的微间隙和油气资源的浪费。同时实现了将钢渣中氧化镁变废为宝，降低了产品生产成本，提高了产品的市场竞争力。

技术领域

本发明属于油田固井水泥添加剂技术领域，尤其涉及一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用。

背景技术

在固井过程中油井水泥浆的水灰比大，固井环境恶劣，一般处于高温（38-200℃）、高压状态，这使得油井水泥浆的收缩非常严重。收缩会导致硬化水泥石产生比较大的微间隙，高压油气流体就会通过微间隙窜入低压区，使得油气资源损失甚至可能会导致固井失败。采用油井水泥膨胀剂是解决水泥浆体收缩的有效方法之一，开发节能、低碳、环保的油井水泥膨胀剂对提高固井质量有重要的意义。

现有的膨胀剂可分为晶体类膨胀剂和发气类膨胀剂。

发气类膨胀剂主要依靠碱活性金属粉末与水泥浆中的碱溶液反应产生的气体作为膨胀源，主要适用于低压浅井，其适用温度一般在75℃以下。

晶体类膨胀剂主要的膨胀源是晶体材料重结晶或晶型转变时产生的结晶膨胀压。晶体类膨胀剂主要通过生成钙钒石、氢氧化钙、氢氧化镁，补偿水泥硬化时发生的体积收缩并在一定程度上改善水泥石结构。其中钙钒石及氢氧化钙在井内压力水作用下溶解度较大、稳定性较差（温度大于70℃钙钒石会发生分解）。

我国是世界上最大的钢铁制造国，每生产1吨钢铁，就会产生0.15-0.2吨钢渣。据统计，我国每年生产8000万吨钢渣。钢渣的有效回收率仅占钢渣总量的30%，在国际上处于比较落后的地位。较低的钢渣回收利用导致了钢渣的排放量和堆积量日益增多，极不利于钢铁企业的生产和发展，同时还占用了大量耕地，减少了我国耕地面积，处理不当还会影响附近生态环境。拓展新型的的钢渣应用途径，对于国家的固废资源化利用、实现“双碳”目标的战略理念，具有非常重要的意义。钢渣是炼钢过程中产生的固态废弃物，是一种具有活性的建筑材料。钢渣的化学成分主要有CaO、Fe₂O₃、SiO₂、MgO、Al₂O₃，具有一定的硅酸三钙和活性矿物铝酸钙含量。钢渣中的游离氧化钙和氧化镁与水反应可以使体积膨胀，合理控制钢渣的膨胀率和膨胀周期可用于制备油井水泥膨胀剂。

现有技术如“CN1322689A，钢渣水泥膨胀剂及其膨胀水泥”出于利用钢渣、节约水泥用量、降低成本、废物利用的目的，提供了一种钢渣水泥膨胀剂，其基础技术方案是调整钢渣的细度（或比表面积）就直接进行利用，将比表面积粉磨至300~450m²/Kg。应该说，实现了废物利用，大幅度降低了成本。但是该种技术手段形成的膨胀剂用于固井作业场合时，由于单一生成的Ca（OH）₂无法全时全方位地作用于油井水泥全生命周期，并且其性能无法满足高温下的固井环境，所以钢渣膨胀剂仍难以适应固井作业的需求。

因此，在现有技术基础上，如何优化、调配出以钢渣为主料的膨胀剂，用以改善油井水泥全周期的膨胀强度，具有极大的现实意义。

发明内容

为了合理利用钢渣固体废弃物，解决目前油井水泥收缩带来的安全以及环保问题，本发明提供一种钢渣基油井水泥膨胀剂及其在油井水泥中的应用，所提供的油井水泥膨胀剂能够在油井水泥水化的各个时期，均具有良好的膨胀性能。

本发明的一种钢渣基油井水泥膨胀剂，以重量份数计，其包括以下组分：钢渣700-800份、菱镁矿100-150份、白云石75-100份、方镁石50-100份；