專利名稱：：一種油氣田固井用凝石膠凝材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種油氣田固井用凝石膠凝材料的制備方法，屬于石油和天然氣開發(fā)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：國(guó)內(nèi)外目前用于油氣開發(fā)過程中固井的膠凝材料主要是油井水泥。傳統(tǒng)油井水泥的高鈣體系和固有水化特征(C-S-H凝膠)，使用環(huán)境(高溫、高壓)和施工工藝(高水灰比、高流動(dòng)性)決定了其一些致命缺陷。在使用傳統(tǒng)油井水泥固井時(shí)，為了控制流動(dòng)度和稠化時(shí)間，必須將水灰比控制在較高的水平，固化時(shí)所形成的C-S-H凝膠不但含有大量的結(jié)晶水和準(zhǔn)結(jié)晶水，而且還含有大量的自由水，同時(shí)產(chǎn)生化學(xué)收縮。這種C-S-H凝膠體在高溫高壓狀態(tài)下會(huì)轉(zhuǎn)變成托貝莫來石(5CaO6Si。26H20)和硬硅鈣石(6CaO6Si02Ii20)等礦物晶體。溫度越高，結(jié)晶水的含量越低。同時(shí)由于高溫結(jié)晶作用，原來C-S-H凝膠所圈閉的自由水也被釋放出來，結(jié)果引起水泥硬化體強(qiáng)烈收縮。傳統(tǒng)油井水泥在不加降失水劑的條件下或在由于降失水劑高溫失效而導(dǎo)致高濾失水的現(xiàn)象。高濾失水會(huì)引起水泥漿流動(dòng)性變差，甚至發(fā)生橋堵，引發(fā)地層流體竄流，污染油氣層。傳統(tǒng)油井水泥硬化體是高脆性材料，因此作為基礎(chǔ)的固井材料具有先天的缺陷。其抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1〃1/12;抗破裂性能差，極限拉伸率只有0.02%0.06%;抗沖擊強(qiáng)度低，其斷裂功只有2080J/m2(為鋼材的10萬分之一)；彈性模量高(2.56.6MPa)，泊松比小(0.150.36)。在進(jìn)行射孔作業(yè)時(shí)，瞬間產(chǎn)生的高溫高壓聚能射流作用到套管/泥環(huán)/'巖體/復(fù)合體上，可產(chǎn)生高達(dá)4X1032X104MPa的沖擊壓力，造成沖擊開裂，發(fā)生"二次竄流"，影響后續(xù)采油作業(yè)。國(guó)內(nèi)外已有部分實(shí)踐證實(shí)射孔前CBL/VDL/SBT測(cè)井固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，而射孔后CBL/VDL/SBT測(cè)井質(zhì)量卻不合格。吉林油田三井次的CBL/VDL測(cè)井結(jié)果也證明了射孔對(duì)隔層封固質(zhì)量的破壞。大慶油田統(tǒng)計(jì)了722口套損井的990個(gè)套損點(diǎn)，其中在射孔井段附近的套損點(diǎn)占56.0%，中原油田的764口套損井，有258口井在射孔段，占61.4%。傳統(tǒng)油井水泥的真密度在2.8g/cn^左右，由于顆粒較粗(比表面積為280m"Kg左右)，很難配出低密度的水泥漿。如果簡(jiǎn)單采用加大水灰比的方法配制低密度水泥漿(密度低于1.8g/cm"和超低密度水泥漿(密度低于1.5g/cm3)，將進(jìn)一步劣化水泥漿的其它性能，如水泥漿硬化體的收縮會(huì)急劇增大，抗濾失性能會(huì)急劇下降，強(qiáng)度會(huì)大幅降低，抗?jié)B性能和抗化學(xué)侵蝕性能也會(huì)明顯劣化。而把上述傳統(tǒng)油井水泥進(jìn)一步磨細(xì)則會(huì)導(dǎo)致稠化時(shí)間難以控制，失去使用意義。傳統(tǒng)水泥漿的高密度將會(huì)在地層中產(chǎn)生壓差。一些裂縫發(fā)育、承壓能力低、壓力窗口小的地層將會(huì)在固井過程中發(fā)生嚴(yán)重井漏，在多套壓力層系、長(zhǎng)封固段和低壓易漏性的固井施工中尤為突出，已成為國(guó)內(nèi)外油田普遍存在且尚未解決的技術(shù)難題之一。因此，傳統(tǒng)油井水泥的固有缺陷可概括為"四高"，即高收縮、高脆性、高濾失、高密度。雖然近些年來很多固井工作者圍繞著上述技術(shù)難題開展了大量的研究工作，并開發(fā)出了以加入漂珠、膨脹珍珠巖等輕骨料為特征的低密度和超低密度水泥漿，以加入各種纖維或其它顆粒為特征的自堵漏水泥漿，以及以加入降失水劑和膨脹劑為特征的低濾失雙膨脹水泥漿體系。但是由于所有研究和改進(jìn)都是以傳統(tǒng)水泥的高鈣體系為基礎(chǔ)，導(dǎo)致所做的改進(jìn)都沒有跳出傳統(tǒng)油井水泥高鈣體系水化硬化理論的束縛，導(dǎo)致新型的水泥槳體系或因?yàn)槌杀具^高而難于推廣，或由于一些性能的改進(jìn)又引發(fā)其它一些性能的劣化。特別是由于濾餅頂替不完全而導(dǎo)致濾餅失水收縮和二界面膠結(jié)質(zhì)量差的問題，高溫地下流體侵蝕問題，以及抗?jié)B透問題一直沒有得到很好的解決。我國(guó)許多大油田經(jīng)幾十年的開采都到了后期階段，這些油田的地層經(jīng)強(qiáng)采、強(qiáng)注、高速開采后地層壓力都呈嚴(yán)重非均質(zhì)狀態(tài)。進(jìn)一步加劇了固井的凼難。同時(shí)部分油井由于采用長(zhǎng)封同段技術(shù)，環(huán)空頂替動(dòng)態(tài)液柱壓力大，固井頂替過程中易發(fā)生井漏；水泥漿頂?shù)撞繙夭畲螅瑢?duì)確保全井封固段質(zhì)量難度較大，水泥槳在凝同過程中所產(chǎn)生的失重、掛壁和體積收縮現(xiàn)象嚴(yán)重，易造成地層流體侵入。在我國(guó)西部許多新油氣田的開發(fā)中以及在海洋油氣田的開發(fā)中都遇到了極其復(fù)雜的地層情況，如高度碎裂地層，巖溶型地層，松軟砂層，泥巖地層，膏鹽地層和煤系地層等，不斷給傳統(tǒng)的固井技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。雖然根據(jù)地層實(shí)際情況和固井實(shí)際需要許多固井工作者在普通固井水泥的基礎(chǔ)上作了許多改進(jìn)，但由于所有改進(jìn)都是基于水泥這一高鈣體系而進(jìn)行的，因此上述固井工程中所存在的問題，一直困擾著我國(guó)的石油工業(yè)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明基于仿地成巖的凝石理論，通過針對(duì)油氣田固井的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)一步優(yōu)化凝石這一類硅鋁基膠凝材料的仿地成巖反應(yīng)進(jìn)程制備出硅鋁基的固井用凝石膠凝材料。所述油氣田固井用凝石膠凝材料的制備方法的具體步驟為(1)準(zhǔn)備混合物料，按重量百分比將045%的水泥熟料，5595%的?；郀t礦渣，05%的粉煤灰進(jìn)行配料后，--起磨細(xì)至比表面積為350850m2/Kg;(2)將上述已磨細(xì)的混合物料3059.5%，粉煤灰、燃煤爐渣、燒黏土或赤泥中的一種4060%，成巖劑0.510%，按重量百分比進(jìn)行配料后，一起磨細(xì)至比表面積為6001500m2/Kg;(3)將515%的膨脹蛭石片磨細(xì)至比表面積為6001500m2/Kg，然后與上述步驟(2)所得的比表面積為6001500m2/Kg的混合物料8595%按重量百分比混合，所得各種粉料經(jīng)均化和檢驗(yàn)后，便得到固井用凝石膠凝材料成品。所述水泥熟料為符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的新興干法生產(chǎn)線生產(chǎn)的水泥熟料，?；郀t礦渣的質(zhì)量符合GB/T203—1994要求的?；郀t礦渣，粉煤灰為含碳量《8%的1級(jí)灰、II級(jí)灰、III級(jí)灰、等外灰中的一種或幾種，燃煤爐渣、燒黏土或赤泥屮的一種是經(jīng)過200800°C的熱過程脫去大部分結(jié)晶水的物料，膨脹蛭石粉片是由松散堆積容重在20100Kg/m2的膨脹蛭石原料粉磨而成。所述磨細(xì)所用設(shè)備為球磨機(jī)、立磨機(jī)、振動(dòng)磨、雷蒙磨中的一種，入料粒度《2000)imiim，出料粒度《10(Him。所述成巖劑為凝石A成巖劑或凝石C成巖劑，凝石A成巖劑用于水泥熟料摻量>5%的配方中，凝石C成巖劑用于水泥熟料慘量<5%的配方中。所述膨脹蛭石粉片直徑《5mm，厚度〉100pm的蛭石片重量百分比《10%。生產(chǎn)固井用膠凝材料的原理是.通過摻入大量粉煤灰、自燃過的煤矸石、提油后的油頁巖渣、赤泥、鋼鐵冶金渣等硅鋁質(zhì)固體廢棄物，不用或少用水泥熟料，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)油井水泥的高鈣體系向本發(fā)明的硅鋁體系的轉(zhuǎn)變，從而克服傳統(tǒng)油井水泥在油井中的較高溫度下高濾失、高收縮和強(qiáng)度下降的弊端。通過大量摻入粉煤灰等易磨輕質(zhì)原料，在大幅節(jié)省研磨能耗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化活性匹配，控制反應(yīng)進(jìn)程，提高膠凝材料的細(xì)度，從而克服傳統(tǒng)油井水泥高密度和不能配制高強(qiáng)度超輕水泥漿的弊端。通過加入膨脹蛭石薄片作為二維增韌組份克服傳統(tǒng)油井水泥高脆性的弊端，同時(shí)使本發(fā)明所述的固井用凝石膠凝材料具有良好的堵漏功能。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的固井用凝石膠凝材料，能夠克服現(xiàn)有油井水泥所存在的高收縮、高濾失、高脆性和高密度等四大缺陷，進(jìn)而有利于解決油氣固井中所存在的輕水硬化體強(qiáng)度低的問題、大壓差地層竄流問題、二界面膠結(jié)質(zhì)量差問題、高溫地下液體侵蝕等問題。另一方面，由于固井用凝石膠凝材料的生產(chǎn)過程與傳統(tǒng)油井水泥相比不同或少用水泥熟料可以大幅度減少co2及其它污染物的排放，有利于環(huán)境保護(hù)與生態(tài)平衡。具體實(shí)施方式實(shí)施例1本實(shí)施例中，固井用凝石膠凝材料的制備方法由如下步驟構(gòu)成(1)準(zhǔn)備混合物料，將水泥熟料30%與鋼渣68%和粉煤灰2%，按重量百分比配料后，用O500*500mm球磨機(jī)磨細(xì)至比表面積400m2/Kg。(2)將步驟(1)中所得的比表面積為400m2/Kg的混合物35%與55%的粉煤灰和10X的成巖劑用O50(^500mm球磨機(jī)混磨至比表面積1500m2/Kg。(3)將15%的膨脹蛭石片磨細(xì)至比表面積為1500m2/Kg，然后與上述步驟(2)所得的混合物料85%按重量百分比混合，所得各種粉料經(jīng)均化和檢驗(yàn)后，便得到固井用凝石膠凝材料。所得固井用凝石膠凝材料配制的固井液及其硬化體的性能見表l。表1實(shí)施例1中固井用凝石膠凝材料的固井液及其硬化體的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例2本實(shí)施例中，固井用凝石膠凝材料的制備方法由如下步驟構(gòu)成(1)準(zhǔn)備混合物料，將水泥熟料35%，?；郀t礦渣60%,粉煤灰5%，按重量百分比進(jìn)行配料后，用①50(F500mm球磨機(jī)混磨細(xì)至比表面積為560m2/Kg。(2)將上述已磨細(xì)的混合物料35%，燃煤爐渣57%，成巖劑8%，按重量百分比進(jìn)行配料后，用巾500"00mm球磨機(jī)混磨至比表面積為950m2/Kg。(3)將10X的膨脹蛭石片磨細(xì)至比表面積為950m"Kg，然后與上述步驟(2)所得的混合物料90%按重量百分比混合，所得各種粉料經(jīng)均化和檢驗(yàn)后，便得到固井用凝石膠凝材料。所得固井用凝石膠凝材料配制的固井液及其硬化體的性能見表2。表2實(shí)施例2屮固井用凝石膠凝材料的固井液及其硬化體的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實(shí)施例3本實(shí)施例中，同井用凝石膠凝材料的制備方法由如下步驟構(gòu)成:(1)準(zhǔn)備混合物料，將水泥熟料44%，?；郀t礦渣55%，粉煤灰1%，按重量百分比進(jìn)行配料后，用球磨機(jī)混磨至比表面積為460m2/Kg。(2)將上述已磨細(xì)的混合物料55%，燒黏土42%，成巖劑3%，按重量百分比進(jìn)行配料后，用球磨機(jī)混磨至比表面積為1050m2/Kg。(3)將5%的膨脹蛭石片磨細(xì)至比表面積為1050m2/Kg,然后與上述步驟(2)所得的混合物料95%按重量百分比混合，所得各種粉料經(jīng)均化和檢驗(yàn)后，便得到固井用凝石膠凝材料。所得固井用凝石膠凝材料配制的固井液及其硬化體的性能見表3。表3實(shí)施例3中固井用凝石膠凝材料的固井液及其硬化體的性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實(shí)施例4本實(shí)施例中，固井用凝石膠凝材料的制備方法由如下步驟構(gòu)成-(1)準(zhǔn)備混合物料，將水泥熟料40%，粒化高爐礦渣55%，粉煤灰5%，按重量百分比進(jìn)行配料后，用球磨機(jī)混磨至比表面積為750m2/Kg。(2)將上述已磨細(xì)的混合物料49%，赤泥43%，成巖劑7%，按重量百分比進(jìn)行配料后，用球磨機(jī)混磨至比表面積為1400m2/Kg。(3)將15%的膨脹蛭石片磨細(xì)至比表面積為1400m2/Kg，然后與上述步驟(2)所得的混合物料85%按重量百分比混合，所得各種粉料經(jīng)均化和檢驗(yàn)后，便得到固井用凝石膠凝材料。所得固井用凝石膠凝材料配制的固井液及其硬化體的性能見表4。表4實(shí)施例4中固井用凝石膠凝材料的固井液及其硬化體的性能濾稠化24小時(shí)流變參數(shù)密度塑性膨脹24小時(shí)彈性斷裂實(shí)驗(yàn)條件失時(shí)間抗壓強(qiáng)(g/cm3)(%)硬化膨模量功量(min)度tik指針量筒脹(％)(J/m2)(ml)(MPa)(Pa.s11)法法(GPa)48■12818.80.711.581.280.510.0120.7612050。Cx25MPa5711921.70.761.491.41.130.380.0271.0316095。Cx50MPa6811323.50.891.321.120.26」0.0381.〗3170150。Cx麵Pa權(quán)利要求1、一種油氣田固井用凝石膠凝材料的制備方法，其特征在于，所述方法的具體步驟為(1)準(zhǔn)備混合物料，按重量百分比將0～45％的水泥熟料，55～95％的?；郀t礦渣，0～5％的粉煤灰進(jìn)行配料后，一起磨細(xì)至比表面積為350～850m2/Kg；(2)將上述已磨細(xì)的混合物料30～59.5％，粉煤灰、燃煤爐渣、燒黏土或赤泥中的一種40～60％，成巖劑0.5～10％，按重量百分比進(jìn)行配料后，一起磨細(xì)至比表面積為600～1500m2/Kg；(3)將5～15％的膨脹蛭石片磨細(xì)至比表面積為600～1500m2/Kg，然后與上述步驟(2)所得的比表面積為600～1500m2/Kg的混合物料85～95％按重量百分比混合，所得各種粉料經(jīng)均化和檢驗(yàn)后，便得到固井用凝石膠凝材料成品。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨細(xì)所用設(shè)備為球磨機(jī)、立磨機(jī)、振動(dòng)磨、雷蒙磨中的一種，入料粒度《2000fimiam，出料粒度《100pm。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述成巖劑為凝石A成巖劑或凝石C成巖劑，凝石A成巖劑用于水泥熟料摻量^5。/。的配方中，凝石C成巖劑用于水泥熟料摻量<5%的配方中。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述膨脹蛭石粉片直徑《5mm，厚度>1OO)um的蛭石片重量百分比《10%。全文摘要本發(fā)明公開了石油和天然氣開發(fā)領(lǐng)域一種油氣田固井用凝石膠凝材料的制備方法。制備方法為將水泥熟料0～45％，粒化高爐礦渣55～95％，粉煤灰0～5％，按重量百分比配料后一起磨細(xì)；將已磨細(xì)的混合物料30～59.5％，粉煤灰、燃煤爐渣、燒黏土或赤泥的一種40～60％，成巖劑0.5～10％按重量百分比配料后一起磨細(xì)；所得混合物料85～95％與磨碎的膨脹蛭石片5～15％按重量百分比配料并混合均勻，便得到固井用凝石膠凝材料。本發(fā)明不僅有利于解決油氣固井中所存在的各種問題還可以比生產(chǎn)傳統(tǒng)油井水泥大幅度減少CO<sub>2</sub>及其它污染物的排放。文檔編號(hào)C09K8/42GK101445720SQ20081024756公開日2009年6月3日申請(qǐng)日期2008年12月30日優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日發(fā)明者文倪,孫恒虎,徐維瑞,宇李,鄭永超,魏秀泉申請(qǐng)人:清華大學(xué);北京科技大學(xué)