一種油井水泥用膨脹劑及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種固井用油井水泥添加劑，屬于油田化學技術領域。
【背景技術】
[0002] 油井水泥漿經(jīng)過水化，凝固硬化后，由于反應物的比重低于反應生成物的比重，水 泥石體積將產(chǎn)生收縮，即"化學收縮"，水泥石體積收縮率一般在1~2%，凝固過程中，由于體 積收縮現(xiàn)象的存在，原本充滿于地層與套管之間的水泥漿，在水泥與地層之間以及套管與 地層之間的2個界面上常常出現(xiàn)較小的間隙或微環(huán)隙，這種收縮直接影響著固井質(zhì)量，給油 氣水竄提供了可能的通道，嚴重影響后期的采油、注水及其它工程作業(yè)。
[0003] 為此，需在水泥中添加膨脹劑，凝固后能夠適度膨脹的水泥體系，可作為一種補償 微環(huán)隙和提高固井質(zhì)量的有效措施，膨脹劑在水泥漿整個候凝段和凝固后都能保持一定程 度的膨脹，并補償充填于水泥石的毛細孔和氣孔中，與纖維狀的硅酸鈣凝膠微晶交織成網(wǎng) 絡狀，使水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了水泥石的強度和抗?jié)B等性能，改善了水泥環(huán)膠結(jié) 質(zhì)量。
[0004] 目前較常用的油井水泥膨脹劑存在一定的局限性:①目前大多數(shù)水油井水泥膨脹 劑主要是通過與水泥反應生成鈣鋁礬晶體，但在溫度超過70°C時，鈣鋁礬晶體是不穩(wěn)定的， 并轉(zhuǎn)為更致密的硫代鋁酸鈣水化物和石膏，起不到膨脹作用;②精細磨碎的鋁粉類膨脹劑 主要以產(chǎn)生微小的氫氣氣泡來產(chǎn)生膨脹，但只能在淺井中應用，由于在深井中，地層壓力將 超過氣泡的膨脹壓力。
[0005] 下面是檢索出的有代表性的三篇公開的專利文獻：[0006][0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種使用范圍廣，水泥石膨脹率 好的油井水泥用膨脹劑及其制備方法。
[0009] 本發(fā)明提供一種油井水泥用膨脹劑，其由下述質(zhì)量分數(shù)的物質(zhì)組成： CaO 12 ~18%， CaCh 12 ~18%， MgO 28 ~35%， MgS04 28~35%， 余量為具有水硬活性的礦渣。
[0010] 所述礦渣來源于煉鋼高爐產(chǎn)生的礦渣。
[0011] 所述礦渣主要成分為硅鋁酸鹽質(zhì)材料。
[0012] 礦渣的水硬活性是指礦渣在一定的堿激活條件下所表現(xiàn)出的水化反應能力，因為 礦渣并沒有單獨的水化能力，因此，本發(fā)明中礦渣的水硬活性是指礦渣的潛在活性。
[0013] 本發(fā)明還提供上述油井水泥用膨脹劑制備方法，包括如下步驟： (1) 將CaO及CaCl2均勻混合，在1020~1080°C下煅燒60min后冷卻至室溫，得到混合物 1; (2) 將MgO和MgS〇4混合均勻后在1090~1150 °C下煅燒90min后冷卻至室溫，得到混合物 2； (3) 將混合物1、混合物2與礦渣混合均勻后研磨至細度220-400目，得到油井水泥膨脹 劑。
[0014] 本發(fā)明還提供上述制備得到的油井水泥用膨脹劑在固井水泥漿中的應用。
[0015] 本發(fā)明具有如下有益效果： 該膨脹劑適用于API所規(guī)定的各級水泥，加量為水泥質(zhì)量的2%~4.2%，對水泥石的膨脹 率可以達到0.5%~1.7%，且隨加量的增加，膨脹率基本呈線性增長，膨脹效果好； 使用溫度范圍寬，在50 °C~205 °C下對水泥石都具有膨脹效果； 對水泥漿的其它性能無不良影響，并可用于淡水、鹽水、海水、高礦化水質(zhì)； 該膨脹劑原料來源廣泛，成本低，制作工藝簡單； 該膨脹劑可用于技術套管、尾管、定向井、水平井以及小井眼小間隙等各類固井施工作 業(yè)。
【具體實施方式】
[0016]下面通過給出的具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0017] 本發(fā)明油井水泥用膨脹劑主要成分為鈣的氧化物及其鹽酸鹽類、鎂的氧化物及其 硫酸鹽類和具有一定活性和輕微膨脹作用的礦渣(煉鋼高爐的產(chǎn)物)按一定的比例混合而 成。
[0018] 本發(fā)明通過實驗發(fā)現(xiàn)，礦渣具有潛在的活性，在水泥漿的堿性環(huán)境下礦渣的水硬 活性被激活，與本發(fā)明中其它物質(zhì)相互作用，提高水泥石的抗壓強度。
[0019] 本發(fā)明中鈣的氧化物主要靠與水泥反應生成鈣礬石和氫氧化鈣來產(chǎn)生膨脹作用， 鎂的氧化物是在一定的溫度下生成氫氧化鎂和鎂礬石來達到膨脹效果，礦渣是一種穩(wěn)定的 高溫膨脹物，在一定溫度下與水泥產(chǎn)生水化作用，可以生成C-H-S凝膠，達到膨脹效果。
[0020] 實施例1: 本實施例中膨脹劑配方為CaO 15%，CaCl2 15%，Mg0 34%，MgS〇4 34%，具有水硬活性的礦 渣2%〇
[0021] 本發(fā)明將制備得到的膨脹劑、現(xiàn)有膨脹劑與水泥原漿進行膨脹性能對比實驗，實 驗數(shù)據(jù)如下表所示：
其中：某膨脹劑X，按照CN1374266A專利文獻所述，原料選取按如下比例： 鋁礬土 (Ah〇3 ):55% 石灰石（CaO): 30% 石霄（S〇3): 12% 煙煤：3% 按照所述方式制成取40%與60%硬石膏共同粉磨成膨脹劑。
[0022] 通過上述數(shù)據(jù)可知，在70°C的條件下，膨脹劑的水泥體系的膨脹性能隨著加量的 增加膨脹量也隨之增加，在加量為4%時，膨脹率接近1%，且在相同加量下，本發(fā)明的膨脹劑 膨脹性能優(yōu)于現(xiàn)有公開的膨脹劑X。
[0023] 實施例2: 考察加入本發(fā)明實施例1制備的膨脹劑后的低密度水泥漿的綜合性能，得到如下表所 示結(jié)果：
配方：（1 )G級水泥+15%漂珠+1 · 5%G304+(h 5%USZ+59%水 (2 )G級水泥+15%漂珠+1.5%G304+0.5%USZ+2.0%本發(fā)明膨脹劑+59%水 (3)6級水泥+15%漂珠+1.5%6304+0.5%1^2+2.5%本發(fā)明膨脹劑+59%水 注:漂珠為減輕劑，是電廠鍋爐內(nèi)燃燒后的副產(chǎn)物，G304為降失水劑，USZ為分散劑，都 為水泥漿添加物。
[0024] 由以上實驗結(jié)果來看，在50°C的條件下，加入本發(fā)明膨脹劑后的水泥石強度，API 失水，稠化時間，流變性能等特點與配方(1)相比強度提高、稠化時間變小、流變性能無明顯 的不良變化，膨脹率增大。
[0025] 實施例3: 考察加入本發(fā)明實施例1制備的膨脹劑后的常規(guī)密度水泥漿的綜合性能，得到如下表 所示結(jié)果：
配方：（1 )G級水泥+35%Si〇2+l · 4%USZ+5%G310+1 · 4%GH-9+44%水 (2) G級水泥+35%Si〇2+l · 4%USZ +5%G310+1 · 4%GH-9+2 · 0%本發(fā)明膨脹劑+44%水 (3) G級水泥+35%Si〇2+l · 4%USZ +5%G310+1 · 4%GH-9+2 · 5%本發(fā)明膨脹劑+44%水 (4) G級水泥+35%Si〇2+l · 4%USZ +5%G310+1 · 4%GH-9+3 · 0%本發(fā)明膨脹劑+44%水 注:Si02作為熱穩(wěn)定劑，溫度超過110°C時可防止水泥石強度衰退，USZ為分散劑，G310 為抗高溫降失水劑，GH-9為緩凝劑，都為現(xiàn)有常規(guī)水泥漿添加物。
[0026] 由以上數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明膨脹劑構(gòu)成的水泥體系在95°C高溫條件下，其強度， API失水，稠化時間，流變性能等較未加膨脹劑的水泥體系，其膨脹率和強度顯著提高，同時 其API失水及稠化時間基本無變化、流變性能穩(wěn)定。
[0027] 綜上，本發(fā)明的油井水泥用膨脹劑可以適用于API所規(guī)定的各級水泥，其適用溫度 高于50 °C，加入量為水泥質(zhì)量的2%~4.2%，隨加量增加，膨脹率基本呈線性增長趨勢，加入 后水泥石的膨脹率可以達到0.5%~1.7%。
[0028] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實施方式對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定本發(fā) 明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護 范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種油井水泥用膨脹劑，其特征在于由下述質(zhì)量分數(shù)的物質(zhì)組成： CaO 12 ~18%， CaCh 12 ~18%， MgO 28 ~35%， MgS04 28~35%， 余量為具有水硬活性的礦渣。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井水泥用膨脹劑，其特征在于:所述礦渣來源于煉鋼高爐產(chǎn) 生的礦渣。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油井水泥用膨脹劑，其特征在于:所述礦渣主要成分為硅鋁酸 鹽質(zhì)材料。4. 一種油井水泥用膨脹劑制備方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將CaO及CaCl2均勻混合，在1020~1080°C下煅燒60min后冷卻至室溫，得到混合物1; (2) 將MgO和MgS〇4混合均勻后在1090~1150°C下煅燒90min后冷卻至室溫，得到混合物 2； (3) 將混合物1、混合物2與礦渣混合均勻后研磨至細度220-400目，得到油井水泥膨脹 劑。5. -種油井水泥用膨脹劑在固井水泥漿中的應用。
【專利摘要】一種油井水泥用膨脹劑及其制備方法，涉及一種固井用油井水泥添加劑，屬于油田化學技術領域。目的在于提供一種使用范圍廣，水泥石膨脹率好的油井水泥用膨脹劑及其制備方法。該油井水泥用膨脹劑由下述質(zhì)量分數(shù)的物質(zhì)組成：CaO？12～18%，CaCl2？12～18%，MgO？28～35%，MgSO4？？28～35%，余量為具有活性的礦渣，所述礦渣為硅鋁酸鹽質(zhì)材料，礦渣活性指礦渣水硬活性。該膨脹劑對水泥石的膨脹率可以達到0.5%～1.7%，在50℃～205℃下對水泥石都具有膨脹效果；對水泥漿的其它性能無不良影響，并可用于淡水、鹽水、海水、高礦化水質(zhì)；原料來源廣泛，成本低，制作工藝簡單。
【IPC分類】C04B22/14
【公開號】CN105601141
【申請?zhí)枴緾N201510985523
【發(fā)明人】陶紅勝, 劉云, 于小龍, 王濤, 王紅娟, 楊全枝, 楊先倫
【申請人】陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年12月25日