高溫固井材料體系及組成的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型高溫固井材料體系，主要解決目前油井水泥的高溫強度衰退和高溫力學穩(wěn)定性差的問題，適用于油氣井固井領(lǐng)域。該新型高溫固井材料體系各組份以及質(zhì)量份數(shù)組成為：SiO2占36～71份、Al2O3占3.5～25份、CaO占18～52份、CaCO3占2.0～10份、XaOb占0.7～3.8份、ZnO占0.0～5.0份、占MaBbOc·dH2O占0.0～4.5份。本發(fā)明的高溫固井材料體系不僅能夠能滿足深井、超深井高溫高壓油氣井固井作業(yè)，具有現(xiàn)場施工方便、成本低的優(yōu)勢，而且與油井水泥生產(chǎn)相比可明顯減少CO2排放量，應(yīng)用前景廣闊。
【專利說明】高溫固井材料體系及組成

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種深井、超深井高溫固井材料體系，尤其涉及一種耐高溫新型固井 材料體系及其組成。

【背景技術(shù)】
[0002] 深層油氣資源勘探開發(fā)已成為我國油氣發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，固井將面臨著突出 的超深井、深井商溫固井問題。眾所周知，油井水泥在商溫條件下（溫度超過IlOC )存在 著強度衰退、滲透率急劇增大現(xiàn)象，常用的解決方法是在水泥中摻加30-40%硅砂，使水化 硅酸鈣凝膠（CSH)的CaO與SiO 2 (C/S)摩爾比（平均為1. 5)降低到I. 0左右，防止CSH凝 膠轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -C2SH水合物，使CSH凝膠在溫度超過IKTC時轉(zhuǎn)變?yōu)镃a5Si6O 16 (OH) 2 ? 4H20 (雪 硅鈣石），溫度超過150°C時Ca5Si6O16 (OH) 2 ? 4H20轉(zhuǎn)變?yōu)镃a6Si6O17 (OH) 2 (硬硅鈣石）、 Ca8Si12O3tl(OH)4 ? 7H20(白鈣沸石）和其它類型的水化硅酸鈣晶體，減弱水泥石高溫強度衰 退。然而，在更高溫度環(huán)境下，油井水泥+40%硅砂體系仍會出現(xiàn)強度衰退，甚至開裂現(xiàn)象， 致使地層封隔失效，嚴重影響油氣井生產(chǎn)和安全。針對深層高溫固井，發(fā)展新的高溫固井材 料、形成新的固井技術(shù)，就顯得十分迫切。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種在能夠利用深井、超深井的井下高溫高壓環(huán)境，通過不 同金屬氧化物與水溶劑在高溫高壓條件下發(fā)生水熱反應(yīng)，生成具有良好抗壓強度、耐高溫 的硅酸鹽類膠結(jié)產(chǎn)物，實現(xiàn)對深井、超深井進行有效固井封隔的新型固井材料體系，以解決 目前油井水泥不耐高溫的不足。
[0004] 為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0005] -種高溫固井材料體系，由以下各組分按照其質(zhì)量份數(shù)組成：
[0006] SiO2 36 ?71 份；
[0007] Al2O3 3. 5 ?25 份；
[0008] CaO 18 ?52 份；
[0009] CaCO3 2. 0 ?10 份；
[0010] XaOb 0.7 ?3.8份；
[0011] ZnO 0? 0 ?5. 0 份；
[0012] MaBbOc^dH2O 0? 0 ?4. 5 份；
[0013] 所述SiO2為固體粉末，晶型為六方晶系，密度介于2. 20?2. 70g/cm3,粒徑介于 7. 0 ?90 u m。
[0014] 所述Al2O3為固體粉末，晶型為a-Al2O 3，密度介于3. 65?3. 90g/cm3,粒徑介于 15 ?45 u m〇
[0015] 所述CaO是由碳酸鈣礦石在900-1KKTC高溫煅燒制得，冷卻后粉碎而成，為一種 白色固體粉末，密度介于3. 10-3. 25g/cm3,粒徑介于18-72iim。
[0016] 所述CaCO3為球形結(jié)晶粉末，密度介于2. 50?2. 55g/cm3,粒徑介于I. 2?10 i! m。
[0017] 所述XaOb為固體氧化物粉末，其中X為B、Zr、Ti、Bi、Ba元素中的一種，原子數(shù)a 的個數(shù)介于1?2,原子數(shù)b的個數(shù)介于1?3,粒徑介于15?50 ii m。
[0018] 所述ZnO為固體粉末，密度介于5. 30?5. 45g/cm3,粒徑介于5. 0?18 ii m。
[0019] 所述MaBbOe ? dH20是一種結(jié)晶粉末，其中M為K、Ca、Li、Na元素中的一種，原子數(shù) a的個數(shù)介于1?2,原子數(shù)b的個數(shù)介于1?4,原子數(shù)c的個數(shù)介于2?7,結(jié)晶水d的 個數(shù)介于4?8。
[0020] 所述 MaBb0。? dH20 結(jié)晶粉末物可以是 KaBb0。? dH20K、CaaBb0。? dH20、LiaBb0。? dH20、 NaaBb0。? dH20結(jié)晶物中的一種或幾種結(jié)晶物組合。
[0021] 所述MaBbOe ? dH20結(jié)晶粉末物的粒徑介于20?65 ii m。。
[0022] 本發(fā)明的高溫固井材料體系在使用時，可加入一定質(zhì)量百分數(shù)的水，水的質(zhì)量與 高溫固井材料體系所有固體的總質(zhì)量之比值（水固比）為〇. 35?0. 90,制備出的漿體密度 為 1. 50 ?I. 92g/cm3。
[0023] 本發(fā)明的優(yōu)點：（1)本發(fā)明實現(xiàn)了一種可通過不同氧化物顆粒優(yōu)化組合、實現(xiàn)SiO2 與CaO摩爾比能夠準確控制的新型高溫固井材料體系，該體系與水混合后能夠配制出滿足 固井作業(yè)的槳體，并在油氣井深井、超深井的高溫高壓條件下發(fā)生水熱反應(yīng)生成具有高溫 力學性能穩(wěn)定性的托貝莫來石和硬硅鈣石，達到油氣井固井目的。（2)本發(fā)明的高溫固井材 料體系只有在一定的高溫高壓條件下才會發(fā)生水熱反應(yīng)，充分地利用了深井、超深井高溫 高壓環(huán)境，將目前深井、超深井固井所面臨的高溫高壓不利因素轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣麠l件。（3)本發(fā) 明的高溫固井材料體系形成的產(chǎn)物不含雜質(zhì)，高溫力學性能穩(wěn)定、耐腐蝕能力強，非常有助 于解決高溫水泥石強度衰退難題。（4)生產(chǎn)1噸本發(fā)明的高溫固井材料體系約排放0.20? 0. 35噸CO2，而油井水泥1噸要排放0. 80?0. 90噸CO2，因此，本發(fā)明高溫固井材料體系的 應(yīng)用有利于減少CO2排放量，減小環(huán)境污染。
[0024] 本發(fā)明提供了一種技術(shù)可靠、現(xiàn)場施工方便、成本低，能滿足深井、超深井高溫高 壓固井作業(yè)的固井材料體系，填補了高溫固井材料體系的空白。隨著我國加快深層油氣資 源開采，本發(fā)明的高溫固井材料體系有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的高溫固井材料，以水固比0. 44制備漿體，在150°C、50MPa條 件下米用美國 Chandler 公司 Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCA functionality)測試的靜膠凝強度發(fā)展曲線圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明的高溫固井材料，以水固比0. 44制備漿體，在150°C、50MPa條 件下米用美國 Chandler 公司 Static Gel Strength Analyzer(Model 5265U with UCA functionality)測試的抗壓強度發(fā)展曲線圖。

【具體實施方式】
[0027] 實驗方法：按標準GB/T 19139-2003 "油井水泥試驗方法"制備高溫固井漿體，并 參考標準SY/T 6544-2003 "油井水泥漿性能要求"、SY/T 6466-2000 "油井水泥石抗高溫性 能評價方法"測試高溫固井漿體的性能。
[0028] 實施例I :高溫固井材料體系組成
[0029] -種高溫固井材料體系可由以下氧化物等組成，各物質(zhì)的質(zhì)量份數(shù)具體為=SiO2 為 51. 4 份、Al2O3 為 9. 8 份、CaO 為 30. 2 份、CaCO3 為 5. 6 份、ZrO2 為 L 2 份、ZnO 為 L 0 份、 LiBO2 ? 8H20 為 0? 8 份。
[0030] 實施例2 :高溫固井材料體系漿體性能測試
[0031] 以實施例1高溫固井材料體系為測試對象,先將配漿的高溫固井材料體系固體干 灰組份和液體水組份各自稱量好并混勻，然后按標準GB/T 19139-2003 "油井水泥試驗方 法"制備漿體。試驗結(jié)果見表1。
[0032] 表1高溫固井材料體系的槳體性能

【權(quán)利要求】
1. 一種新型的高溫固井材料體系，其特征在于各組份以及質(zhì)量份數(shù)組成如下： Si02 36 ?71 份; Al2〇3 3.5 ?25 份； CaO 18 ?52 份； CaCO；； 2.0 ?10 份； Xa〇b 0.7 ?3.8 份； ZnO 0·0 ?5.0 份； M;1Bh〇c'dH20 0.0 ?4.5 份。
2. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述Si02為白色或淺黃色固體粉末，晶型為 六方晶系，密度介于2. 20?2. 70g/cm3,粒徑介于7. 0?90 μ m。
3. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述A1203為白色固體粉末，晶型為α-Α120 3， 密度介于3. 65?3. 90g/cm3,粒徑介于15?45 μ m。
4. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述CaO是由碳酸鈣礦石在900-1KKTC高 溫煅燒制得，冷卻后粉碎而成，為一種白色固體粉末，密度介于3. 10-3. 25g/cm3,粒徑介于 18-72 μ m〇
5. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述CaC03為球形結(jié)晶粉末，密度介于2. 50? 2. 55g/cm3,粒徑介于 1. 2 ?10 μ m。
6. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述Xa0b為固體氧化物粉末，其中X為B、Zr、 Ti、Bi、Ba元素中的一種，原子數(shù)a的個數(shù)介于1?2,原子數(shù)b的個數(shù)介于1?3,粒徑介 于 15 ?50 μ m。
7. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述ZnO為白色固體粉末，密度介于5. 30? 5. 45g/cm3,粒徑介于 5. 0 ?18 μ m。
8. 權(quán)利要求1的高溫固井材料體系，其中所述MaBb0?！?dH20是一種結(jié)晶粉末，其中Μ為 K、Ca、Li、Na元素中的一種，原子數(shù)a的個數(shù)介于1?2,原子數(shù)b的個數(shù)介于1?4,原子 數(shù)c的個數(shù)介于2?7,結(jié)晶水d的個數(shù)介于4?8。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求8所述的MaBb0?！?dH20物質(zhì)，可以是KaBb0?！?dH20K、 CaaBb0?！?dH20、LiaBb0?！?dH20、NaaBb0。· dH20結(jié)晶物中的一種或幾種結(jié)晶物組合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求8所述的MaBb0?！?dH20物質(zhì)，其粒徑介于20?65 μ m。
【文檔編號】C09K8/42GK104293329SQ201410490627
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】王成文, 孟凡昌, 王瑞和, 徐偉祥 申請人:中國石油大學(華東)