CN108793783B - 页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆，其中页岩气水平井固井水泥包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：硅酸三钙：40‑55％；硅酸二钙：25‑40％；铁铝酸四钙：15‑25％。本发明的页岩气水平井固井水泥能有效解决页岩气水平井井固井工程中水泥石脆性破坏难题，制备方法简单易得，可以替代现有页岩气固井水泥，有利于页岩气水平井井固井工程的结构耐久性和安全性。

Description

页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆
技术领域
本发明涉及一种水泥制备领域，特别是涉及一种页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆。
背景技术
目前通用的水泥为硅酸盐水泥系列，系以适当的原材料，设计适宜的率值和成分，经“两磨一烧”的工艺加工而成，是生产和应用最广泛的水硬性胶凝材料。长期以来，硅酸盐水泥的化学成分和矿物组成基本没有变化，技术发展主要是生产工艺和装备。
目前，我国油气资源需求和供给呈现出需求量和对外依存度逐年上升、浅层易动用油气资源量逐年递减的“两升一减”趋势。《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020)》将“复杂地质油气资源勘探开发利用”列为能源领域优先发展主题。页岩气作为我国的一个新的天然气矿种，初步预测表明我国页岩气地质储量为(15-30)×1012m3。根据国家***的规划，计划到2020年，我国页岩气产量达到(600-800)×108m3，具有非常广阔的开采前景。页岩气藏属于低渗气藏，一般采用水平井开发，完井措施复杂，对固井质量要求非常高。由于页岩气储层易塌易漏、后期增产措施多、生产周期长等特点，页岩气固井难度远远大于常规油井。然而，目前我国固井水泥基材料尚存在大型压裂强交变载荷条件下水泥石易开裂等诸多不足，导致固井水泥环封隔失效，为固井封固质量与安全带来挑战。
现有的页岩气水平井固井水泥通常以G级油井水泥作为基本水泥，再添加粉煤灰、矿渣等外掺料和缓凝剂的基础上配制固井水泥浆，以满足固井施工要求。但是由于G级水泥矿物组成的钙硅比决定了水化产物在大型压裂载荷下和温度共同作用下的脆性，从而造成结构失稳，单纯地添加外掺料虽然满足了固井要求，但是固井水泥环的长期耐久性不足，从而影响油气井采收率。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型的页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆，所要解决的技术问题是使其具有优异的稠化性能和更好的强度稳定性，有利于固井工程施工安全和结构耐久性，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种页岩气水平井固井水泥，包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：
硅酸三钙：40-55％；
硅酸二钙：25-40％；
铁铝酸四钙：15-25％。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥，其中所述的水泥熟料是通过对生料的研磨和煅烧得到的，所述的生料按重量百分含量计，包括：
石灰质原料：70-85％；
粘土质原料：5-30％；
铁粉：0-10％；
工业废渣：0-40％；
校正原料：0-40％；
其中，铁粉、工业废渣和校正原料不同时为0。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥，其中所述的水泥熟料与石膏的重量比为96:4-94:6。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥，其中所述的石膏为二水石膏、硬石膏或工业副产石膏。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥，其中所述的页岩气水平井固井水泥的比表面积为280-400m2/kg。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥，其中所述的页岩气水平井固井水泥的稠化时间为90-180min；38℃养护48h后抗压强度≥25MPa；经50-150℃养护48h后抗压强度≥25MPa，48h弹性模量＜6GPa。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种页岩气水平井固井水泥浆，以重量份数计，其包括：
页岩气水平井固井水泥：100份；
水：44-50份；
抗高温缓凝剂：1-5份；
降失水剂：1-8份；
其中页岩气水平井固井水泥为前述的页岩气水平井固井水泥。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥浆，其中所述的抗高温缓凝剂为柠檬酸和/或非木质素黄化盐。
优选的，前述的页岩气水平井固井水泥浆，其中所述的降失水剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素中的至少一种。
借由上述技术方案，本发明页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆至少具有下列优点：
1)本发明的页岩气水平井固井水泥可以满足页岩气水平井井工程对水泥基材料提出的更高、更新的要求，是一种比当今普遍采用的G级油井水泥更适于页岩气水平井井大型压裂条件固井的理想胶凝材料，它的应用将有利提升固井水泥石性能，延长固井工程使用寿命，市场前景及潜力广阔；
2)本发明的页岩气水平井固井水泥可有效解决复杂页岩气水平井井固井工程水泥基材料关键技术瓶颈，节约投资、减少维修。可大幅改善固井质量，减少废井数量，提升油气采收率；
3)本发明的页岩气水平井固井水泥，具有原料来源广、成本相当、制备工艺简单等特点，可广泛适用于我国现有水泥企业生产和固井施工单位配制固井水泥浆，具有良好的经济社会效益。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的页岩气水平井固井水泥及页岩气水平井固井水泥浆其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出的一种页岩气水平井固井水泥，包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其包括：
硅酸三钙：40-55％；
硅酸二钙：25-40％；
铁铝酸四钙：15-25％。
优选的，水泥熟料是通过对生料的研磨和煅烧得到的，所述的生料按重量百分含量计，包括：
石灰质原料：70-85％；
粘土质原料：5-30％；
铁粉：0-10％；
工业废渣：0-40％；
校正原料：0-40％；
其中，铁粉、工业废渣和校正原料不同时为0。
优选的，水泥熟料与石膏的重量比为96:4-94:6。
优选的，石膏为二水石膏、硬石膏或工业副产石膏。
优选的，页岩气水平井固井水泥的比表面积为280-400m2/kg。
优选的，页岩气水平井固井水泥的稠化时间为90-180min；38℃养护48h后抗压强度≥25MPa；经50-150℃养护48h后抗压强度≥25MPa，且相比38℃常温无强度衰退率，48h弹性模量＜6GPa。
本发明的另一实施例提出一种页岩气水平井固井水泥浆，以重量份数计，其包括：
页岩气水平井固井水泥：100份；
水：44-50份；
抗高温缓凝剂：1-5份；
降失水剂：1-8份；
其中页岩气水平井固井水泥为前述的页岩气水平井固井水泥。
优选的，抗高温缓凝剂为柠檬酸和/或非木质素黄化盐。
优选的，降失水剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素中的至少一种。
本发明实施例1-5的原料如表1所示。
表1页岩气水平井固井水泥的原料配方(单位：重量百分比)
Figure BDA0001732128450000051
根据上述实施例，本发明提出以下页岩气水平井固井水泥实施例1-5的水泥熟料的矿物组成如表2所示。
表2页岩气水平井固井水泥实施例1-5的水泥熟料组成
Figure BDA0001732128450000052
将实施例1-5页岩气水平井固井水泥粉磨至合适细度后，进行水泥的物理性能试验(参照比表面积试验方法，勃氏法)，结果见表3。
表3实施例1-5页岩气水平井固井水泥的比表面积
比表面积，m<sup>2</sup>/kg
实施例1 305
实施例2 322
实施例3 332
实施例4 345
实施例5 361
将实施案例1-5岩气水平井固井水泥粉磨至合适细度后，进行水泥的物理性能试验(参照GB/T 10238-2015)，稠化时间结果见表4。
表4实施例1-5页岩气水平井固井水泥的比表面积
稠化时间，min
实施例1 95
实施例2 103
实施例3 112
实施例4 116
实施例5 132
将实施案例1-5页岩气水平井固井水泥粉磨至合适细度后，进行水泥的物理性能试验(参照GB/T 10238-2015)，常温抗压强度和高温抗压强度结果见表5和表6。
表5实施例1-5页岩气水平井固井水泥的常温抗压强度结果
Figure BDA0001732128450000061
表6实施例1-5页岩气水平井固井水泥的高温抗压强度结果
Figure BDA0001732128450000071
将实施案例1-5页岩气水平井固井水泥粉磨至合适细度后，进进行水泥的弹性模量试验(静态法)，结果见表7。
表7实施例1-5页岩气水平井固井水泥的弹性模量结果
Figure BDA0001732128450000072
根据上述实施例，本发明提出以下页岩气水平井固井水泥浆，实施例1-5的页岩气水平井固井水泥浆的组成如表8所示。
表8实施例1-5页岩气水平井固井水泥浆的组成(单位：重量份数)
Figure BDA0001732128450000073
Figure BDA0001732128450000081
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，以重量份数计，由以下质量分数的组分构成：
页岩气水平井固井水泥：100份；
水：44-50份；
抗高温缓凝剂：1-5份；
降失水剂：1-8份；
所述页岩气水平井固井水泥包括水泥熟料和石膏；所述的水泥熟料的矿物组成，以重量百分比计，其由以下质量分数的组分构成：
硅酸三钙：40-55％；
硅酸二钙：25-40％；
铁铝酸四钙：15-25％；
所述的页岩气水平井固井水泥的稠化时间为90-180min；38℃养护48h后抗压强度≥25MPa；经50-150℃养护48h后抗压强度≥25MPa，48h弹性模量＜6GPa。
2.根据权利要求1所述的页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，所述的水泥熟料是通过对生料的研磨和煅烧得到的，所述的生料按重量百分含量计，包括：
石灰质原料：70-85％；
粘土质原料：5-30％；
铁粉：0-10％；
工业废渣：0-40％；
校正原料：0-40％；
其中，铁粉、工业废渣和校正原料不同时为0。
3.根据权利要求1所述的页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，所述的水泥熟料与石膏的重量比为96:4-94:6。
4.根据权利要求1所述的页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，所述的石膏为二水石膏、硬石膏或工业副产石膏。
5.根据权利要求1所述的页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，所述的页岩气水平井固井水泥的比表面积为280-400m2/kg。
6.根据权利要求5所述的页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，所述的抗高温缓凝剂为柠檬酸和/或非木质素磺 化盐。
7.根据权利要求6所述的页岩气水平井固井水泥浆，其特征在于，所述的降失水剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基羟乙基纤维素中的至少一种。
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