CN110240441B - 热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，由以下材料制成：水、G级油井水泥、外掺料、玄武岩纤维、纳米材料、早强剂和减水剂：水固比，所述水：固相含量G级油井水泥与外掺料之和的重量比为0.5‑0.8；固相比，G级油井水泥：外掺料的重量比为9:1、8:2、7:3、6:4、5:5的其中一种。发明不同高温条件下的优化配方具有适宜的流动度、可泵期和凝结时间，质量损失较小，并且固结体具有良好的压折比和动静弹模比，固井材料在高温条件下具备优异的强度、韧性和变形能力，有效克服了普通水泥基固井材料在高温环境下流动性控制困难、强度衰减以及脆性破坏等问题。

Description

热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料
技术领域
本发明涉及地热开采复合水泥基固井技术领域，特别涉及一种热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料。
背景技术
针对日益严峻的能源紧缺问题，寻找资源量大、再生性强且清洁的新能源具有重要的战略意义。在地热资源中，其热储层具有“储量大、分布广、稳定性好以及利用率高”等特点，同时热储层也是一种环保洁净的绿色能源。在热储层的开采过程中，高温环境下水泥基固井材料的性能是确保固井质量的关键，对热储层的开采起到决定性作用。
热储层开采过程中，水泥基固井材料在高温环境下易水化脱水、骨料热分解，固井材料浆液稠化加剧、质量减少，形成大量的孔洞和裂缝，导致水泥基固井材料强度衰减，从而造成热储层流体之间窜流，不利于热储层的开采利用。另外，常规的水泥基固井材料易热膨胀引发体积的变化以及不同物相之间发生相互错动，使水泥基固井材料因较大内应力的产生，导致材料孔洞和裂纹的产生，以致水泥基固井材料易脆性断裂。针对常规水泥基固井材料在热储层开采固井过程中易稠化、强度低、脆性大、易爆裂等关键技术问题，研发一种适合热储层开采的水泥基固井新材料具有重要的工程意义。
玄武岩纤维是一种具有天然特性的、环境友好型的无机非金属材料。是玄武岩岩石在1450～1500℃高温下熔化、直接拉丝而成的。具有耐高温、耐腐蚀的优点，同时具有较高的抗拉强度、高弹性模量以及与水泥基材料有良好的相容性等特点。将其加入水泥基固井材料中能够形成较为稳定的三维乱向分布的网络体系，能够有效地防止水泥基固井材料在高温环境下裂缝的产生和发展，从而达到提高材料综合性能的作用。
纳米材料在结构、物理和化学方面具有其独特的性质，因此，使其成为材料学领域研究的热点，同时也被世界公认为“21世纪最有前途的材料”。在水泥基固井材料体系中加入合适的纳米材料对其进行改性，不仅能够缓解材料浆体的裂隙发育，还起到密实浆体孔隙，促进水泥水化的作用。改善了水泥石界面的微结构，提高材料浆体强度、抗渗性及高温下的综合性能。
目前，国内外对高温环境条件下外掺料、纳米材料和纤维在混凝土、水泥砂浆的施工性能和工作性能方面的研究已取得了较***的试验研究成果。但是对于纳米材料-玄武岩纤维复合水泥基固井材料在高温环境下的性能研究则处于起步探索阶段，其研究还不够***与全面：
(1)对外掺量(粉煤灰、高炉矿渣、硅灰)以及纳米材料、玄武岩纤维和外加剂对高温环境下水泥基固井材料的抗高温性能(抗压、抗折、抗爆裂、韧性、质量损失、弹性模量、压折比等)的影响方面的研究相对较少。
(2)针对热储层开采固井材料存在的问题，采用纳米材料以及玄武岩纤维及其它外加剂等对其改性，进而研究适宜的纳米材料-玄武岩纤维复合水泥基固井材料方面的研究成果鲜见。
因此，结合热储层开采对固结水泥基固井材料的性能要求，将玄武岩纤维与纳米材料与水泥基固井材料复合，结合其他外掺料与外加剂的调节作用，进而研制一种高温性能优良、施工方便、绿色环保的热储层开采水泥基固井新材料，可为解决热储层开采固井技术难题提供崭新的思路与解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种针对不同高温环境的纳米材料-玄武岩纤维复合水泥基固井材料，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，由以下材料制成：水、G级油井水泥、外掺料、玄武岩纤维、纳米材料、早强剂和减水剂：
水固比，所述水：固相含量G级油井水泥与外掺料之和的重量比为0.5-0.8；
固相比，G级油井水泥：外掺料的重量比为9:1、8:2、7:3、6:4、5:5的其中一种；
外掺料，为高炉矿渣、粉煤灰、硅灰的其中一种；
玄武岩纤维，长度为6mm、9mm、20mm的其中一种，其质量用量为G级油井水泥与外掺料重量之和的0.3％、0.5％、0.7％、1.0％的其中一种；
纳米材料：为纳米Al2O3、纳米SiO2及纳米MgO的其中一种，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的其中一种；
早强剂，为硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺的其中一种，其中硫酸钠的加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.5％、1.0％、1.5％、2.0％的其中一种，氯化钙的加量为G级油井水泥与外掺料重量和的1.0％、2.0％、3.0％、4.0％、5.0％的其中一种，三乙醇胺的加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.02％、0.05％、0.07％、0.1％的其中一种；
减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂的其中一种，二者加量均为G级油井水泥与外掺料重量和的0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的其中一种。
作为优选；
水固比为：0.6、0.7的其中一种，视环境温度而定；
固相比为：9:1、8:2的其中一种，视环境温度而定；
外掺料为：粉煤灰，其固相比为9:1、8:2的其中一种，视环境温度而定；
玄武岩纤维为：长度为9mm，其质量比为G级油井水泥与粉煤灰重量和的0.5％、0.7％、1.0％的其中一种，视环境温度而定；
纳米材料为：纳米SiO2，其加量为G级油井水泥与粉煤灰重量和的0.3％、0.4％、0.5％的其中一种，视环境温度而定；
早强剂为：氯化钙(CaCl2)，其加量为G级油井水泥与粉煤灰重量和的4.0％、5.0％的其中一种，视环境温度而定；
减水剂为：萘系减水剂，其加量为G级油井水泥与粉煤灰重量和的0.3％、0.4％、0.5％的其中一种，视环境温度而定。
与现有技术相比本发明的优点在于：不同高温条件下的优化配方具有适宜的流动度、可泵期和凝结时间，质量损失较小，并且固结体具有良好的压折比和动静弹模比，固井材料在高温条件下具备优异的强度、韧性和变形能力，有效克服了普通水泥基固井材料在高温环境下流动性控制困难、强度衰减以及脆性破坏等问题，其综合性能满足热储层开采对于水泥基固井材料的性能要求，为解决热储层开采固井技术难题提供了新的解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例复合水泥基固井材料的流动度变化趋势图；
图2为本发明实施例复合水泥基固井材料的凝结时间变化趋势图；
图3为本发明实施例复合水泥基固井材料在不同温度下的质量损失情况对比图；
图4为本发明实施例复合水泥基固井材料残余抗压强度随时间变化趋势图；
图5为本发明实施例复合水泥基固井材料残余抗折强度随时间变化趋势图；
图6为本发明实施例复合水泥基固井材料残余劈裂抗拉强度随时间变化趋势图；
图7为本发明实施例复合水泥基固井材料压折比随时间变化趋势如图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种适于环境温度为100℃时的热储层开采纳米材料-玄武岩纤维复合水泥基固井材料，所述固井材料包括：G级油井水泥、粉煤灰、纳米SiO2、玄武岩纤维、早强剂与减水剂：
水固比为：0.6；
固相比为：8:2；
外掺料为：粉煤灰，其固相比为8:2；
玄武岩纤维为：长度为9mm，其质量比为G级油井水泥与粉煤灰重量和的0.5％；
纳米材料为：纳米SiO2，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.4％；
早强剂为：氯化钙(CaCl2)，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的4.0％；
减水剂为：萘系减水剂，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.5％。
实施例2
一种适于环境温度为150℃时的热储层开采纳米材料-玄武岩纤维复合水泥基固井材料，所述固井材料包括：G级油井水泥、粉煤灰、纳米SiO2、玄武岩纤维、早强剂与减水剂：
水固比为：0.6；
固相比为：9:1；
外掺料为：粉煤灰，其固相比为9:1；
玄武岩纤维为：长度为9mm，其质量比为G级油井水泥与粉煤灰重量和的0.7％；
纳米材料为：纳米SiO2，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.5％；
早强剂为：氯化钙(CaCl2)，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的5.0％；
减水剂为：萘系减水剂，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.4％。
实施例3
一种适于环境温度为200℃时的热储层开采纳米材料-玄武岩纤维复合水泥基固井材料，所述固井材料包括：G级油井水泥、粉煤灰、纳米SiO2、玄武岩纤维、早强剂与减水剂：
水固比为：0.7；
固相比为：8:2；
外掺料为：粉煤灰，其固相比为8:2；
玄武岩纤维为：长度为9mm，其质量比为G级油井水泥与粉煤灰重量和的1.0％；
纳米材料为：纳米SiO2，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.3％；
早强剂为：氯化钙(CaCl2)，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的4.0％；
减水剂为：萘系减水剂，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.3％。
(1)流动度与凝结时间
对三个实施例的流动度与凝结时间进行测试，结果如图1、图2所示。
由图1可以看出，不同温度条件的实施例都具有良好的初始流动度，且流动度在相应的温度环境下都具有随时间呈现逐渐降低的趋势。三个实施例的流动度均满足热储层开采水泥基固井材料的性能要求。
由图2可以看出，三个实施例的可泵期都在120min左右，在具有良好流动性能的同时也能保持合适的凝结时间，尤其是150℃环境条件下，复合浆液的可泵期与初凝时间，初凝时间与终凝时间间隔较100℃和200℃更为短暂，更加有利于热储层开采过程中浆液快速的凝固。
结果表明，三个实施例都具有良好的流动度与凝结时间，满足热储层开采固井要求。
(2)质量损失
对三个实施例在不同温度下的质量损失情况进行测试，结果如图3所示。
可以看出，三个实施例随着养护龄期增加，相应的高温后质量损失减少。随着温度的增加，试样颜色由褐色变为灰白色，环境温度越高，变化越明显。同时，随着环境温度的不断升高，试样表面逐渐出现细小裂纹，环境温度越高，裂纹数量相对较多。但是由于玄武岩纤维的存在，三个实施例均未出现爆裂现象，表明不同温度下的实施例具备优越的抗爆裂性能。
(3)高温残余强度
对三个实施例在不同温度下的高温残余强度进行测试，结果如图4、图5和图6所示。
可以看出，三个实施例在不同环境温度下的残余抗压、抗折和劈裂抗拉强度均随着龄期增长逐渐提高，尤其是150℃环境下的实施例强度变化趋势尤为明显。说明不同高温条件下的实施例均具备抵抗地层压力破坏的优越性能，满足热储层开采对水泥基固井材料的强度性能要求。
(4)韧性
通过压折比对三个实施例在不同温度下的韧性进行评价，结果如图7所示。
结合试验结果以及实施例破坏后的形态可以看出，不同环境温度下的实施例早期的压折比较高，当达到一定龄期后，压折比均降低。三个实施例在高温环境下均具备良好的韧性性能且随着养护龄期的增长韧性表现的更加突出。试样在抗折试验过程中并没有因为受力而完全断开，相反，固结体之间因为玄武岩纤维的桥架作用仍然联系在一起。说明，在热储层开采的过程中，针对不同高温环境的三个实施例均具备良好的韧性。
综上所述，三个实施例均可满足热储层开采固井性能要求，三个实施例分别适用于100℃、150℃以及200℃的高温环境。在高温环境下，通过粉煤灰、纳米材料、玄武岩纤维以及外加剂的综合作用，三个实施例均表现出良好的流动性，合适的凝结时间，适宜的高温强度(抗压、抗折以及劈裂抗拉强度)以及良好的韧性，有效的克服了传统水泥基固井材料在高温环境下的流动性控制问题、强度衰减以及脆性破坏问题，为解决热储层开采固井技术难题提供了良好的解决方案。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，其特征在于，由以下材料制成：水、G级油井水泥、外掺料、玄武岩纤维、纳米材料、早强剂和减水剂：
水固比，所述水：固相含量G级油井水泥与外掺料之和的重量比为0.5-0.8；
固相比，G级油井水泥：外掺料的重量比为9:1、8:2、7:3、6:4、5:5的其中一种；
所述的纳米材料：为纳米Al2O3、纳米SiO2及纳米MgO的其中一种，其加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的其中一种。
2.根据权利要求1所述的热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，其特征在于，所述的外掺料，为高炉矿渣、粉煤灰、硅灰的其中一种。
3.根据权利要求1所述的热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，其特征在于，所述的玄武岩纤维，长度为6mm、9mm、20mm的其中一种，其质量用量为G级油井水泥与外掺料重量之和的0.3％、0.5％、0.7％、1.0％的其中一种。
4.根据权利要求1所述的热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，其特征在于，所述的早强剂，为硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺的其中一种，其中硫酸钠的加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.5％、1.0％、1.5％、2.0％的其中一种，氯化钙的加量为G级油井水泥与外掺料重量和的1.0％、2.0％、3.0％、4.0％、5.0％的其中一种，三乙醇胺的加量为G级油井水泥与外掺料重量和的0.02％、0.05％、0.07％、0.1％的其中一种。
5.根据权利要求1所述的热储层开采纳米材料与玄武岩纤维复合水泥基固井材料，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂的其中一种，二者加量均为G级油井水泥与外掺料重量和的0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的其中一种。
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