本發(fā)明涉及一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，屬于油田固井用水泥用早強劑技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于中國國土面積大，東北、華北、西北地區(qū)常年冬期較長，需要摻加早強劑和早強減水劑來提高混凝土早期強度發(fā)展。華東、華南地區(qū)冬季氣溫降至10℃以下的施工中也常摻用早強劑和早強減水劑?；炷翗?gòu)件生產(chǎn)中為盡早張拉鋼筋、加快模板周轉(zhuǎn)和臺座利用率，早強型的外加劑更是普遍應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，目前我國每年使用的早強劑和早強減水劑總量逾20萬噸。

混凝土早強劑是外加劑發(fā)展歷史中最早使用的外加劑品種之一。到目前為止，人們已先后開發(fā)除氯鹽和硫酸鹽以外的多種早強型外加劑，如亞硝酸鹽、鉻酸鹽等，以及有機物早強劑，如三乙醇胺、甲酸鈣、尿素等。

單一的無機鹽或有機物類早強劑往往僅有一個突出性能，即早強性能，很少兼具早強和促凝性能，適應(yīng)溫度范圍也十分有限。目前常見的油田固井用水泥早強劑以復(fù)配早強劑為主，按組成主要有三類：①無機鹽與無機鹽復(fù)合類；②無機鹽與有機物復(fù)合類；③有機物與有機物復(fù)合類。

雖然傳統(tǒng)的早強劑具有一定的早強性能，可以滿足某些簡單的淺井固井需求，但還是存在一些缺點：

1.傳統(tǒng)的早強劑中大部分都含氯，氯離子會引起套管的銹蝕，易導(dǎo)致高溫水泥石強度衰退，水泥石滲透率增大；

2.不適用于AMPS類水泥漿體系，很難縮短AMPS類水泥漿體系的稠化時間，即使大幅提高早強劑加量，也很難縮短稠化時間；

3.稠化過渡時間和初終凝過渡時間較長，不利于防止油氣水竄流；

4.難以解決高溫大溫差井頂部水泥超緩凝、水泥石強度發(fā)展慢或強度低等難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，該早強劑早期強度高、強度發(fā)展快、稠化過渡時間和初終凝過渡時間短、適用于較寬溫度范圍和多種水泥漿體系。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，該早強劑的原料組成為：1～1.5重量份鈉鹽，1～1.5重量份鈣鹽，1～1.5重量份鋁鹽，1～1.5重量份其他材料；其他材料優(yōu)選為羥基磷灰石、偏高嶺土、三硅酸鎂、氧化鎂、硫酸鍶、碳酸鍶、硝酸鍶、碳酸鋰和草酸等中的一種或幾種。其中，羥基磷灰石具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，是人體骨骼的主要組成成分；偏高嶺土是一種高活性的人工火山灰材料，可與Ca(OH)₂(CH)和水發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成與水泥類似的水化產(chǎn)物；氧化鎂是堿性氧化物，具有堿性氧化物的通性，屬于膠凝材料。

在上述早強劑中，優(yōu)選地，所述鈉鹽為硫代硫酸鈉、鋁酸鈉、氟化鈉、氟硅酸鈉、零水偏硅酸鈉、草酸鈉、六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和硝酸鈉等中的一種或幾種。

在上述早強劑中，優(yōu)選地，所述鈣鹽為碳酸鈣、硫酸鈣、氟化鈣、鋁酸鈣和甲酸鈣等中的一種或幾種。

在上述早強劑中，優(yōu)選地，所述鋁鹽為硅酸鋁、硫化鋁和硫酸鋁等中的一種或幾種。

在本發(fā)明的早強劑中，鈉鹽和其他材料是該早強劑的主要成分，起主要作用，鈣鹽和鋁鹽為輔助材料，起輔助作用。

本發(fā)明還提供一種上述用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑的制備方法，稱取上述的鈉鹽、鈣鹽、鋁鹽和其他材料，混合均勻即得所述早強劑。

本發(fā)明還提供一種用于油田固井用的水泥漿，其是由以下步驟制備的：

稱取100重量份的G級油田固井用水泥、1-3重量份的權(quán)利要求1-4中任一項所述的早強劑、2.5-3重量份降失水劑、0.3-0.6重量份的分散劑和43重量份的水，將上述組分混合配制得到用于油田固井用的水泥漿。

在上述水泥漿中，優(yōu)選地，所述降失水劑為中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院生產(chǎn)的DRF-300S、DRF-120L和DRF-100L中的一種或兩種。

在上述水泥漿中，優(yōu)選地，所述分散劑為中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院生產(chǎn)的DRS-1S、衛(wèi)輝市化工有限公司生產(chǎn)的USZ和成都川鋒化學(xué)工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SXY-2中的一種或幾種。

本發(fā)明的早強劑適合應(yīng)用于上述水泥漿中，特別是應(yīng)用于高溫大溫差水泥漿體系或AMPS類水泥漿體系中。本發(fā)明的早強劑性能穩(wěn)定，具有優(yōu)異的促凝早強性能：①可以顯著地提高水泥石的早期強度，縮短強度發(fā)展時間；②有效地縮短稠化時間和稠化過渡時間，有效地縮短初凝時間和初終凝過渡時間，提高水泥的防竄能力；③有效地提高高溫大溫差水泥的頂部強度；④適用于PVA類水泥漿體系和AMPS類水泥漿體系；⑤適用于較寬的溫度范圍；⑥能夠防止表層套管、調(diào)整井和其它一些低溫井在水泥候凝過程中發(fā)生氣/水竄，對提高表層套管、淺井、調(diào)整井、其它低溫井以及高溫大溫差井的固井質(zhì)量、節(jié)約建井成本等具有重要意義。

附圖說明

圖1為實施例1早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

圖2為實施例2早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

圖3為實施例3早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

圖4為實施例4早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

圖5為對比例2不加任何早強劑時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

圖6為實施例5早強劑加量為水泥質(zhì)量的1％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的技術(shù)方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

對比例1

本對比例提供一種不加任何早強劑的用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700g G級油田固井用水泥、17.5g降失水劑DRF-300S(PVA類，廠家：中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院)、1.4g分散劑DRS-1S(醛酮縮合物類，廠家：中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院)和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得水泥漿的性能參數(shù)，如表1所示。

對比例2

本對比例提供一種不加任何早強劑的用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700gG級油田固井用水泥、21g降失水劑DRF-120L(AMPS類降失水劑，廠家：中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院)、0.7g分散劑DRS-1S和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得水泥漿的性能參數(shù)，如表2所示。圖5為對比例2不加任何早強劑時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線，從圖5和表2中可以看出，水泥漿稠化時間較長，263min/30Bc，279min/100Bc，過渡時間為16min。

實施例1

本實施例提供一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，其是通過以下步驟制備的：

分別稱取1重量份氟硅酸鈉，1重量份鋁酸鈣，1重量份硫酸鋁，1重量份偏高嶺土，并將其依次倒入混拌裝置中混合均勻，得到所述早強劑。

本實施例還提供一種用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700g G級油田固井用水泥、21g早強劑(即占水泥質(zhì)量的3.0％)、17.5g降失水劑DRF-300S、4.2g分散劑DRS-1S和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得水泥漿的性能參數(shù)，如表1所示。圖1為實施例1早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線，從圖1和表1中可以看出，水泥漿稠化時間較短，65min/30Bc，80min/70Bc，過渡時間僅為15min。

本實施例還提供了早強劑占水泥質(zhì)量1％和2％的水泥漿，測得水泥漿的性能參數(shù)如表1所示。

實施例2

本實施例提供一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，其是通過以下步驟制備的：

分別稱取1.5重量份鋁酸鈉，1.5重量甲酸鈣，1重量份硅酸鋁，1重量份氧化鎂，并將其依次倒入混拌裝置中混合均勻，得到所述早強劑。

本實施例還提供一種用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700g G級油田固井用水泥、21g早強劑(即占水泥質(zhì)量比3.0％)、17.5g降失水劑DRF-300S、4.2g分散劑DRS-1S和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得水泥漿的性能參數(shù)，如表1所示。圖2為實施例2早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線，從圖2和表1中可以看出：水泥漿稠化時間較短，64min/30Bc，77min/70Bc，過渡時間僅為13min。

本實施例還提供了早強劑占水泥質(zhì)量1％和2％的水泥漿，測得水泥漿的性能參數(shù)如表1所示。

實施例3

本實施例提供一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，其是通過以下步驟制備的：

分別稱取1重量份鋁酸鈉，1重量份甲酸鈣，1.5重量份硫酸鋁，1.5重量份羥基磷灰石，并將其依次倒入混拌裝置中混合均勻，得到所述早強劑。

本實施例還提供一種用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700g G級油田固井用水泥、21g早強劑(即占水泥質(zhì)量的3.0％)、17.5g降失水劑DRF-300S、4.2g分散劑DRS-1S和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得水泥漿的性能參數(shù)，如表1所示。圖3為實施例3早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線，從圖3和表1中可以看出：水泥漿稠化時間較短，51min/30Bc，63min/70Bc，過渡時間僅為12min。

本實施例還提供了早強劑占水泥質(zhì)量1％和2％的水泥漿，測得水泥漿的性能參數(shù)如表1所示。

實施例4

本實施例提供一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，其是通過以下步驟制備的：

分別稱取1.5重量份鋁酸鈉，1.5重量份甲酸鈣，1.5重量份硫酸鋁，1.5重量份偏高嶺土，并將其依次倒入混拌裝置中混合均勻，得到所述早強劑。

本實施例還提供一種用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700g G級油田固井用水泥、21g早強劑(即占水泥質(zhì)量的3.0％)、17.5g降失水劑DRF-300S、4.2g分散劑DRS-1S和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得水泥漿的性能參數(shù)，如表1所示。圖4為實施例4早強劑加量為水泥質(zhì)量的3％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線，從圖4和表1中可以看出：水泥漿稠化時間較短，62min/30Bc，74min/70Bc，過渡時間僅為12min。

本實施例還提供了早強劑占水泥質(zhì)量1％和2％的水泥漿，測得水泥漿的性能參數(shù)如表1所示。

實施例5

本實施例提供一種用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑，其是通過以下步驟制備的：

分別稱取1重量份鋁酸鈉，1重量份甲酸鈣，1重量份硫酸鋁，1重量份羥基磷灰石，并將其依次倒入混拌裝置中混合均勻，得到所述早強劑。

本實施例還提供一種用于油田固井用的水泥漿，其是通過以下步驟制備的：

稱取700g G級油田固井用水泥、7g早強劑(即占水泥質(zhì)量的1％)、21g降失水劑DRF-120L、2.1g分散劑DRS-1S和301g水，將上述組分混合配制成水泥漿。

測得性能參數(shù)，如表2所示。

本實施例還提供了早強劑占水泥質(zhì)量0.5％和1.5％的水泥漿，測得水泥漿的性能參數(shù)如表2所示。圖6為實施例5早強劑加量為水泥質(zhì)量的1％時，水泥漿對應(yīng)的稠化時間曲線。

從圖6和表2可以看出：水泥漿稠化時間比對比例2中水泥漿短了約50min，214min/30Bc，217min/100Bc，過渡時間僅為3min。

表1中出現(xiàn)的62℃為中低溫，62℃對應(yīng)的水泥漿體系為中低溫水泥漿體系；表2中出現(xiàn)的103℃為高溫，103℃對應(yīng)的水泥漿體系為高溫大溫差水泥漿體系。

表1中低溫PVA類水泥漿體系的性能參數(shù)

注：初終凝時間實驗條件為62℃×0.1MPa；API失水實驗條件為62℃×6.9MPa；抗壓強度實驗條件為30℃×0.1MPa和62℃×0.1MPa；稠化時間實驗條件為62℃×35MPa×25min。

表2高溫大溫差A(yù)MPS類水泥漿體系的性能參數(shù)

注：稠化時間實驗條件為103℃×47MPa×45min；30℃高溫大溫差水泥漿體系的抗壓強度為水泥漿在高溫高壓稠化儀中、在103℃×47MPa×45min的條件下達到升溫升壓后再恒定30min，然后將養(yǎng)護后的水泥漿倒入強度試模中在30℃水浴中進行強度養(yǎng)護之后測得的。模擬水泥漿從地面經(jīng)過套管內(nèi)注入，然后再由套管和地層之間的環(huán)空返至地面的過程，即經(jīng)歷了低溫、高溫和低溫三個過程。

由表1和表2的實驗結(jié)果可以看出：

①與未加入早強劑的水泥漿相比，加入了早強劑的水泥漿的初凝時間、終凝時間、初終凝過渡時間、稠化時間、稠化過渡時間明顯縮短，8h、24h抗壓強度明顯提高。

②隨著早強劑加量的增加，水泥漿的初凝時間、稠化時間呈線性遞減趨勢，抗壓強度呈遞增趨勢。

③與未加入早強劑的水泥漿相比，本早強劑可以明顯縮短AMPS類水泥漿體系的稠化時間，能夠加快高溫大溫差水泥漿體系低溫頂部強度的發(fā)展速度。

④本發(fā)明的采用不同的溫度條件，是為了證明該早強劑適用于較寬的溫度范圍。目前的早強劑一般僅為低溫或中低溫，103℃為高溫，103℃下測定制備的水泥漿的性能參數(shù)主要是說明高溫大溫差條件下，該早強劑也可以起到早強作用，之前的專利和期刊文獻中幾乎未見到報導(dǎo)適用于大溫差的早強劑。

綜上所述，本發(fā)明的用于油田固井用水泥的廣譜性無氯促凝早強劑早期強度高、強度發(fā)展快、稠化過渡時間和初終凝過渡時間短，適用于較寬溫度范圍和多種水泥漿體系(如高溫大溫差水泥漿體系、AMPS類水泥漿體系)。