[发明专利]适用深水低温环境的水泥增强剂及其制备方法、水泥浆体系

说明书

本发明公开了一种适用深水低温环境的水泥增强剂及其制备方法、水泥浆体系，所述水泥增强剂为铝掺杂水化硅酸钙，且所述铝掺杂水化硅酸钙中铝、硅、钙各元素的摩尔比为：Ca/Si摩尔比1.5‑2.0，Al/Si摩尔比0.08‑0.15。本发明能够提高深水低温条件下水泥石的早期强度，解决低温环境水泥石的强度发展缓慢，影响施工安全的问题。本发明通过加入改善C‑S‑H晶种结构的Al离子，极大的提高了C‑S‑H晶种的早强性能。本发明具有良好的提高油井水泥石低温力学抗压强度的效果，适用于深水低温环境，能够有效提升油井水泥早期抗压强度，保障作业施工的安全。

技术领域

本发明涉及水泥外加剂技术领域，特别涉及一种适用深水低温环境的水泥增强剂及其制备方法、水泥浆体系。

背景技术

随着人类社会对能源的依赖及需求的不断增加，油气勘探开发已逐渐趋向于深水、超深水区域，相关研究已成为当下人们关注的重点。深水及超深水油气资源的勘探开发过程中，海洋环境具有温度低、浅层流和地层破裂压力低等特点，尤其是固井过程中所面临的低温环境严重影响了油井水泥水化速率，使水泥石早期强度较低，环空水泥石无法在较短时间内达到足够的剪切应力来支撑套管重量，导致固井施工候凝时间延长，无法满足固井快凝早强要求。

加入增强剂是低温固井中缩短水泥浆候凝时间，提高水泥石早期抗压强度的主要方法。常用增强剂有无机强电解质和水溶性有机电解质两种：无机强电解质主要包括氯盐类、硫酸盐类、硝酸盐以及碳酸盐类；水溶性有机电解质包括三乙醇胺、甲酸钙等。但许多常用增强剂用于深水低温环境时会出现套管腐蚀，或碱骨料反应等问题。已有研究表明，由于晶核效应，C-S-H晶种的加入可以提高水泥基材料的力学性能，然而现阶段的C-S-H晶种在低温环境下的增强性能并不足以满足深水固井需要。

综上所述，基于目前增强剂的研究现状及深水油气资源勘探开发对低温增强剂的迫切需求，研发一种能够适用于深水低温环境的晶种增强剂迫在眉睫。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种适用深水低温环境的水泥增强剂及其制备方法、水泥浆体系，通过掺入Al离子对C-S-H晶种的晶型结构、增强性能进行优化，极大的提升C-S-H晶种的增强效果，使其能够满足深水作业低温固井的需要，减少候凝时间，提高作业效率以及安全性，实现对深水区域的高效固井施工，保证深水区域油气资源的安全、高效开发。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种适用深水低温环境的水泥增强剂，所述水泥增强剂为铝掺杂水化硅酸钙，且所述铝掺杂水化硅酸钙中铝、硅、钙各元素的摩尔比为：Ca/Si摩尔比1.5-2.0，Al/Si摩尔比0.08-0.15。

作为优选，所述铝掺杂水化硅酸钙通过以下组分制备而成：偏硅酸钠、硝酸钙、硫酸铝钾。

作为优选，所述偏硅酸钠为无水偏硅酸钠、五水偏硅酸钠、九水偏硅酸钠中的任意一种；所述硝酸钙为无水硝酸钙、一水硝酸钙、四水硝酸钙中的任意一种；所述硫酸铝钾为无水硫酸铝钾或十二水硫酸铝钾。

作为优选，当所述偏硅酸钠为九水偏硅酸钠，所述硝酸钙为四水硝酸钙，所述硫酸铝钾为十二水硫酸铝钾时，按质量份计，制备所述铝掺杂水化硅酸钙的各组分原料份数如下：九水偏硅酸钠42-48份、四水硝酸钙44-50份、十二水硫酸铝钾8-12份。

作为优选，当所述偏硅酸钠为无水偏硅酸钠，所述硝酸钙为无水硝酸钙，所述硫酸铝钾为无水硫酸铝钾时，按质量份计，制备所述铝掺杂水化硅酸钙的各组分原料份数如下：无水偏硅酸钠32-38份、无水硝酸钙55-65份、无水硫酸铝钾7-11份。

另一方面，还提供一种适用深水低温环境的水泥增强剂的制备方法，采用共沉淀法制备铝掺杂水化硅酸钙，且所述铝掺杂水化硅酸钙中铝、硅、钙各元素的摩尔比为：Ca/Si摩尔比1.5-2.0，Al/Si摩尔比0.08-0.15。