一种锂掺杂油井水泥及其制备方法与流程

本发明涉及水泥，具体涉及一种锂掺杂油井水泥及其制备方法。

背景技术：

1、页岩气资源作为国家能源重要组成部分，已成为天然气工业增储上产的重要推动力。与常规天然气藏相比，页岩气藏具有低孔低渗、大面积低丰度连续成藏、开采寿命长、生产周期长等特点。页岩气的开采目前广泛采用“水平井+大规模分段体积压裂”开发方式。压裂作业压力高(井口压力60～100mpa)、次数多、液量大、温度变化大。频繁的井筒温度、压力变化产生交变载荷致使套管、固井水泥环极易发生损坏。水泥环力学性能无法承受压裂载荷而发生破损，是导致水泥环力学完整性失效而诱发环空带压、套管破损等问题的主要原因之一。

2、目前，通过颗粒、胶乳、纤维、晶须等“外源”型增韧材料对油井水泥体系进行增韧降脆，是现阶段保证井下水泥环的力学完整性的重要举措。但固井水泥材料与增韧材料的相容性较差，表面改性工艺复杂且成本较高，强度与韧性发展不协同等问题突出，难以满足复杂载荷下油井水泥的服役需求。

技术实现思路

1、基于以上问题，本发明提供锂掺杂油井水泥及其制备方法，采用硝酸加压浸出锂辉石固废作为烧结油气井水泥熟料的原料，在油气井水泥熟料烧结过程中能够促进c3s晶体的生长，使得c3s晶粒增大，反应活性增强，尤其是可以提升锂掺杂油井水泥早期的反应活性。不仅能使c4af反应时的活化能降低，c4af的水化反应活性提高，促进了afm-oh相水化产物的形成；afm-oh相在c-s-h表面和层间的掺杂，可以提高c-s-h的变形能力，致密化层间结构，进而提高了水泥石的强度及韧性；也能抑制了c3a晶体的形成，有助于提高油井水泥抗硫酸侵蚀的能力。

2、为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：

3、一种锂掺杂油井水泥，按重量份计，所述锂掺杂油井水泥包括油气井水泥熟料95～97份，天然二水石膏3～5份；所述油气井水泥熟料是由生料粉烧结而得，所述生料粉包括石灰石75％～80份、硝酸加压浸出锂辉石固废2～5份、砂岩5.5～8.5份、铝矿废渣5.5～6.0份以及铁矿废渣2.5～3.5份。

4、进一步地，所述硝酸加压浸出锂辉石固废包括如下质量分数的化学组成：

5、

6、其中，所述杂质氧化物为fe2o3、k2o、cao、mgo中的一种或多种氧化物的组合物。

7、为实现上述技术效果，本发明还提供了一种锂掺杂油井水泥的制备方法，包括：

8、将石灰石、硝酸加压浸出锂辉石固废、砂岩、铝矿废渣、铁矿废渣共同粉磨，得到水泥生料粉；

9、将所述生料粉进行煅烧得到油气井水泥熟料；

10、将得到的油气井水泥熟料与天然石膏混合，在磨机中粉磨，得到锂掺杂油井水泥。

11、进一步地，所述生料粉包括石灰石75％～80份、硝酸加压浸出锂辉石固废2～5份、砂岩5.5～8.5份、铝矿废渣5.5～6.0份以及铁矿废渣2.5～3.5份。

12、进一步地，将石灰石、硝酸加压浸出锂辉石固废、砂岩、铝矿废渣、铁矿废渣共同粉磨过程中，粉磨的粒径控制范围为75～105μm。

13、进一步地，所述生料粉在回转窑内煅烧，煅烧温度为1300～1380℃，窑速为0.8～1.2rpm，所述油气井水泥熟料立升重≥1450g/l。

14、进一步地，将得到的油气井水泥熟料与天然石膏混合过程中，所述油气井水泥熟料用量为95～97份，天然二水石膏用量为3～5份；油气井水泥熟料与天然石膏混合粉磨控制粉料比表面积为310～340m2/kg。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用硝酸加压浸出锂辉石固废作为烧结油气井水泥熟料的原料，在提供硅铝质的同时，硝酸加压浸出锂辉石固废中存在微量li2o，由于li+离子半径小，场强相对较高，在油气井水泥熟料烧结过程中对硅酸盐网络形成具有积聚作用，进而促进c3s晶体的生长，使得c3s晶粒增大，反应活性增强，尤其是可以提升锂掺杂油井水泥早期的反应活性。此外，在li+的强迁移能力下，能够进一步诱使c4af中fe原子取代铝原子，使得fe-o的四配位结构[feo4]向fe-o的六配位结构[feo6]的转变，而[alo6]向[alo4]的转变；一方面由于fe-o键相较于al-o更长，断裂能更低，因而c4af反应时的活化能降低，c4af的水化反应活性提高，促进了afm-oh相水化产物的形成；afm-oh相在c-s-h表面和层间的掺杂，可以提高c-s-h的变形能力，致密化层间结构，进而提高了水泥石的强度及韧性；另一方面，由于[alo6]向[alo4]的转变，抑制了c3a晶体的形成，有助于提高油井水泥抗硫酸侵蚀的能力。

技术特征：

1.一种锂掺杂油井水泥，其特征在于，按重量份计，所述锂掺杂油井水泥包括油气井水泥熟料95～97份，天然二水石膏3～5份；所述油气井水泥熟料是由生料粉烧结而得，所述生料粉包括石灰石75％～80份、硝酸加压浸出锂辉石固废2～5份、砂岩5.5～8.5份、铝矿废渣5.5～6.0份以及铁矿废渣2.5～3.5份。

2.根据权利要求1所述的锂掺杂油井水泥，其特征在于：所述硝酸加压浸出锂辉石固废包括如下质量分数的化学组成：

3.一种锂掺杂油井水泥的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的锂掺杂油井水泥的制备方法，其特征在于：所述生料粉包括石灰石75％～80份、硝酸加压浸出锂辉石固废2～5份、砂岩5.5～8.5份、铝矿废渣5.5～6.0份以及铁矿废渣2.5～3.5份。

5.根据权利要求3所述的锂掺杂油井水泥的制备方法，其特征在于：将石灰石、硝酸加压浸出锂辉石固废、砂岩、铝矿废渣、铁矿废渣共同粉磨过程中，粉磨的粒径控制范围为75～105μm。

6.根据权利要求3所述的锂掺杂油井水泥的制备方法，其特征在于：所述生料粉在回转窑内煅烧，煅烧温度为1300～1380℃，窑速为0.8～1.2rpm，所述油气井水泥熟料立升重≥1450g/l。

7.根据权利要求3所述的锂掺杂油井水泥的制备方法，其特征在于：将得到的油气井水泥熟料与天然石膏混合过程中，所述油气井水泥熟料用量为95～97份，天然二水石膏用量为3～5份；油气井水泥熟料与天然石膏混合粉磨控制粉料比表面积为310～340m2/kg。

技术总结本发明涉及水泥技术领域，公开了一种锂掺杂油井水泥及其制备方法，采用硝酸加压浸出锂辉石固废作为烧结油气井水泥熟料的原料，在油气井水泥熟料烧结过程中能够促进C3S晶体的生长，使得C3S晶粒增大，反应活性增强，尤其是可以提升锂掺杂油井水泥早期的反应活性。不仅能使C4AF反应时的活化能降低，C4AF的水化反应活性提高，促进了AFm‑OH相水化产物的形成；AFm‑OH相在C‑S‑H表面和层间的掺杂，可以提高C‑S‑H的变形能力，致密化层间结构，进而提高了水泥石的强度及韧性；也能抑制了C3A晶体的形成，有助于提高油井水泥抗硫酸侵蚀的能力。技术研发人员：王伟龙,张高寅,辜涛,刘来宝,张礼华,王自易,黄妍菱,赵林,但勇,赵澎,何永,赵顶受保护的技术使用者：四川顺应锂材料科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29