本发明涉及煤炭及煤层气开采技术领域，具体而言，涉及一种固井水泥浆及其制备方法。
背景技术：
煤炭地下气化过程是钻孔送入的气化剂与煤层发生燃烧、气化反应，产生高温煤气的过程，钻孔主要承担进、出气任务，一般包括进气孔和出气孔，是地下气化炉气化剂的入口和煤气的出口，也是连接地面和地下的通道。一般钻孔的成孔过程包括钻井和固井，其中钻井过程是从地面向煤层钻进，形成井眼连通各地层，一旦钻井过程结束需要向井眼内下入套管，并进行固井；固井过程是从地面经过套管内壁注入水泥浆，使水泥浆沿井眼与套管外壁之间的环空流动，从井眼底部向上返流至地面，形成水泥环从而封隔各地层并支撑套管柱。钻孔成孔后，一般要求具有良好的密闭性，能够承受一定的压力，避免使用过程中气体泄漏和地下水涌入。对于地下气化钻孔，由于钻孔底部位于煤层中，在煤层燃烧过程中将直接接受高温作用，温度一般在600～1100℃之间；而对于出气钻孔，煤气在从孔底流向地面过程中，全井身将接受高温煤气作用，煤气温度一般在100～400℃，因而对地下气化钻孔还要求具有良好的热稳定性，能够耐受高温的作用而不发生结构破坏并保持密闭性。
国内煤炭地下气化项目，在钻孔施工过程中，通常做法是采用高铝耐火水泥、g级油井水泥固井。钻孔施工结束后，实际运行过程中普遍存在以下问题：一是出气孔套管井口失控上窜，套管上窜的高度从几公分到几十公分不等，严重时井口水泥环缝隙出现泄漏蒸汽；二是钻孔受地应力不均衡影响，围岩对套管产生非均衡挤压，套管被剪切变形，甚至错断，出现泄漏；三是钻孔底部经受高温后，水泥环热开裂、破碎或脱落，地下水从套管缝隙泄漏涌入。上述问题的出现，实际上主要反映了钻孔的耐温性能较差，主要原因在于固井水泥配方不合理，水泥浆受热后强度衰减较快，如普通g级油井水泥，难以耐受400℃高温；高铝水泥耐高温，但配伍性较差，与普通水泥接触易速凝，因而钻孔施工过程中需要对固井水泥做进一步改进。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提出了一种固井水泥浆，旨在解决现有固井水泥浆难以耐受高温的问题。本发明还提出了一种固井水泥浆的制备方法。
一个方面，本发明提出了一种固井水泥浆，包括以下重量份计的原料：水泥100份、增强材料5～50份、热量调节剂5～50份、稳定剂10～80份、水5～150份、密度调节剂30～150份、调凝剂0.1～5份、分散剂0.1～10份、降失水剂0.1～10份、消泡剂0.1～10份。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述水泥选自硅酸盐水泥、高铝水泥、磷酸盐水泥、火山灰水泥、硅灰水泥和飞灰水泥中的至少一种。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述增强材料选自硅酸铝类矿物。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述热量调节剂选自碳粉、石墨粉和石墨烯中的至少一种。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述稳定剂选自微硅粉、硅粉或结晶二氧化硅中的任意一种。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述水选自新鲜水、盐水和地下咸卤水中的至少一种。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述密度调节剂选自漂珠、微硅粉、粉煤灰、硅藻土、蛭石、重晶石、铁矿粉、磁铁矿粉或钛铁矿中的任意一种。
进一步地，上述水泥浆中，所述调凝剂选自氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化钙、硫酸钠、铝酸钠、碳酸钠、硅酸盐、氯化钙、三乙胺、葡庚糖酸钠、木质素磺酸钠、葡糖酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和edta中的至少一种。
进一步地，上述固井水泥浆中，所述降失水剂选自2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚乙烯醇、丁苯胶乳和羟乙基纤维素中的任意一种；和/或所述分散剂选自醛酮缩合物、聚丙烯酸脂和萘磺酸中的任意一种。
另一方面，本发明还提出了一种固井水泥浆的制备方法，该包括以下步骤：
(1)将增强材料、密度调节剂、稳定剂、降失水剂、分散剂、热量调节剂与水泥进行混合，得到干混料；
(2)再将调凝剂、消泡剂与水进行湿混，得到湿混料；
(3)将所述干混料加入到所述湿混料中，搅拌，得到固井水泥浆。
本发明具有如下有益效果：
(1)该水泥体系通过热量调节剂可以有效解决水泥石在高温过程后抗压强度急剧衰减的问题；
(2)低温下凝结时间较短并且能够在高温条件下保持较高的抗压强度，能够有效长期保证层间封隔性能和延长钻孔寿命；
(3)水泥浆密度和稠度可调，流动性好，失水量较小，能够完全满足现场注水泥施工要求；
(4)具有较好的膨胀性能和热应力补偿性能，具有与套管相似的膨胀系数，使水泥环可与套管同步膨胀、收缩，提高了保证水泥与套管、水泥与地层之间胶结良好，提高固井质量。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明中提供的水泥浆，包括以下重量份计的原料：水泥100份、增强材料5～50份、热量调节剂5～50份、稳定剂10～80份、水5～150份、密度调节剂30～150份、调凝剂0.1～5份、分散剂0.1～10份、降失水剂0.1～10份、消泡剂0.1～10份。
水泥作为基质是水泥浆中主要的粘结组分，可以选自硅酸盐水泥、高铝水泥、磷酸盐水泥、火山灰水泥、硅灰水泥和飞灰水泥中的至少一种。优选地，水泥选自硅酸盐水泥，例如符合api标准的a、c、g、h级纯水泥。
增强材料是用来提高水泥浆凝固后形成的水泥石环的抗拉、抗压和抗弯强度。本实施例中，增强材料可以选自硅酸铝类矿物，优选选自高岭土、偏高岭土、陶土、多水高岭土、珍珠石中的至少一种。
热量调节剂用来提高水泥石环的热传导性能，可以将高温煤气的热量释放至地层中，避免在水泥石环内产生热点(热量的聚集)，导致水泥石环开裂。本实施例中，热量调节剂可以选自碳粉、石墨粉和石墨烯中的至少一种，优选选自石墨粉。
稳定剂起到抑制水泥石环在高温下强度衰退的作用，能够提高水泥石环在高温下的强度和热稳定性。本实施例中，稳定剂可以为微硅、硅粉、结晶二氧化硅中的任意一种。
水为新鲜水、盐水、地下咸卤水或者它们的混合物。
密度调节剂用于调节水泥浆的密度，分为减轻剂和加重剂，主要根据固井地层的特点(如滤失性、胶结性等)进行调节。本实施例中，密度调节剂可以为漂珠、微硅、粉煤灰、硅藻土、蛭石、重晶石、铁矿粉、磁铁矿粉、钛铁矿中的任意一种。
调凝剂用于调节水泥浆的凝固时间，分为速凝剂和缓凝剂，由于水泥浆凝结硬化速度的快慢影响其形成水泥石环的强度，如凝结太快往往会在水泥石中形成裂缝，故一般需要添加调凝剂调节水泥浆的凝结速度。本实施例中，调凝剂为氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化钙、硫酸钠、铝酸钠、碳酸钠、硅酸盐、氯化钙、三乙胺、葡庚糖酸钠、木质素磺酸钠、葡糖酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和edta(乙二胺四乙酸)中的一种或几种；优选地，速凝剂为硫酸钠，缓凝剂为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)。
降失水剂起到降低固井过程中水泥浆向地层滤失的作用，能防止水泥浆的密度、稠化时间、流变性能发生变化。本实施例中，降失水剂可以选自2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、聚乙烯醇(pva)、丁苯胶乳和羟乙基纤维素中的任意一种。
分散剂用于使各种固体颗粒添加剂均匀分散在泥浆中，形成稳定的泥浆体系，不发生沉降。本实施例中，分散剂可以选自醛酮缩合物、聚丙烯酸脂和萘磺酸中的任意一种。
消泡剂用于抑制水泥浆搅拌过程中气泡的产生，防止水泥浆凝结后水泥石环中产生气泡从而影响其强度。本实施例中，消泡剂可以是本领域技术人员所熟知的任意一种消泡剂，例如磷酸三丁酯。
实施例1：
将12重量份偏高岭土、15重量份石墨粉、35重量份硅粉、0.7重量份聚丙烯酸脂分散剂、3.2重量份pva降失水剂、30份漂珠与100重量份的g级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用；
再将0.1份硫酸钠、0.5重量份磷酸三酯消泡剂与80重量份的新鲜水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料；
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入上述固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井。
钻孔作为出气孔，煤气经钻孔流出至地面过程中被钻孔冷却，煤气温度降低，使用过程中钻孔出口煤气温度在45～60℃。固井水泥浆产生了显著的导热性，即使在极端高温条件下，也可提供极佳耐久的水泥石环。
实施例2：
将12.5重量份偏高岭土、15重量份石墨粉、35重量份硅粉、1.4重量份聚丙烯酸脂分散剂、120份重晶石、3.2重量份pva降失水剂与100重量份的g级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用。
再将5份硫酸钠、0.5重量份磷酸三酯消泡剂与70重量份的新鲜水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料。
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入所述的固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井，并继续向下钻至煤层底板以下2m，煤层裸露出。
钻孔作为点火孔，点火期间测得火焰工作面温度高达1100℃，在此高温下，钻孔水泥石环经受住高温影响，经过72小时钻孔水泥石环未出现开裂。
实施例3：
将12.5重量份偏高岭土、15重量份石墨粉、35重量份硅粉、0.1重量份萘磺酸分散剂、8.4重量份丁苯乳胶降失水剂、90份硅藻土与100重量份的g级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用。
再将2份amps、0.5重量份磷酸三酯消泡剂与35重量份的新鲜水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料。
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入所述的固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井。
钻孔作为进气钻孔，钻孔使用温度低于40℃，即使底部温度高于450℃下，使水泥石环内部水分受热蒸发，导致产生内应力，但由于具有较好的机械强度，可缓冲内应力，钻孔水泥石环未开裂或破碎。
实施例4：
将15重量份高岭土、5重量份碳粉、10重量份硅粉、2.0重量份醛酮缩合物分散剂、7.5份羟乙基纤维素降失水剂、50份微硅粉与100重量份的a级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用；
再将3份铝酸钠、0.1重量份磷酸三酯消泡剂与150重量份的盐水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料；
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入上述固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井。
钻孔作为进气孔，进气孔底部温度高于450℃下，注气过程中水泥石环内部水分受热蒸发，导致产生内应力，但由于具有较好的机械强度，可缓冲内应力，钻孔水泥石环未开裂或破碎。
实施例5：
将15重量份多水高岭土、12重量份石墨烯、40重量份结晶二氧化硅、0.8重量份萘磺酸分散剂、75份磁铁矿粉、0.1重量份amps降失水剂与100重量份的g级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用。
再将4份edta、0.6重量份磷酸三酯消泡剂与100重量份的地下咸卤水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料。
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入所述的固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井，并继续向下钻至煤层底板以下2m，煤层裸露出。
钻孔作为点火孔，点火期间测得火焰工作面温度高达800℃，在此高温下，钻孔水泥石环经受住高温影响，经过48小时钻孔水泥石环未出现开裂。
实施例6：
将20重量份珍珠石、30重量份石墨粉、1.0重量份聚丙烯酸脂分散剂、50重量份微硅粉、10重量份amps降失水剂、150份钛铁矿与100重量份的g级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用。
再将5份木质素磺酸钠、1重量份磷酸三酯消泡剂与5重量份的地下咸卤水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料。
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入所述的固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井。
钻孔作为出气孔，煤气温度降低，使用过程中钻孔出口煤气温度在70～80℃。固井水泥浆产生了显著的导热性，即使在极端高温条件下，也可提供极佳耐久的水泥石环。
实施例7：
将5重量份陶土、50重量份石墨粉与碳粉的混合物、90重量份微硅粉、10重量份萘磺酸分散剂、5重量份羟乙基纤维素降失水剂与100重量份的a级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用。
再将1份氢氧化钠与铝酸钠的混合物、10重量份磷酸三酯消泡剂与120重量份的地下盐水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料。
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入所述的固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井，并继续向下钻至煤层底板以下2m，煤层裸露出。
钻孔作为出气孔，煤气温度降低，使用过程中钻孔出口煤气温度在60～70℃。固井水泥浆产生了显著的导热性，即使在极端高温条件下，也可提供极佳耐久的水泥石环。
实施例8：
将50重量份高岭土、20重量份石墨烯、80重量份硅粉和结晶二氧化硅的混合物、8重量份聚丙烯酸脂分散剂、60份粉煤灰、6重量份amps降失水剂与100重量份的g级纯水泥进行干混，混合均匀，得到干混合料备用。
再将2份amps、8重量份磷酸三酯消泡剂与90重量份的地下咸卤水进行湿混，混合均匀，得到湿混合料。
在搅拌条件下，将干混合料加入湿混合料中，搅拌均匀，得到固井水泥浆。
将上述固井水泥浆应用于地下气化钻孔固井，具体固井施工过程中，包括如下步骤：
(1)首先向井中泵入钻井液，将井中的钻屑替换出来，同时清洗井眼，下套管到设计位置；
(2)然后根据常规固井方法泵入下胶塞、隔离液，并泵入所述的固井水泥浆，后面再泵入上胶塞、钻井液；
(3)当上胶塞碰压后，候凝48～72小时；
(4)钻头钻塞，清水洗井，并继续向下钻至煤层底板以下2m，煤层裸露出。
钻孔作为温度监测孔，钻孔孔底测得火焰工作面温度高达950℃，在此高温下，钻孔水泥石环经受住高温影响，经过48小时钻孔水泥石环未出现开裂。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。