CN101020817A - 油田固井防气窜封堵液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油田固井防气窜封堵液。该油田固井防气窜封堵液包括水、水泥和各种外加剂,水与水泥质量比为1∶0.44,各种外加剂的加量按照水泥质量的百分数计算,胶乳10~20%,降失水剂3.0~3.5%,缓凝剂10.0~15.0%,分散剂0.2~0.4%,稳定剂3.0~4.0%,消泡剂0.5~0.6%,砂30~35%,硅粉5~7%。该封堵液具有防气窜效果好、易配制、易储存、易运输和使用方便的特点。
Description
技术领域:
本发明涉及油田采油领域中一种固井用的试剂,尤其是一种油田固井防气窜封堵液。
背景技术:
流体窜流是高压气井固井过程中普遍遇到的问题,它包括气体窜流和水窜流。尤其是深井、超深井和气井中,由于地层压力大、温度高、井身结构复杂,高压下,更容易发生气窜,使水泥石胶结强度降低,影响固井质量。环空气窜是所有气层固井面临的技术难题,国内外技术服务公司至今尚未找到有效的解决途径。其主要危害包括:(1)破坏水泥环的整体性,影响到水泥石胶结质量;(2)导致层间窜流,影响油气层的测试评价,污染油气层,降低油气采收率;(3)对油田开发后续作业如酸化压裂和分层开采等造成很大影响;(4)严重时可造成固井后井喷事故,涉及到人员、设备及施工作业的安全。
发明内容:
为了克服背景技术中的不足,本发明提供一种油田固井防气窜封堵液。该封堵液具有防气窜效果好、易配制、易储存、运输和使用方便的特点。
本发明的采用的技术方案是:该油田固井防气窜封堵液包括水、水泥和各种外加剂,水与水泥质量比为1∶0.44,各种外加剂的加量按照水泥质量的百分数计算,胶乳10~20%,降失水剂3.0~3.5%,缓凝剂10.0~15.0%,分散剂0.2~0.4%,稳定剂3.0~4.0%,消泡剂0.5~0.6%,砂30~35%,硅粉5~7%。
上述的分散剂0.2%、稳定剂3%、缓凝剂12%、降失水剂3%、胶乳15%、消泡剂0.5%、砂35%、硅粉7%。
本发明具有如下有益效果:该防气窜封堵液具有一定的悬浮性能和流变性能,封堵液与固井水泥浆有很好的相溶性。注入到环空气层上部的井段,形成弹性防气窜封堵垫,当气体窜入时,起防气窜封堵作用。该封堵液在G级油井水泥中掺加各种外加剂和外掺料,使其满足固井施工要求。油井水泥是广泛应用于油田固井作业,应用技术很成熟,用水泥作封堵材料,不影响、不改变固井施工工艺。
附图说明:
图1封堵液防窜试验结果曲线图;
图2封堵液防窜试验结果曲线图。
具体实施方式:
下面结合实施例对本发明作进一步说明:
下面各实施例中水泥外加剂的加量按照水泥质量的百分数计算,各种外加剂直接配入水中,水:水泥即液固比为1∶0.44(质量比)。
实施例1、胶乳JR-800L对防气窜封堵液性能的影响:
胶乳对控制封堵液失水的贡献贯穿于封堵液失水的整个过程。在封堵液的失水初期,失水处的封堵液胶束浓度增大,胶束在压差的作用下聚集成膜,阻塞在水泥颗粒间,减缓了封堵液的进一步失水。随着失水的进行,聚集成膜的胶束进一步积聚,形成胶粒,这些胶粒具有弹性,在封堵液形成滤饼时挤塞、填充于水泥颗粒间的空隙中,降低滤饼的渗透率,阻止失水;与此同时,新的胶膜在内部不断形成,又形成带有胶粒的滤饼,并最终在封堵液外部形成一层致密的滤饼,不再有失水发生,失水进入后期。因胶乳颗粒与水泥颗粒的级配作用,形成的滤饼薄而致密,因此胶乳封堵液的失水量可以控制得较低。
确定一个基本配方:水泥+X%JR-800L+0.5%XP-800L+35%砂+7%硅粉,在基本配方的基础上,改变胶乳加量,实验考查胶乳加量对防气窜封堵液性能参数的影响,根据得到的结果确定胶乳的合适加量,实验结果见表1。
胶乳加量对封堵液性能的影响(实验温度150℃)表1
JR-800L% | 密度g/cm3 | 滤失量ml/30min·7MPa | 稠化时间min | 稳定性(密度差)g/cm3 | 游离液ml |
0 | 1.90 | 2580 | 62 | 0.1 | 7 |
4 | 1.90 | 1946 | 68 | 0.05 | 3 |
6 | 1.90 | 1715 | 76 | 0.03 | 2 |
8 | 1.90 | 1563 | 84 | 0.02 | 1 |
10 | 1.90 | 1176 | 98 | 0.01 | 0 |
12 | 1.90 | 538 | 112 | 0.01 | 0 |
15 | 1.89 | 269 | 127 | 0.01 | 0 |
18 | 1.89 | 142 | 132 | 0.01 | 0 |
20 | 1.88 | 83 | 136 | 0.01 | 0 |
从表1中数据可看出,随胶乳加量的增加,防气窜封堵液的密度变化很小,防气窜封堵液的凝结时间随之增加,防气窜封堵液的稳定性(密度差)也随之增强,防气窜封堵液的失水量及自由液含量逐渐下降。但只有当胶乳加量达10%以上后,才有明显的控制防气窜封堵液失水的能力且已满足施工工艺要求,而当胶乳加量达15%以上后,防气窜封堵液的失水量降低趋于减缓,因此确定胶乳加量为10-20%,最佳加量为15%。
实施例2、降失水剂JS-210L对防气窜封堵液性能的影响:
虽然胶乳能降低封堵液的失水量,但还不能控制得很低,因此有必要在封堵液中加入降失水剂,将封堵液的失水量控制得很低,更好地封堵易窜层位。
G级水泥+X%JS-210L+15%JR-800L+0.6%XP-800L+35%砂+7%硅粉,在基本配方的基础上,改变降失水剂加量,实验考查降失水剂加量对防气窜封堵液性能参数的影响,根据得到的结果确定降失水剂的合适加量,实验结果见表2。
降失水剂加量对封堵液性能的影响(实验温度150℃)表2
JS-210L% | 密度g/cm3 | 滤失量ml/30min·7MPa | 稠化时间min | 稳定性(密度差)g/cm3 | 游离液ml |
0 | 1.89 | 269 | 127 | 0.01 | 0 |
0.5 | 1.89 | 209 | 125 | 0.01 | 0 |
1.0 | 1.89 | 161 | 125 | 0.01 | 0 |
1.5 | 1.89 | 136 | 123 | 0.01 | 0 |
2.0 | 1.89 | 107 | 123 | 0.01 | 0 |
2.5 | 1.89 | 53 | 120 | 0.01 | 0 |
3.0 | 1.89 | 26 | 120 | 0.01 | 0 |
3.5 | 1.89 | 14 | 118 | 0.01 | 0 |
从表2中数据可看出,随降失水剂加量的增加,封堵液的密度不变,封堵液的凝结时间略有缩短,封堵液的稳定性(密度差)不变,封堵液的游离液含量不变,封堵液的失水量逐渐下降。通过辅以少量的降失水剂来协同控制封堵液的失水,效果更加理想,当降失水剂加量为3.0%时,API失水量可以控制在30mL范围内,因此确定降失水剂加量为3.0-3.5%,降失水剂最佳加量为3.0%。
实施例3、缓凝剂PS-1、PS-2对防气窜封堵液性能的影响:
从上表1、2实验数据来看,防气窜封堵液的凝结时间短,不能满足15-30天不凝固要求,因此,需要在防气窜封堵液中加入高温高效缓凝剂,延长防气窜封堵液的凝结时间。
确定一个基本配方:G级水泥+X%缓凝剂3%JS-210L+15%JR-800L+0.6%XP-800L+35%砂+7%硅粉,在基本配方的基础上,改变缓凝剂加量,实验考查缓凝剂加量对防气窜封堵液性能参数的影响,根据得到的结果确定缓凝剂的合适加量,实验结果见表3。
缓凝剂加量对封堵液性能的影响(实验温度150℃)表3
缓凝剂/加量% | 密度g/cm3 | 滤失量ml/30min·7MPa | 凝结时间d | 稳定性(密度差)g/cm3 | 游离液ml |
/0.0 | 1.89 | 26 | 127min | 0.01 | 0 |
PS-1/2.0 | 1.89 | 29 | 5 | 0.01 | 0 |
PS-1/5.0 | 1.89 | 31 | 12 | 0.01 | 0.5 |
PS-1/8.0 | 1.89 | 33 | 18 | 0.01 | 0.8 |
PS-1/10.0 | 1.89 | 35 | 24 | 0.01 | 1.0 |
PS-1/12.0 | 1.89 | 39 | 29 | 0.01 | 1.2 |
PS-1/15.0 | 1.89 | 42 | 32 | 0.01 | 1.5 |
PS-2/2.0 | 1.89 | 36 | 4 | 0.01 | 0 |
PS-2/5.0 | 1.89 | 39 | 10 | 0.01 | 0.6 |
PS-2/8.0 | 1.89 | 45 | 16 | 0.01 | 0.8 |
PS-2/10.0 | 1.89 | 49 | 19 | 0.01 | 1.1 |
PS-2/12.0 | 1.89 | 54 | 24 | 0.01 | 1.3 |
PS-2/15.0 | 1.89 | 59 | 27 | 0.01 | 1.6 |
从表3中数据可看出,随缓凝剂加量的增加,封堵液的密度不变,封堵液的稳定性(密度差)基本不变,封堵液的游离液含量略有增加,封堵液的失水量逐渐上升。当缓凝剂PS-1加量为10.0%时,API失水量可以控制在50mL范围内。随缓凝剂加量的增加,封堵液的凝结时间延长,当缓凝剂PS-1加量为12.0%时,封堵液的凝结时间可达29天。因此确定缓凝剂PS-1加量为10.0-15.0%,最佳加量为12.0%。
实施例4、稳定剂WD-830L、WD-820L、WD-810L对防气窜封堵液性能的影响:
确定一个基本配方:G级水泥+X%稳定剂+15%PS-1+3%JS-210L+15%JR-800L+0.6%XP-800L+35%砂+7%硅粉,在基本配方的基础上,改变稳定剂加量,实验考查稳定剂加量对防气窜封堵液性能参数的影响,根据得到的结果确定稳定剂的合适加量,实验结果见表4。
稳定剂加量对封堵液性能的影响(实验温度150℃)表4
稳定剂/加量% | 密度g/cm3 | 滤失量ml/30min·7MPa | 凝结时间d | 稳定性(密度差)g/cm3 | 游离液ml |
/0.0 | 1.89 | 39 | 29 | 0.01 | 1.2 |
WD-830L/1.0 | 1.89 | 37 | 29 | 0.01 | 0.8 |
WD-830L/2.0 | 1.89 | 36 | 29 | 0.01 | 0.3 |
WD-830L/3.0 | 1.89 | 34 | 29 | 0.01 | 0 |
WD-830L/4.0 | 1.89 | 33 | 29 | 0.01 | 0 |
WD-820L/1.0 | 1.89 | 38 | 29 | 0.01 | 1.0 |
WD-820L/2.0 | 1.89 | 36 | 29 | 0.01 | 0.8 |
WD-820L/3.0 | 1.89 | 35 | 29 | 0.01 | 0.5 |
WD-820L/4.0 | 1.89 | 34 | 29 | 0.01 | 0.3 |
WD-810L/1.0 | 1.89 | 38 | 29 | 0.01 | 1.0 |
WD-810L/2.0 | 1.89 | 37 | 29 | 0.01 | 0.9 |
WD-810L/3.0 | 1.89 | 35 | 29 | 0.01 | 0.6 |
WD-810L/4.0 | 1.89 | 34 | 29 | 0.01 | 0.5 |
从表4中数据可看出,随稳定剂加量的增加,封堵液的自由液含量逐渐降低。当稳定剂WD-830L加量为3.0%时,封堵液的自由液含量降到最低0ml,而封堵液的其它性能基本不变。因此确定稳定剂WD-830L加量为3.0-4.0%,最佳加量为3.0%。
实施例5、分散剂FS-800S对防气窜封堵液性能的影响:
没有加分散剂时,防气窜封堵液流动度为205mm,流动性较差,需加入分散剂改善防气窜封堵液流动性。
确定一个基本配方:G级水泥+x%分散剂FS-800S+3%WD-830L+12%PS-1+3%JS-210L+15%JR-800L+0.6%XP-800L+35砂+7%硅粉,在基本配方的基础上,改变分散剂加量,实验考查分散剂加量对防气窜封堵液性能参数的影响,根据得到的结果确定分散剂的合适加量,实验结果见表5。
分散剂加量对封堵液性能的影响表5
稳定剂/加量% | 流动度mm | 滤失量ml/30min·7MPa | 凝结时间d | 稳定性(密度差)g/cm3 | 游离液ml |
/0.0 | 205 | 34 | 29 | 0.01 | 0 |
FS-800S/0.1 | 215 | 35 | 29 | 0.01 | 0.2 |
FS-800S/0.2 | 240 | 37 | 29 | 0.01 | 0.3 |
FS-800S/0.3 | 250 | 40 | 29 | 0.02 | 0.4 |
FS-800S/0.4 | 260 | 44 | 29 | 0.03 | 0.4 |
从表5中数据可看出,随分散剂加量的增加,封堵液流动度逐渐增大。当分散剂FS-800S加量为0.2%时,封堵液流动度达240mm,而封堵液的稳定性(密度差)基本不变,封堵液的游离液含量和失水量略有增加。因此确定分散剂FS-800S加量为0.2-0.4%,FS-800S最佳加量为0.2%。
实施例6、热稳定剂:砂、硅粉:
当井下温度超过110℃时,水泥石的强度产生衰减,而达到140℃以上强度损失更为严重,更高的温度可能导致水泥石完全丧失机械强度而崩溃。在高温井中具有腐蚀性油、气、水层,如果不精心设计封堵液配方,水泥石将丧失强度,而产生大的渗透率。为了提高水泥石的耐温性,在水泥中加入抗高温强度退化剂:砂和硅粉。砂的加量一般为30-35%,硅粉的加量一般为5-7%,为了提高水泥高温下的抗渗透性,除加砂外,还要加入一定数量的硅粉。因此,在封堵液中加入30%砂和5%硅粉。
最佳配方:G级水泥+0.2%FS-800S+3%WD-830L+12%PS-1+3%JS-210L+15%JR-800L+0.5%XP-800L+30%砂+5%硅粉。
实施例7、封堵液的抗气窜能力试验:
实验采用TG-7150水气窜测定仪,在浆筒内注入配制好的水泥浆,静置1-2h后,当水泥浆具有静胶凝强度时,在浆筒上半部注入一定量的封堵液,这时水泥浆与封堵液不会混合,按设计要求进行升温(180℃)升压,随着温度增加,浆筒内下部水泥浆开始凝固,而浆筒内上部封堵液没有凝固。测定浆筒上下压力随时间的变化情况,如图1和图2所示。图1中封堵液初始压力为7MPa,地层气窜压力为3.5MPa,压差为3.5MPa。图2中封堵液初始压力为7MPa,地层气窜压力为6.5MPa,压差为0.5MPa。从图1、2中看出,当浆筒内下部水泥浆没有凝固时,浆筒内上下压力相等,当浆筒内下部水泥浆开始凝固后,不能传递上部封堵液压力,此时浆筒内下部压力是地层气窜压力,而浆筒内上部封堵液压力大于浆筒内下部地层气窜压力,气体不能窜流,说明封堵液防气窜。
实施例8、封堵液材料固相粒径大小及比例分布:
封堵液中的固相材料主要是水泥颗粒、砂和硅粉颗粒,用激光粒度仪进行水泥、砂和硅粉3种粉体的粒度分布及微级配分析,结果如表6~8所示。
水泥试样激光粒度测试结果表6
试样材料 | 粒径分布μm/% | |||||
<5 | 5~10 | 10~20 | 20~40 | 40~80 | 80~125 | |
水泥 | 10.8 | 12.86 | 16.41 | 29.83 | 25.3 | 4.8 |
砂试样激光粒度测试结果表7
试样材料 | 粒径分布μm/% | |||||
<75 | 75~100 | 100~150 | 150~200 | 200~250 | 250~300 | |
砂 | 6.2 | 15.47 | 28.23 | 35.7 | 12.5 | 1.9 |
硅粉试样激光粒度测试结果表8
试样材料 | 粒径分布μm/% | |||||
<0.15 | 0.15~0.20 | 0.20~0.25 | 0.25~0.30 | 0.30~0.35 | >0.35 | |
硅粉 | 2 | 38 | 45 | 11 | 3 | 1 |
实施例9、封堵液与钻井液的相容性试验:
按API标准用范氏粘度计测试:
取一定量封堵液加人到一定量钻井液中,观察、测定流变性能。结果见表9。由表9看出,钻井液混人封堵液后,粘度上升,封堵液与钻井液的相容性较差。固井时需加入隔离液。封堵液与水泥浆属同一体系,具有很好的相容性。
封堵液与钻井液相容性实验(常温)表9
混合流体(体积百分数) | 范式粘度计读数 | 塑性粘度Pa.S | 屈服值Pa | |||||
600 | 300 | 200 | 100 | 6 | 3 | |||
5%FDY+95%ZJY | 152 | 113 | 75 | 59 | 39 | 26 | 0.062 | 18.270 |
25%FDY+75%ZJY | 稠 | |||||||
50%FDY+50%ZJY | 稠 | |||||||
75%FDY+25%ZJY | 稠 | |||||||
95%FDY+5%ZJY | 298 | 206 | 156 | 105 | 70 | 40 | 0.124 | 31.678 |
注:FDY-封堵液, ZJY-钻井液。
实施例10、由G级水泥+0.2%FS-800S+3%WD-830L+12%PS-1+3%JS-210L+15%JR-800L+0.5%XP-800L+30%砂+5%硅粉配制的封堵液的密度、抗压强度、滤失量、凝结时间、稳定性、游离液、流变性测试结果见表10。
实验条件:150℃、21Mpa 表10
密度g/cm3 | 抗压强度MPa | 滤失量ml/30min·7MPa | 凝结时间d | 稳定性(密度差)g/cm3 | 游离液ml | |||||
1.89 | 14.5 | 38 | 29 | 0.01 | 0.3 | |||||
流变性 | 粘度计读数 | |||||||||
塑性粘度Pa.S | 0.07 | 600 | 300 | 200 | 100 | φ6 | φ3 | |||
屈服值Pa | 6.574 | 146 | 92 | 68 | 36 | 12 | 6 |
上述实施例中的测试方法和实验方法:
一、封堵液密度失水量、凝结时间、稳定性和游离液的测试方法:
1、防气窜封堵液密度测试:
(1)实验仪器:钻井液密度计。
(2)测试方法:将防气窜封堵液倒入样品杯,边倒边搅拌,倒满后再搅拌25次除去气泡。盖好盖子并洗净从盖中间小孔溢出的防气窜封堵液。用滤纸或面巾纸将密度计上的水擦干净。然后将密度计放在支架上,移动游码,便游梁处于平衡状态。读出游码左侧所示的密度值。
2、防气窜封堵液失水量测试:
(1)实验仪器:高温高压失水仪。
(2)测试方法:预热失水仪到实验温度,把制备好的防气窜封堵液放入高压稠化仪中,在实验温度下搅拌20min。把防气窜封堵液从稠化仪中取出并加以搅拌,然后倒入失水筒内,在失水筒上部留出19mm高的空间供防气窜封堵液膨胀。放入滤网、“O”形圈和端盖,拧紧六角固定螺丝并关闭失水筒上的顶阀和底阀。从停止搅拌到施加压力的时间不应超过2min。把压力管线接到失水筒的上端。只打开顶阀,给失水筒施加7MPa的压力,然后打开底阀,收集滤液。
3、防气窜封堵液凝结时间测试:
(1)实验仪器:高温高压稠化仪、试模、高温高压养护釜。
(2)测试方法:将制备好的防气窜封堵液迅速注入高温高压稠化仪的浆杯中或高温高压养护釜的试模中,试样在装杯(模)和加盖后立即浸入高温高压稠化仪内的油中或高温高压养护釜内的水中,按照推荐的适当方案进行升温、升压。养护不同时间观测防气窜封堵液凝结状态。
4、防气窜封堵液沉降稳定性和游离液含量测试:
(1)实验仪器:多筒组合式装置。
(2)测试方法:防气窜封堵液沉降稳定性测试采用多筒组合式装置,与水泥高温高压养护釜配套使用。模拟实际井下温度压力条件,测试沉降筒内的游离液高度、防气窜封堵液密度变化。
1)试验准备:将测试筒涂上防气窜封堵脂,并将测试筒拧入底座。
2)将防气窜封堵液注入常压稠化仪浆杯中,并在常压稠化仪中(室温,25±3℃)搅拌20min。然后再倒入高速搅拌器浆杯中,低速(4000±200r/min)搅拌15s,高速(12000±510r/min)搅拌35s。
3)将搅拌后的防气窜封堵液倒入500mL的烧杯中,在搅拌棒的不断搅拌下分批注入沉降筒中,每注入一部分防气窜封堵液,用提拉式多孔搅拌器搅拌2次,直至防气窜封堵液注满沉降筒。
4)将测试总成放入养护釜内,按API试验规范在给定的温度、压力下养护。
5)沉降筒内防气窜封堵液在模拟井下条件下养护直到凝固。取出测试总成,脱模,将试样放在水槽中,常温养护5h以释放热应力。
6)测量水泥石柱长度,其实测高度与浆筒长度之差即为“自由液”高度。
7)将水泥石柱自上而下切割制成若干试块,测各试块的质量。
8)将浸蜡的切割试块,徐徐浸埋于盛有蒸馏水的烧杯中,待试块全部入水后,称取试块在水中的质量。并记录测定结果。
9)根据浸蜡前后及在水中称取的结果,根据阿基米德原理计算出试块的体积,就可准确计算出每一试块的密度。
上述各种外加剂的生产厂家、型号及性能如下表:
外加剂名称 | 生产厂家 | 原型号 | 现型号 | 性能 |
胶乳 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | BXJ-800L | JR-800L | 良好的耐高温、低滤失、抗盐、抗污染能力 |
降失水剂 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | BXF-200L | JS-210L | 良好的耐高温、低滤失、抗盐、抗污染能力 |
缓凝剂 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | BXR-300L | PS-1 | 较好维持或延长水泥浆处于流态的时间 |
稳定剂 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | WD-830L | WD-830L | 增加温度性、致密性 |
热稳定剂 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | 砂、硅粉 | 砂、硅粉 | 减缓高温下水泥石的强度衰退、渗透率增大 |
分散剂 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | FS-800S | FS-800S | 减少施工时的摩阻、提高水泥浆的可泵性 |
消泡剂 | 天津中油渤星工程科技有限公司 | D50 | XP-800L | 抑制或消除水泥浆中的气泡 |
Claims (2)
1、一种油田固井防气窜封堵液,其特征在于:包括水、水泥和各种外加剂,水与水泥质量比为1∶0.44,各种外加剂的加量按照水泥质量的百分数计算,胶乳10~20%,降失水剂3.0~3.5%,缓凝剂10.0~15.0%,分散剂0.2~0.4%,稳定剂3.0~4.0%,消泡剂0.5~0.6%,砂30~35%,硅粉5~7%。
2、根据权利要求1所述的油田固井防气窜封堵液,其特征在于:分散剂0.2%、稳定剂3%、缓凝剂12%、降失水剂3%、胶乳15%、消泡剂0.5%、砂35%、硅粉7%。
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