CN101089114A - 含盐隔离液体系及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于固井技术领域中的含盐隔离液体系及制备方法。主要解决盐膏层固井质量差的问题。其特征在于：质量单位为克；各组分含量为清水质量百分比：在100％清水中，按百分比加入1－5％粘土矿物、0.05－0.25％增粘剂、0.1－0.3％降失水剂、0.1－1.5％流型调节剂、30－333％加重剂、1－35％NaCl、0.06－0.3％Na2CO3及少量消泡剂。其制备方法是增粘剂、降失水剂、NaCl、流型调节剂及加重剂依次加入到粘土基浆中，各种处理剂搅拌均匀后再加另一种。对于粘土基浆，低含盐隔离液采用干混粘土配浆；高含盐隔离液采用预制粘土配浆。该含盐隔离液具有较强抗可溶性盐污染能力、宽的密度调节范围、灵活的流变性调控能力和较好的流体间化学兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井工程固井技术领域中的含盐隔离液体系及其制备方法。
背景技术
随着世界能源需求的增加和石油钻探技术的发展，向深井、超深井以及复杂油气层钻进已成必然。在我国的塔里木、江汉、四川、胜利、华北、中原、新疆、青海、长庆等油田均钻遇过盐膏层。盐膏层是指主要由岩盐(NaCl)和石膏(CaSO4或CaSO4.2H2O)组成的地层。由于盐膏层的复杂性、恶劣性，我国现在的石油资源有10％~20％埋藏于地层深处的盐膏层下难以开采。国内大部分含盐膏层油田都曾有钻遇盐膏层时发现卡钻、套管挤毁，甚至油井报废的恶性事故报道。统计显示，在盐膏层地区钻井的事故率高达50％，是常规地层的3倍到5倍，套管非正常损坏率达30％，一次固井成功率较低，并普遍存在固井质量较差的难题。
优异的盐膏层段固井质量是减少地层事故发生率、保证油气顺利开采和提高油气井生产寿命的前提条件。影响盐膏层固井质量的因素很多，包括地层条件、井眼条件、钻井液性能、水泥浆性能以及冲洗液和隔离液影响等。盐膏层地质特性具有易蠕变、易溶解、易坍塌，容易导致井径不规则和井下复杂情况发生，给固井带来了诸多难题。因此，尽管盐膏层不是油气钻探的目的产层，而盐膏层段固井质量，特别是深井盐膏层和复合盐膏层，一直是一个世界级的技术难题。以下分析了油气井工作液对盐膏层固井质量的不利影响：
(1)流体之间化学不兼容性的影响
盐水钻井液与水泥浆是不相容的，接触后会呈现严重的化学不兼容现象，产生粘稠的团块状絮凝物质。根据现场实践中混浆量推算可知，化学接触污染形成的混浆带可从几百米直至上千米，并且流态极差。严重不兼容产生的胶凝物会造成流动压耗巨增，不但可能引起因流阻过大压漏薄弱地层的井下复杂情况，甚至可能引起水泥浆“闪凝”现象，导致固井作业失败。并且粘稠物质粘附在套管和井壁上，不容易顶替干净，水泥浆凝固后不但胶结强度低，还容易形成层间局部窜槽，严重影响了水泥石界面胶结质量和层间封隔效果。此外，被污染的水泥浆的固化时间会延长、抗压强度下降，会导致层间油气水窜发生。尤其深部复杂盐膏层段，水泥环抗压强度和界面胶结强度是保证盐膏层安全开采的重要前提，一旦水泥环强度无法抑制盐膏层的蠕变力，会容易引起盐膏层段套管挤毁，甚至油井报废的事故发生。
(2)钻井液性能的影响
钻井液性能主要是影响盐膏层水泥环界面胶结质量，是影响界面胶结质量最为关键的因素。主要影响性能包括钻井液在井壁上形成的泥饼和胶凝的死泥浆、套管和井壁的亲油表面以及钻井液自身流变性。不管泥饼有多薄，死泥浆和亲油表面有多少，固井时都会在井壁上形成一个不可固化层，使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离，产生微裂缝，导致界面胶结强度下降，留下层间窜的隐患。另外，由于盐层易产生蠕动，通常采用提高钻井液的密度来抑制盐层蠕变，所以一般盐膏层使用的钻井液的粘度、切力及触变性较高，因此水泥浆顶替效率不易提高，固井质量难以保证。
(3)水泥浆顶替效率低
在一般情况下，水泥浆和钻井液的流动状态对水泥浆驱替钻井液的效果有明显的作用。通过以上介绍的钻井液粘度和切力高影响盐膏层水泥浆顶替效率之外，从顶替机理可知，顶替流态以紊流最好，塞流次之，层流较差。一般认为水泥浆紊流顶替钻井液最有利于提高顶替效率，如两种液体均为紊流流动，滞留在井壁的死区钻井液较薄，容易被钻井液和水泥浆的横向脉动作用清除。但由于受泵功率、水泥浆沉降稳定性等外在条件的限制，顶替过程中水泥浆返速往往达不到施工设计紊流要求。
对于以上导致盐膏层固井质量下降的问题，最有效的解决措施是使用隔离液体系。由于盐膏层易溶解，固井作业时使用淡水隔离液会增大盐膏层段井眼被冲蚀的危险，影响井壁稳定性，特别对于深部复杂盐膏层，甚至有使井眼坍塌油井报废的可能。因此，含盐隔离液体系的发明具有重要的工程应用价值。
含盐隔离液体系不仅可防止盐水钻井液与水泥浆直接接触，避免严重不兼容性造成的危害，还可有效的改善水泥环界面胶结质量，主要作用理论包括物理冲刷理论和化学改善界面理论。另外，含盐隔离液可有效提高注水泥顶替效率。由于水泥浆顶替过程中水泥浆返速往往达不到施工设计紊流要求，而采用隔离液紊流的方法提高驱替效率是很有效的。同时含盐隔离液可以一定程度下稀释钻井液，降粘切和触变性，提高钻井液被顶替的效率。含盐隔离液以上诸多影响作用，最终达到提高盐膏层固井质量的目的。
通过对国内外含盐隔离液体系研究的资料调研发现：国外对具体应用的含盐隔离液体系的研究较少，大部分国外公司是在淡水隔离液产品中加一定浓度的盐配制盐水体系，并且适用于饱和盐浓度的隔离液产品较少；然而国内目前还没有对含盐隔离液体系的研究报道以及专利发明。 因此，鉴于国内对于含盐隔离液体系的研究一直处于空白状态，试验力图从材料科学和物理化学性能角度出发，以适应盐膏层油气井使用为研究目的，发明一种性能优异的盐水隔离液体系。对延长油气井的使用寿命和提高油气采收率具有重要研究价值。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服淡水隔离液易引起盐膏层井下复杂情况发生，通过含盐隔离液的隔离、缓冲、冲刷作用，清除井壁和套管壁的有害滞留物，并有效提高水泥浆顶替效率，最终达到提高含盐膏层油气井固井质量，以及解决了现有隔离液密度范围窄、性能和用途单一，流变性调节控制能力差、现场适应性差等难题，特提供一种含盐隔离液体系及制备方法。
本发明的技术方案是：含盐隔离液体系，由以下原料组成，质量单位为克；各组分含量为清水质量百分比：
粘土矿物 1-5 增粘剂 0.05-0.25
降失水剂 0.1-0.3 流型调节剂 0.1-1.5
加重剂 30-333 NaCl 1-35
Na2CO3 0.06-0.3 清水 100
消泡剂少量
其制备方法是：先加入1-5％粘土矿物和占粘土质量6％的Na2CO3到100％清水中，配制成原浆即粘土基浆；在粘土基浆中，在低速搅拌的条件下依次加入0.05-0.25％增粘剂、0.1-0.3％降失水剂、1-35％NaCl、0.1-1.5％流型调节剂，各种处理剂搅拌均匀后再加另一种；对于增粘剂高分子聚合物，低速搅拌30-60min；在以上配好的基液中，在低速搅拌的条件下加入30-333％的加重剂，达到体系设计密度要求，添加加重剂的过程要缓慢，加完后再搅拌30-60min待充分分散，含盐隔离液体系即配制完成。
其中粘土基浆存在两种配浆方式，即干混和预制配浆。低含盐隔离液采用干混配浆方式，即粘土直接用于体系配浆使用；高含盐隔离液采用预制配浆方式，即粘土低速搅拌2h后预制，至少预制水化24h后使用。
本发明所提供的含盐隔离液体系为一组合物，所述的加重剂为重晶石、钛铁矿、重质碳酸钙、矿渣的一种，加重剂的颗粒大小为300-350目；所述的粘土矿物为一种抗盐性较好的改性膨润土；所述的增粘剂为淀粉类高分子聚合物；所述的降失水剂为油井水泥用抗盐降失水剂G301，它是由多种纤维素衍生物及其它相关助剂组成；所述的流型调节剂为磺甲基单宁；所述无机盐为NaCl。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：①加重能力强，具有宽广的密度调节范围，密度调节范围为1.00-2.45g/cm3；②具有灵活的流变性调控能力，可在紊流和层流间灵活调节控制；③具有较强的抗可溶性盐污染能力，抗盐能力达饱和，抗钙达20％；④具有一定的控制滤失作用，满足API标准对隔离液失水量要求；⑤与现场应用普遍的两种类型(淡水、盐水)钻井液和水泥浆体系均具有较好的化学兼容性，可成功的解决两种不同理化性能流体间接触污染使固井质量下降的难题。
附图说明
附图为饱和盐水隔离液对常规密度抗盐水泥浆稠化影响，所有稠化曲线测定条件均为100℃×70MPa。
图1为抗盐水泥浆稠化曲线图；
图2为5％饱和盐水隔离液掺混对水泥浆稠化曲线图；
图3为25％饱和盐水隔离液掺混对水泥浆稠化曲线图。
具体实施方式
下面将具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1、本发明的含盐隔离液配制成NaCl占15％的欠饱和盐水隔离液体系，配制欠饱和盐水隔离液1#-9#，测定室内基本性能。取100％清水，先投入4％改性膨润土和0.24％Na2CO3搅拌2h，之后预制水化24h；在预制好的粘土基浆中，在低速搅拌的条件下依次加入0.05(0.05、0.1、0.2、0.15、0.15、0.1、0.15、0.1)％增粘剂、0.2(0.25、0.25、0.2、0.2、0.15、0.15、0.1、0.1)％降失水剂、15％NaCl、0.1(0.3、0.5、0.5、0.8、0.8、1.0、1.2、1.2)％流型调节剂，各种处理剂搅拌均匀后再加另一种；在以上配好的基液中，在低速搅拌的条件下加入33(66.7、100、150、200、233、266、300、333)％重晶石，添加过程要缓慢，加完后再搅拌30min，9种隔离液即配制完成。
其体系配方如附表中表1所示。悬浮稳定性是采用500mL量筒中倒入500mL配制好的隔离液，在试验温度下静止5h测定上下密度差和析水；流变性能采用范式六速旋转粘度计测定；含盐隔离液与钻井液、水泥浆相容性评价参照API规范10测定。体系密度调节范围在1.0～2.40g/cm3之间，无论在室温还是90℃下，体系都具有良好的流变性和悬浮稳定性，保证了至少5h内隔离液上下密度差不大于0.02g/cm3，见表2；体系抗NaCl达饱和，满足含盐地层使用要求，见表3；体系具有较强的抗钙污染能力，抗钙能力达20％，CaCl2对隔离液体系性能影响小，见表4；体系与欠饱和盐水水泥浆具有较好的化学兼容性，对水泥浆抗压强度影响小，见表5、6。
实施例2、本发明的含盐隔离液配制成NaCl占35％的饱和盐水隔离液体系，配制饱和盐水隔离液1#-9#，测定室内基本性能。取100％清水，先投入5％改性膨润土和0.3％Na2CO3搅拌2h，之后预制水化24h；在预制好的粘土基浆中，在低速搅拌的条件下依次加入0.1(0.1、0.15、0.15、0.2、0.2、0.15、0.15、0.1)％增粘剂、0.2(0.25、0.25、0.2、0.2、0.2、0.15、0.15、0.15)％降失水剂、35％NaCl、0.3(0.5、0.5、0.8、0.8、1.0、1.2、1.4、1.4)％流型调节剂，各种处理剂搅拌均匀后再加另一种；在以上配好的基液中，在低速搅拌的条件下加入33(66.7、100、150、200、233、266、300、333)％重晶石，添加过程要缓慢，加完后再搅拌30min，9种隔离液即配制完成。
其体系配方如附表中表7所示。悬浮稳定性是采用500mL量筒中倒入500mL配制好的隔离液，在试验温度下静止5h测定上下密度差和析水；流变性能采用范式六速旋转粘度计测定；隔离液与钻井液、水泥浆相容性评价参照API规范10测定。体系密度调节范围在1.0～2.45g/cm3之间，无论在室温还是90℃下，体系都具有良好的流变性和悬浮稳定性，保证了至少5h内隔离液上下密度差不大于0.02g/cm3，见表8；体系具有较强的抗钙污染能力，抗钙能力达20％，CaCl2对隔离液体系性能影响小，见表9。
附表：
表1欠饱和盐水隔离液体系配方
| 编号 | 密度，g/cm3 | 粘土，％ | 增粘剂，％ | 降失水剂，％ | 流型调节剂，％ | 重晶石，％ |
| 1#2#3#4#5#6#7#8#9# | 1.271.491.651.872.022.142.252.322.40 | 444444444 | 0.050.050.100.200.150.150.100.150.10 | 0.200.250.250.200.200.150.150.100.10 | 0.10.30.50.50.80.81.01.21.2 | 3366.7100150200233266300333 |
表2 欠饱和盐水隔离液体系的流变性、抗温性及稳定性
| 隔离液 | 温度℃ | n | KPa·sn | PVmPa·s | YPPa | YP//PV | 5h稳定性g/cm3 |
| 1# | 室温6090 | 0.7520.7710.816 | 0.0890.0710.039 | 13129.5 | 3.072.561.53 | 236213161 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 3# | 室温6090 | 0.6940.7050.708 | 0.3700.2890.186 | 342919 | 10.738.695.62 | 316300296 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 5# | 室温6090 | 0.6870.6960.715 | 0.5410.4730.231 | 474425 | 15.3313.807.15 | 326314286 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 7# | 室温6090 | 0.6850.6990.704 | 1.0010.7990.393 | 857639 | 28.1123.5111.75 | 331309301 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 9# | 室温6090 | 0.6740.6780.693 | 1.4341.0420.725 | 1128466 | 38.8428.6220.95 | 347341317 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
表3 NaCl对欠饱和盐水隔离液体系性能的影响(90℃)
| 隔离液 | NaCl加量％ | n | KPa·sn | AVmPa·s | PVmPa·s | YPPa | YP/PV | 2h稳定性g/cm3 |
| 3# | 5101520 | 0.7080.7780.8000.800 | 0.1860.1120.0940.094 | 242423.523.5 | 19202020 | 5.624.093.583.58 | 296204179179 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 5# | 510 | 0.6550.716 | 0.4040.247 | 3734.5 | 2727 | 10.227.67 | 379284 | ≤0.02≤0.02 |
| 1520 | 0.7610.801 | 0.1600.121 | 30.528 | 2526 | 5.624.6 | 225177 | ≤0.02≤0.02 | |
| 9# | 5101520 | 0.6510.7060.7870.801 | 1.1280.7120.3850.349 | 100.5938884 | 73727475 | 28.1121.4614.3113.29 | 385298193177 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
表4 CaCl2对欠饱和盐水隔离液体系性能的影响(90℃)
| 隔离液 | CaCl2加量％ | n | KPa·sn | PVmPa·s | YPPa | YP/PV | 2h稳定性g/cm3 |
| 2# | 5101520 | 0.7520.7780.8070.863 | 0.0890.0560.0400.026 | 131099 | 3.072.041.531.02 | 236204170114 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 6# | 5101520 | 0.7170.6990.7510.759 | 0.3440.4510.3410.351 | 38435054 | 10.7313.2911.7512.26 | 282309235227 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 8# | 5101520 | 0.6670.6710.6880.687 | 0.8120.8380.7560.741 | 60646664 | 21.4622.4821.4620.95 | 358351325327 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
表5 2#隔离液与G301低含盐水泥浆体系的流变相容性(90℃)
| 水泥浆/隔离液 | n | KPa·sn | PVmPa·s | YPPa | 流动度，cm |
| 100/095/575/2550/5025/755/950/100 | 0.810.790.730.630.740.690.70 | 0.320.350.521.000.350.340.33 | 75716352473031 | 12.313.316.922.511.89.79.7 | 2220.52019.5222323 |
表6 欠饱和盐水隔离液对G301低含盐水泥浆抗压强度的影响(70℃)
| 隔离液占混浆百分比，％ | 0 | 5 | 25 | 50 |
| 48h抗压强度，MPa强度损失率，％ | 27.40 | 19.628.5 | 18.931 | 6.277.4 |
表7 饱和盐水隔离液体系配方
| 编号 | 密度，g/cm3 | 粘土，％ | 增粘剂，％ | 降失水剂，％ | 流型调节剂，％ | 重晶石，％ |
| 1#2#3#4#5#6#7#8#9# | 1.291.511.701.902.032.162.272.342.42 | 555555555 | 0.10.10.150.150.20.20.150.150.1 | 0.20.250.250.20.20.20.150.150.15 | 0.30.50.50.80.81.01.21.41.4 | 3366.7100155200233266300333 |
表8 饱和盐水隔离液体系的流变性、抗温性及稳定性
| 隔离液 | 温度℃ | n | KPa·sn | PVmPa·s | YPPa | YP/PV | 5h稳定性g/cm3 |
| 2# | 室温6090 | 0.6630.6630.737 | 0.2950.1960.093 | 21.0014.0012.00 | 7.675.113.07 | 365365256 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 4# | 室温6090 | 0.6470.6660.737 | 0.7490.4670.201 | 47.0034.0026.00 | 18.4012.266.64 | 391361256 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 6# | 室温6090 | 0.6370.6450.654 | 1.1220.7980.527 | 65.0049.0035.00 | 26.5719.4213.29 | 409396380 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 8# | 室温6090 | 0.6350.6540.666 | 1.7671.1150.737 | 100.0074.0054.00 | 41.3928.1119.42 | 414380360 | ≤0.02≤0.02≤0.02 |
表9 CaCl2加量对饱和盐水隔离液体系性能的影响(90℃)
| 隔离液 | CaCl2加量％ | n | KPa·sn | PVmPa·s | YPPa | YP/PV | 2h稳定性g/cm3 |
| 6# | 5101520 | 0.6220.6400.6780.678 | 0.6890.6400.5210.558 | 35384245 | 15.3315.3314.3115.33 | 438403341341 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
| 8# | 5101520 | 0.6260.5930.6250.653 | 1.0841.4661.2221.079 | 57596471 | 24.5329.1327.5927.08 | 430494431381 | ≤0.02≤0.02≤0.02≤0.02 |
Claims (7)
1、一种含盐隔离液体系及制备方法，由以下原料组成，质量单位为克；各组分含量为清水质量百分比：
粘土矿物 1-5 增粘剂 0.05-0.25
降失水剂 0.1-0.3 流型调节剂 0.1-1.5
加重剂 30-333 NaCl 1-35
Na2CO3 0.06-0.3 清水 100
消泡剂 少量
其制备方法是：先加入1-5％粘土矿物和占粘土质量6％的Na2CO3到100％清水中，配制成原浆即粘土基浆；在粘土基浆中，在低速搅拌的条件下依次加入0.05-0.25％增粘剂、0.1-0.3％降失水剂、1-35％NaCl、0.1-1.5％流型调节剂，各种处理剂搅拌均匀后再加另一种；对于增粘剂高分子聚合物，低速搅拌30-60min；在以上配好的基液中，在低速搅拌的条件下加入30-333％的加重剂，达到体系设计密度要求，添加加重剂的过程要缓慢，加完后再搅拌30-60min待充分分散，含盐隔离液体系即配制完成。
2、根据权利要求1所述的含盐隔离液，其特征是：所用加重剂为重晶石、钛铁矿、重质碳酸钙、矿渣的一种，加重剂的颗粒大小为300-350目。
3、根据权利要求1所述的含盐隔离液，其特征是：所用粘土为抗盐性较好的改性膨润土。
4、根据权利要求1所述的含盐隔离液，其特征是：所用增粘剂为淀粉类高分子聚合物材料。
5、根据权利要求1所述的含盐隔离液，其特征是：所用降失水剂为油井水泥用抗盐降失水剂G301，它是由多种纤维素衍生物及其它相关助剂组成。
6、根据权利要求1所述的含盐隔离液，其特征是：所用流型调节剂为磺甲基单宁。
7、根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：对于粘土基浆，低含盐隔离液采用粘土干混配浆；高含盐隔离液采用粘土预制配浆，粘土低速搅拌2h后预制，至少预制水化24h后使用。
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| CN 200710049483 CN101089114A (zh) | 2007-07-10 | 2007-07-10 | 含盐隔离液体系及制备方法 |
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| CN 200710049483 CN101089114A (zh) | 2007-07-10 | 2007-07-10 | 含盐隔离液体系及制备方法 |
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101857799A (zh) * | 2010-06-28 | 2010-10-13 | 西南石油大学 | 一种可固化堵漏隔离液及其制备方法 |
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| CN101676360B (zh) * | 2008-09-18 | 2012-03-07 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种用于水平井的特低渗透油层保护钻井液 |
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2007
- 2007-07-10 CN CN 200710049483 patent/CN101089114A/zh active Pending
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Open date: 20071219 |