CN101573427A - 用于注蒸汽应用的低渗水性水泥体系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水泥浆组合物，该水泥浆组合物包含具有低Tg点的堵塞剂聚合物。

Description

用于注蒸汽应用的低渗水性水泥体系
技术领域
本发明涉及一种用于在对油井或类似井进行注水泥时使用的水泥添加剂，具体地，本发明涉及一种作为用于水泥组合物的堵塞剂的低Tg聚合物。
背景技术
在通常的井注水泥作业中，在地面上制备水泥浆，并将所述水泥浆泵送到井眼内以填充套管与井壁之间的环状空间，从而提供产层隔离(zonalisolation)和机械支撑。由于重油存在的巨大储藏量，而轻质油的储藏量逐渐减少的原因，因此对重油开采的关注度逐渐增加。热力采油法是采出重油的主要方法之一。热采法通过增加油温来工作，油温的增加将减小油的粘度。所使用的主要的热采法之一是注蒸汽法。然而，对于产层隔离来说的问题之一是在注蒸汽操作之后水泥的渗透性。当初始凝固时，水泥可以提供良好的密封，然而，在重复注蒸汽过程期间，压力和温度的变化可能产生应力并影响水泥的完整性。
用于这种应用的体系通常是传统的低密度水泥，所述传统的低密度水泥在几个注蒸汽循环之后变得可高度渗透。通常是在在定期注蒸汽之后，水泥环内达到大约300℃的温度，并且通常凝固水泥将丧失强度并增加渗透性。这可能使产层隔离丧失，并使已取岩心的套管渗透和/或蒸汽泄露。因而，热采井的寿命由于水泥所处于的所有这些应力而缩短。
堵漏问题通常由于这种井眼的不结实且疏松的地层而发生，因此需求低密度水泥体系，然而，这在凝固水泥特性方面是有害的。因为凝固水泥的透水性与传统水泥的密度成反比。因此采用热力采油法的重油井主要属于低泥浆定价是竞争关键点的低端市场。
与传统的水泥相比，FlexSTONE(Schlumberger)研制的一种水泥体系保持高压缩强度和抗拉强度，并且用在蒸汽驱作业中。然而，在300℃，所述水泥的渗透性仍旧是个问题。
因此，本发明的目的是提供一种增加凝固水泥的长期渗透性能力的节省成本的添加剂。
发明内容
本发明的第一方面包括一种水泥浆组合物，所述水泥浆组合物包括具有低Tg点的堵塞剂聚合物。
聚合物可以具有低于150℃的Tg点。具有低Tg点表示聚合物将在井眼中在热采操作期间所达到温度下熔化，并流入到水泥基质的孔隙中。
优选地，水泥浆组合物中的聚合物是蜡。在一种优选的组合物中，聚合物是聚乙烯蜡乳状液、聚丙烯蜡乳状液、巴西棕榈蜡乳状液或鳞状蜡乳状液。蜡是可以使用的节省成本的添加剂。
水泥浆组合物可以是低密度水泥。
本发明的第二方面包括一种用于堵塞井眼中的水泥基质的孔隙的方法，所述方法包括以下步骤：将根据前述权利要求中任一项所述的水泥浆泵送到井眼中；凝固井眼中的水泥；在添加剂的Tg点之上加热水泥；以及冷却水泥，使得添加剂将凝固。
优选地，所述方法包括执行注蒸汽操作以加热水泥。
一种用于降低井眼中的水泥组合物的渗透性的方法，所述方法包括以下步骤：将具有低Tg点的聚合物添加到水泥浆中；以及将水泥浆泵送到井眼中。
附图说明
图1显示水合水泥膏中的固体和孔隙的尺寸范围；
图2显示硬化水泥膏中的毛细管孔隙的SEM；以及
图3显示孔隙直径(nm)与渗透体积(penetration volume)(cm3/g)的关系的曲线图。
具体实施方式
当水泥被水合时，如图1中所示，形成不同尺寸的相互连接的孔隙。水泥基质中的孔隙由C-S-H层1之间的颗粒间的间隔、毛细管空隙2、水泥膏中的Ca(OH)2或低硫酸盐的六方晶体3、C-S-H颗粒的聚集体4、混入空气的气泡5、残存空气的空隙6形成。孔隙可以被分为宏观孔隙、毛细管孔隙和凝胶孔隙。C-S-H之间的层间间隔(凝胶孔隙)通常具有等于大约28％的凝胶的体积和在几分之nm到几nm范围内的尺寸。这些类型的孔隙不影响材料的耐用性，因为所述孔隙太小而不允许侵蚀性物种的有效迁移。毛细管孔隙是没有被硬化水泥膏的水合作用的固态产物填充的空隙。图2显示包括片状晶体之间的微观毛细管的水泥，宏观毛细管也是可见的。基于固化时间以及水与水泥的比率，毛细管孔隙通常具有10nm至1微米的尺寸。图3画出孔隙直径与渗透体积的关系曲线。毛细管孔隙决定材料的耐用性。为了防止产层间连通(interzonal communication)，对水的渗透性将不会超过0.1mD。因此，本发明提供具有固体颗粒的水泥浆，所述固体颗粒将填充宏观孔隙，并且当被融化时可以流动通过更小的孔隙以减少孔隙相互连接，因此减小水泥的渗透性。
添加剂的固体颗粒被引入到水泥浆中。颗粒具有如下尺寸，即，所述尺寸允许当水泥被水合时颗粒插入到宏观孔隙内，然后当温度上升到这些颗粒的熔点之上时(在注蒸汽期间)，融化的流体流动通过更小的孔隙，从而减小孔隙的相互连接。
当形成温度比聚合物的Tg高时(诸如在注蒸汽操作期间)，聚合物将熔化。一旦结束注蒸汽，温度将冷却下来，并且有机添加剂将凝固。一旦聚合物融化，所述聚合物能够流动通过水泥基质，因此聚合物流动性将增加，并将堵塞水泥的微观孔隙。在注蒸汽操作期间，地层流体将首先被液态聚合物阻塞，然后一旦停止热采过程并且水泥基质已经冷却下来，就被重新凝固的聚合物阻塞。凝固水泥的渗水性由于在被连接的孔隙中置入堵塞物而将被减小。只有被连接的孔隙中的几个不同区域需要被堵塞，因而经济并保持低的水泥渗透性。
添加剂可以是诸如D600(苯乙烯-丁二烯胶乳)、D700、D181(聚丙烯)或蜡的产品。优选的产品是水基蜡乳状液，因为它们含有用于低粘度流体的高含量固体，这与胶乳情况一样，但在水泥的水合期间却不会形成膜，这与胶乳相反。蜡也是节省成本的。优选的产品包括：
Figure A20078004871600061
实施例
使用在大约60-70℃工作的渗水性装置。选择Tg大约为40-50℃的候选的聚合物添加剂。制备三种重油水泥体系：
1.参考体系：
使用A类，13.3ppb
40％的BWOC D066(二氧化硅粉)
D047(消泡剂-聚丙二醇)
0.2％的BWOC D065(TIC分散剂)
2％的BWOC D020(增量剂-膨润土)
此配方被标为“在加拿大的40％的热力法(thermal 40％in Canada)”
2.使用2gal/sk的鳞状蜡乳状液(
Figure A20078004871600062
乳状液7050，0.5微米，SVF＝52％，熔点50℃)的40％的热力法：
1％的D020(增量剂-膨润土)
0.7％的D065(TIC分散剂)
0.05gps D175(消泡添加剂)
3.使用油水乳状液的12.75ppg的浆液-SVF是具有40％的BWOCD066(二氧化硅粉)的30％的A类水泥
占浆液体积28％的油
占浆液体积42％的水
占油重量2.5％的D701(气体控制剂)
几克D065(TIC分散剂)
样品制备
样品被混合，并且在40℃进行1周的第一次固化。从每一个体系提取长为2英寸/直径为1英寸的几个岩心。然后，在275℃(525°F)下将样品固化6小时。将最高温度保持45小时，然后逐渐冷却下来。
将在275℃的固化时间重复1周，然后将样品逐渐冷却下来。这确保参考体系已经充分变质(渗透性＞0/1mD)
对参考体系和蜡体系，在室温、超过60℃(＞蜡乳状液的熔点)和140℃进行这三个样品的渗水性测量。
结果：
Figure A20078004871600071
固化后的压碎测试-圆柱体/体系1
1.参考＝3200psi
2.蜡＝1900psi
3.O/E＝1800psi
压碎之后，观察到体系2的基质中的紫色/蓝色。
虽然O/E的油滴用作用于流变学/FL测试的细粒，但是所述油滴不妨碍渗水性。预期蜡体系与参考体系之间的比为5，并且所述比证明蜡可以用作堵塞水泥中的间隙的添加剂。
在室温的渗水性类似(0.18mD和20mD)。这是预期的并且该值与扩展体系相同。
在140℃下，参考体系与蜡体系之间的渗水性不再相似。蜡体系比参考体系具有更低的渗水性，0.09mD比0.236mD。在140℃，蜡体系的渗水性比室温的渗水性低，0.09mD比0.205mD。
可以从渗水性的比较测量值得到，融化的聚合物具有能够减小水泥基质的连接孔隙的能力。浓度、分子量和颗粒形状也将对融化的聚合物的流动性具有影响。

Claims (8)

1.一种水泥浆组合物，所述水泥浆组合物包含具有低Tg点的堵塞剂聚合物。
2.根据权利要求1所述的水泥浆组合物，其中所述聚合物具有低于150℃的Tg点。
3.根据权利要求1或2所述的水泥浆组合物，其中所述聚合物是蜡。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的水泥浆组合物，其中所述聚合物是聚乙烯蜡乳状液、聚丙烯蜡乳状液、巴西棕榈蜡乳状液或鳞状蜡乳状液。
5.根据任一前述权利要求所述的水泥浆组合物，其中所述水泥是低密度水泥。
6.一种用于堵塞井眼中的水泥基质的孔隙的方法，所述方法包括以下步骤：
将根据任一前述权利要求所述的水泥浆泵送到井眼中；
凝固井眼中的所述水泥；
在添加剂的Tg点之上加热所述水泥；以及
冷却所述水泥，使得所述添加剂将凝固。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法包括：进行注蒸汽操作以加热所述水泥。
8.一种用于降低井眼中的水泥组合物的渗透性的方法，所述方法包括以下步骤：
将具有低Tg点的聚合物添加到水泥浆中；以及
将所述水泥浆泵送到井眼中。
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