CN102559161A

CN102559161A - 油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系

Info

Publication number: CN102559161A
Application number: CN2011104220276A
Authority: CN
Inventors: 步玉环; 郭辛阳; 郭胜来; 马聪
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，包含下列组分，各组分以磷铝酸盐水泥为总重量计按质量百分比配比：磷铝酸盐水泥，10～20％的可溶性磷酸盐，2～4.5％的缓凝剂，3～10％的降失水剂。该水泥体系的水泥石在高温、高压和高浓度二氧化碳条件下具有优良的耐腐蚀性能，能够满足高含二氧化碳油气井长期封固的要求，为勘探开发、高效生产和环境保护提供保障。适用于高温、高压、高含二氧化碳的油气井固井。

Description

油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系

技术领域

本发明属于石油化工技术领域，具体涉及一种油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系。

背景技术

目前，油气井固井使用的水泥多为硅酸盐水泥体系。近年来，固井硅酸盐水泥石的CO₂腐蚀问题倍受关注。这是因为地层中高浓度CO₂的来源已经不再只是石油和天然气的伴生气，还包括CO₂驱油和CO₂埋存等技术大量注入的CO₂，这大大提高了地层中CO₂的浓度。井下高温、高压和潮湿环境下，高浓度的CO₂在短时间内就会对硅酸盐水泥石产生严重腐蚀，表现为水泥石的渗透率增大、强度降低等，使水泥石丧失封固性能，造成封固系统的封隔性能失效，进而导致油气采收率降低、CO₂埋存失败等严重后果。所以，硅酸盐水泥石已不能满足含高浓度CO₂地层中的油气井长期封固的要求，需要研究新型的耐CO₂腐蚀固井水泥体系来取代硅酸盐水泥体系，以提高固井水泥石的耐CO₂腐蚀性能，保证高含CO₂油气藏开采、CO₂驱油和CO₂埋存等技术的成功应用。

在过去几十年中，随着高含CO₂油气藏开采、CO₂驱替技术和枯竭油气藏CO₂埋存等技术的研究和应用，国内外已相继开展了耐CO₂腐蚀固井水泥体系的研究，取得了一些成果。目前，耐CO₂腐蚀固井水泥体系主要分为两类：

(1)硅酸盐水泥基耐CO₂腐蚀固井水泥体系

硅酸盐水泥基耐CO₂腐蚀固井水泥体系主要是通过向硅酸盐水泥中加入外掺料或外加剂来改变水泥石的物理性能(如降低渗透率、提高致密性等)或降低水泥石中碱性水化产物Ca(OH)₂含量等方式来降低CO₂腐蚀速率，提高水泥石的耐CO₂腐蚀性能，添加的外掺料包括微硅、矿渣、粉煤灰、漂珠、抗腐蚀惰性颗粒、胶乳和盐类膨胀剂等，添加的外加剂主要有分散剂等。

硅酸盐水泥基耐CO₂腐蚀固井水泥体系在一定程度上提高了水泥石的耐CO₂腐蚀性能，但由于决定水泥石耐CO₂腐蚀性能的水化产物-水化硅酸钙凝胶(CSH)仍会以一定的速率持续与CO₂发生腐蚀反应，长期应用仍然存在很大风险，所以硅酸盐水泥基耐CO₂腐蚀固井水泥体系不能满足高含CO₂油气井长期封固的要求。

(2)非硅酸盐水泥基耐CO₂腐蚀固井水泥体系

非硅酸盐水泥基耐CO₂腐蚀固井水泥体系以硅酸盐水泥之外的其它水泥为基本胶凝材料，通过向水泥中添加外掺料来改善水泥石的矿物组成，使水泥石中的主要矿物具有较优的耐CO₂腐蚀性能，从而提高水泥石的耐CO₂腐蚀性能。目前只有美国Brookhaven国家实验室开发的高铝水泥-磷酸盐水泥体系属于此类固井水泥体系，该体系也是Halliburton石油公司ThermaLock固井水泥体系的主要成分。

高铝水泥-磷酸盐固井水泥体系虽具有优良的耐CO₂腐蚀性能，但由于高铝水泥抗污染性能较差而导致整个水泥体系的抗污染性很差，混入少量的硅酸盐水泥后就会导致该水泥体系的稠化时间大大缩短，易引发固井事故，现场在应用该水泥体系固井之前都需要将固井设备进行彻底清洗，以防止残留的硅酸盐水泥污染该水泥体系，这大大增加了固井作业的风险和成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术所存在的上述不足，提供一种油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，该水泥体系的水泥石在高温、高压和高浓度CO₂条件下具有优良的耐腐蚀性能，能够满足高含CO₂油气井长期封固的要求，为勘探开发、高效生产和环境保护提供保障。

其技术方案为：

一种油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，包含下列组分，各组分以磷铝酸盐水泥为总重量计按质量百分比配比：磷铝酸盐水泥，10～20％的可溶性磷酸盐，2～4.5％的缓凝剂，3～10％的降失水剂。

优选地，所述的磷铝酸盐水泥主要由三元磷铝酸钙固溶体、铝酸钙固溶体和磷酸钙固溶体组成，各组分的重量百分含量为：三元磷铝酸钙固溶体20～70％，铝酸钙固溶体10～60％，磷酸钙固溶体10～60％，玻璃体0～15％。

优选地，所述的可溶性磷酸盐为磷酸钠、六偏磷酸钠、聚磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钠中的一种或者两种以上组成的复合物。

优选地，所述的缓凝剂为四硼酸钠、硅酸钠、木质素磺酸盐中的一种或两种以上组成的复合物。

优选地，所述的降失水剂为膨润土或微硅。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

(1)本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系的水泥石在高温、高压和高浓度CO₂条件下具有优良的耐CO₂腐蚀性能。这有助于延长高含CO₂油气井的寿命。

(2)本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系具有较好的抗硅酸盐水泥污染的性能，在掺入一定量的硅酸盐水泥后仍能够具有一定的稠化时间。这有利于固井施工作业的安全。

(3)本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系具有一定的触变性能，既能够对漏失层进行一定的封堵，又能够减少气窜的发生。这有利于固井施工作业的成功进行和提高固井质量。

具体实施方式

下面结合具体和实施例对本发明的方法作进一步详细地说明。

实施例1，本发明油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系的耐腐蚀性能评价

本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系配方：磷铝酸盐水泥、15％的六偏磷酸钠、3.25％的四硼酸钠、9％的膨润土。代号为1#。

硅酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系配方：嘉华G级水泥、8％的硅粉、1％的降失水剂JS-2(聚乙烯醇类)、1％的分散剂SWJZ-1(醛酮缩合物)。代号为2#，用作对比。

按油井水泥试验方法标准GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，其中水和水泥体系配方中的其它组分分别以磷铝酸盐水泥或嘉华G级为总重量计按质量百分比配比；然后将配制好的水泥浆倒入直径为2.6cm、高为5cm的模具，置于75℃、常压条件下养护，1#和2#水泥体系配方分别制作三组平行样品试块；3d后取出脱模，分别测量每种水泥浆配方其中1块水泥石的渗透率和抗压强度；然后将1#和2#水泥体系配方的其它2组样品试块放入高温高压耐酸碱腐蚀养护设备进行养护，养护条件为130℃、CO₂分压为5MPa左右；养护20d和40d后，分别取出测量试块的渗透率、抗压强度，测试结果见表1。实验结果表明，本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系与硅酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系相比，前者腐蚀前后的水泥石抗压强度和渗透率基本保持不变，说明该水泥石受到的腐蚀较小；后者腐蚀前后的水泥石抗压强度显著降低，渗透率明显增大，说明该水泥石受到的腐蚀较大。对比可以看出，本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系具有较好的耐腐蚀性能。

表1

实施例2，本发明油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系的抗污染性能评价

1#水泥体系配方：磷铝酸盐水泥、15％的六偏磷酸钠、3.25％的四硼酸钠、9％的膨润土。

3#水泥体系配方：在1#水泥体系配方的基础上加入5％的嘉华G级硅酸盐水泥(以磷铝酸盐水泥为总重量计按质量百分比配比)。

4#水泥体系配方：在1#水泥体系配方的基础上加入10％的嘉华G级硅酸盐水泥(以磷铝酸盐水泥为总重量计按质量百分比配比)。

按油井水泥试验方法标准GB/T 19139-2003标准制备水泥浆，其中水以磷铝酸盐水泥为总重量计按质量百分比配比，测试1#、3#和4#水泥体系配方在75℃、常压下的稠化时间，测试结果见表2。实验结果表明，本发明的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系在加入5％和10％的硅酸盐水泥后其稠化时间明显缩短，由未加硅酸盐水泥时的400min左右分别缩短至270min和200min左右，但被污染的水泥体系可泵时间(水泥浆稠度＜30Bc)仍可达170min和80min左右，而且施工中灰罐车中的残留一般不会超过5％的，故该水泥浆体系基本能够满足常规情况下固井的要求，说明耐CO₂腐蚀水泥体系具有较好的抗污染性能。

表2

本发明技术方案是一种特别适用于高含CO₂油气藏开采、CO₂驱油、枯竭油气藏CO₂埋存等技术应用中含高浓度CO₂的油气井固井的水泥体系。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征在于，包含下列组分，各组分以磷铝酸盐水泥为总重量计按质量百分比配比：磷铝酸盐水泥，10～20％的可溶性磷酸盐，2～4.5％的缓凝剂，3～10％的降失水剂。

2.根据权利要求1所述的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征在于，磷铝酸盐水泥主要由三元磷铝酸钙固溶体、铝酸钙固溶体和磷酸钙固溶体组成，各组分的重量百分含量为：三元磷铝酸钙固溶体20～70％，铝酸钙固溶体10～60％，磷酸钙固溶体10～60％，玻璃体0～15％。

3.根据权利要求1所述的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征在于，所述的可溶性磷酸盐为磷酸钠、六偏磷酸钠、聚磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钠中的一种或者两种以上组成的复合物。

4.根据权利要求1所述的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征在于，所述的缓凝剂为四硼酸钠、硅酸钠、木质素磺酸盐中的一种或两种以上组成的复合物。

5.根据权利要求1所述的油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征在于，所述的降失水剂为膨润土或微硅。