CN104818957A - 一种提高深井固井二界面胶结质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高深井固井二界面胶结质量的方法。本发明所提供的方法包括如下步骤：1)将第一泥饼固化剂注入油气井内；2)将第二泥饼固化剂注入油气井内，所述第二泥饼固化剂与步骤1)中第一泥饼固化剂直接接触；3)将水泥浆注入油气井内，所述水泥浆与步骤2)中所述第二泥饼固化剂直接接触。本发明的方法在既不改性钻井液也不改变水泥浆条件下即可实现泥饼固化和界面交联，显著提高了固井二界面的胶结质量与强度，不仅无需使用凝饼形成剂，满足井深大于5000m的深井的固井二界面胶结质量的需求，而且即使在温度超过105℃的情况下，本发明的方法仍然具有良好的防气窜功能和层间封隔能力，满足酸化压裂的要求。

Description

一种提高深井固井二界面胶结质量的方法

技术领域

本发明属于石油工程领域，特别涉及一种提高深井固井二界面胶结质量的方法。

背景技术

界面即两相的接触面，对于复合材料而言，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节。界面的结构、性质及改善，对符合材料的宏观行为有重要影响。对于石油工程中的固井作业来说，影响环境更加复杂，影响因素更多，界面胶结强度对工程质量的影响就更大。固井的双界面胶结质量及强度，直接影响油井的使用寿命和开发效益已是一个不争的事实。特别是在开发后期的调整区块，层系细分，产层薄、隔层薄，通常还要采取增产措施后才能进行生产，对固井界面的胶结质量要求更高。因此，随着油田开采强度的加大，对封固界面抗冲蚀破坏性能越来越高，迫切需要解决影响固井界面胶结质量的各种问题。目前，人们已经提出了如下一些解决影响固井界面胶结质量的方法：

第一类是常用的物理、机械和化学法。由于这些简单方法无法实现泥饼固化和界面交联，因此难以有效解决固井二界面胶结质量这一复杂性难题。

第二类是特殊的MTC(Mud to Cement，即泥浆转化为水泥浆)。为了解决固井二界面胶结质量和环境保护问题，20世纪90年代初出现了MTC技术，若用钻固一体化，能实现固井二界面泥饼固化，它既可显提高固井二界面胶结强度和胶结质量，也可缓解钻后处理钻井液的的环保问题。但是，MTC固化体脆裂、高温性能变异等固有问题又可能会因射孔等作业而导致更为严重的层间互窜，影响油气开采效果甚至报废井，这在一定程度上严重制约了MTC技术的综合应用效果和推广应用。

第三类是中国地质大学(武汉)近年提出的MTA(Mud Cake to Agglomerated Cake，即泥饼仿地成凝饼)法(参见中国专利CN200810047343.8)。该方法虽实现了不改变油井水泥这一目标，却仍需在钻井液中加入0.5％～3％的泥饼改性剂，因此这依然还不是一种非常理想的方法，即该新技术仅适用于3000m以内的井。

出于这种考虑，本发明的发明人进行了研究，目的是解决相关领域现有技术所暴露出来的问题，期望提供一种提高井深大于5000m的深井固井二界面胶结质量的方法。

发明内容

鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种提高深井固件二界面胶结质量的方法，其完全有别于现有技术中的MTC方法、MTA方法和MCS方法，一方面在既不改性钻井液也不改变水泥浆条件下即可实现泥饼固化和界面交联，显著提高了固井二界面的胶结质量与强度；另一方面，更为重要的是，本发明的方法不仅无需使用凝饼形成剂，满足井深大于5000m的深井的固井二界面胶结质量的需求，而且即使在温度超过105℃的情况下，本发明的方法仍然具有良好的防气窜功能和层间封隔能力，满足酸化压裂的要求。

本发明的又一目的在于提供所述方法在油田开采过程中的应用。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种提高深井固井二界面胶结质量的方法，其包括如下步骤：

1)将第一泥饼固化剂注入油气井内；

2)将第二泥饼固化剂注入油气井内，所述第二泥饼固化剂与步骤1)中所述第一泥饼固化剂直接接触；

3)将水泥浆注入油气井内，所述水泥浆与步骤2)中所述第二泥饼固化剂直接接触。

在本发明的方法中，第一泥饼固化剂的作用是对井内泥饼界面的修饰与处理，而第二泥饼固化剂的作用则是对井内泥饼孔隙的疏导并使泥饼粘土颗粒表面电子结合能和元素组成发生改变；水泥浆水化离子渗入泥饼且与泥饼中高价金属离子发生化学反应生成胶结物产生化学固结和沉淀堵塞，形成水泥环与泥饼界面交联网络，实现泥饼固化，从而提高固井二界面的胶结强度，使得固井一、二界面胶结质量得到显著改善。

根据本发明的一个具体实施例，所述第一泥饼固化剂包括：丁基胶乳、碳酸钠及水；其中，所述丁基胶乳与水的质量比为1:(1.8～2.1)，所述碳酸钠与水的质量比为(0.15～0.28):1。

在本发明的方法中，丁基胶乳不仅机械稳定性、化学稳定性好，而且其结构中的双键含量少，化学惰性强，有自补强作用，键排列高度规整，其与碳酸钠共混之后，能够对井内泥饼界面进行很好的修饰改性。

根据本发明的一个具体实施例，制备第一泥饼固化剂的具体步骤包括：首先购得丁基胶乳；然后往上述丁基胶乳中添加水，再继续添加碳酸钠，即制得本发明的第一泥饼固化剂。

根据本发明的一个具体实施例，按照质量百分比，所述第二泥饼固化剂包括：1～10％的氢氧化钠、0.1～5％的硫酸钠以及1～10％的碳酸钙；优选包括：2～6％的氢氧化钠、0.7～2％的硫酸钠以及1～7％的碳酸钙。

在本发明的方法中，所述第二泥饼固化剂具有抗高温优点，其与第一泥饼固化剂配伍使用能够解决深井固井的问题，达到安全施工的效果。

根据本发明的一个具体实施例，所述第一泥饼固化剂与第二泥饼固化剂直接接触，且二者之间没有注入其他物质。

根据本发明的一个具体实施例，所述水泥浆与第二泥饼固化剂直接接触，且二者之间没有注入其他物质。

根据本发明的一个具体实施例，所述第一泥饼固化剂与第二泥饼固化剂的体积比为1:(1～6)，优选1:(2～4)。在本发明的方法中，发明人通过大量实验及创造性劳动发现，第一泥饼固化剂与第二泥饼固化剂的体积比不能够为任意比，需要严格控制二者的体积比，否则难以满足井深大于5000m的深井的固井二界面胶结质量的需求。

根据本发明的一个具体实施例，所述水泥浆与所述第二泥饼固化剂的体积比为(100～10):1，优选(50～20):1。

根据本发明的一个具体实施例，步骤1)中所述的第一泥饼固化剂与油气井内壁泥饼的接触时间为40～140s，优选70～120s。

在本发明中，步骤1)中所述第一泥饼固化剂与油气井壁泥饼的接触时间会影响泥饼固化剂的作用效果，原因在于效果与泥饼固化剂作用时间相关，因此必须严格控制第一泥饼固化剂与油气井壁泥饼的接触时间。

根据本发明的一个具体实施例，步骤2)中所述第二泥饼固化剂与第一泥饼固化剂的接触时间为40～140s，优选70～120s。

根据本发明的一个具体实施例，步骤1)中所述第一泥饼固化剂的用量为1～5m³，优选2～4m³。

本发明的有益效果有：无需现场制备泥饼固化剂或凝饼形成剂；在既不改性钻井液也不改变水泥浆条件下即可实现泥饼固化和界面交联，显著提高了固井二界面的胶结质量与强度,满足深井固井二界面胶结质量的需求，即使在温度超过105℃的情况下，本发明的方法仍然具有良好的防气窜功能和层间封隔能力，满足酸化压裂的要求，这对提高我国石油天然气(含煤层气)勘探开发效果及其采收率无疑具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见，下面简述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1表示尚未形成泥饼且未灌注水泥浆的仿地井筒示意图。

图2表示已形成泥饼且已灌注水泥浆的仿地井筒示意图。

图3表示固井二界面胶结强度测试方法示意图。

图4表示利用声波-变密度测井(CBL/VDL测井)方法检测井深3040—4880m处固井质量测井及其解释图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。附图标记的说明如下：

1表示仿地井筒；

2表示泥饼；

3表示压头；

4表示水泥柱；

5表示下挡板；

6表示利用CBL/VDL测井方法检测井深3040～3740m处固井质量检测图；

7表示利用CBL/VDL测井方法检测井深3740～4445m处固井质量检测图；

8表示利用CBL/VDL测井方法检测井深4445～4880m处固井质量检测图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1室内模拟实验

1.实验样品及试验条件说明

(1)实验用钻井液体系样本取自某井现场钻井液，取样时井深为5017m。

(2)实验用水泥浆添加剂均由成都欧美科石油科技股份有限公司提供。

(3)固井二界面胶结强度实验条件：温度140℃，95MPa，泥饼厚度0.5mm，养护时间2天、3天、7天。

2.实验过程

(1)与某井封固段地层物性相匹配的仿地井筒的制备

本实施例模拟某油田主要为封固段，其平均渗透率为50×10^-3μm²，平均孔隙度为18％，以此物性为基础，参照如下方法制备仿地井筒：

A)准备部分：a.将黄砂和标准砂筛选即得到一定级配、分选良好、磨圆程度为次棱角状～次圆状的仿地井筒用砂；b.称取一定质量比例的仿地井筒用砂和自制材料，根据不同水固比量取定量的自来水，拌匀待用；c.进行PVC管模具的组合和定位。

B)压制部分：a.将PVC管组合模具置于压力试验机座上，倒入拌匀后的仿地井筒用砂、自制材料和自来水混合体，其量的多少控制最终成型的仿地井筒高度；b.接着用钢制圆柱压头在混合体上表面缓慢加压。当达到一定压力值后，保持恒压3～5min，注意观察PVC管模具有无变形；c.卸压，将仿地井筒与模具一起取出；d.24h后，置于电炉箱中加热，PVC管受热膨胀而自动剥离，遂将仿地井筒取出，即得到完整的仿地井筒。

本实施例所制备的仿地井筒的平均渗透率和平均孔隙度为50×10^-3μm²和18％。仿地井筒的具体形状如附图1所示，外环直径100mm，内孔直径33mm，高度约55mm。

本发明根据地层形成的一般规律，以河道黄砂和标准砂作为碎屑颗粒，以自制材料作为胶结物，用压力试验机的缓慢加压来模拟地层压实规律。实验室制备仿地井筒虽无法模拟地下的温度、围压和极其复杂的成岩流体等条件，但以自制材料作为胶结物，其自身低渗、性能稳定等特性与沉积胶结物有较好的相似性。

(2)仿地井筒内壁面泥饼的形成

实际钻井过程中，钻井液在正压差的作用下向渗透性地层失水。随着钻井液失水进入地层，钻井液中的固相颗粒便沉积或粘附在井壁上，即形成泥饼。为了尽可能地模拟现场钻井液泥饼的形成过程，本实施例中仿地井筒内壁面的泥饼形成方法如下：

a)将仿地井筒置于特制的模具中，同时用两面胶带和高温黄油等将特制模具底部密封；

b)用大型注射器向仿地井筒内孔轴向均匀地注入取自现场的钻井液，注入量应与仿地井筒上表面平齐为准，并适时补充；

c)根据温度要求将其置于养护箱中静置3.5小时，用自制工具去掉死泥浆，并刮除筒壁处虚滤饼，使泥饼厚度控制在0.5mm左右。

本实施例的泥饼形成方法具有温度可调、厚度可控等特点，且所制得的泥饼与实际井下钻井液泥饼的形貌和性质均有较好的相似性。可制得的泥饼厚度为0～5mm。

(3)第一泥饼固化剂的制备：

首先从市场购得丁基胶乳，然后往丁基胶乳中添加水，再继续添加Na₂CO₃，混匀后即制得第一泥饼固化剂；其中，所添加的水的质量是所述丁基胶乳的质量的1.8倍，所添加的Na₂CO₃的质量是水的质量的0.15倍，

(4)第二泥饼固化剂的制备：

将市场购买的氢氧化钠、硫酸钠以及碳酸钙按照如下质量百分数混合于水中：2％的氢氧化钠、0.7％的硫酸钠和1％的碳酸钙，即可得到第二泥饼固化剂。

(5)水泥浆的制备

本实施例中所用水泥浆由嘉华江南G级油井水泥、0.2％缓凝剂、2.5％降失水剂、44％水和0.1％消泡剂按API规范10配制而成。

(6)泥饼固化实验样品的制备

a)将仿地井筒浸没在第一泥饼固化剂中，用第一泥饼固化剂浸泡仿地井筒70s；

b)将仿地井筒从第一泥饼固化剂中取出，直接将其浸没在第二泥饼固化剂中，用第二泥饼固化剂浸泡仿地井筒120s；

c)将仿地井筒从第二泥饼固化剂中取出，直接将水泥浆灌注到仿地井筒中间的孔洞内，使浆体液面略高于仿地井筒上表面，用搅拌棒插捣水泥浆数次，使水泥浆体密实均匀，然后进行密闭、防湿处理；

d)将已形成泥饼且已灌注水泥浆的仿地井筒(如附图2所示)直接放入温度为140℃、压力为95MPa的养护箱中进行水浴养护，分别养护3天、7天、15天后将样品取出，降至室温后待测试。

(7)固井二界面胶结强度的测试与分析

将待测试样品在经改装过的压力试验机上测压脱值(如图3所示)，量出仿地井筒胶结面的高度，固井二界面胶结强度可由下式计算：

$P=\frac{10F}{\mathrm{\πhD}}$

式中：P为固井二界面胶结强度，单位为MPa；F为水泥柱压脱值，单位为kN；h为仿地井筒胶结面高度5.5cm；D为仿地井筒内孔直径。

本实施例的平均固井二界面胶结强度的测试结果参见下表1。

对比例1

按照专利CN200810047343.8中公开的方法进行泥饼固化实验。在本对比例中，仿地井筒的制备、仿地井筒内壁面泥饼的形成以及固井二界面胶结强度的测试方法均同实施例1。

本对比例的平均固井二界面胶结强度的测试结果参见下表1。

表1

从表1可见，本实施例的平均固井二界面胶结强度较对比例1中公开的提高固井二界面胶结强度的方法提高了20余倍，技术效果显著。

实施例2固井现场试验

本实施例针对某天然气探区井深为5080m的深井进行现场试验，该井封固段地层物性如下：平均渗透率50×10^-3μm²，平均孔隙度18％。

(1)第一泥饼固化剂的制备：

同实施例1中第一泥饼固化剂的制备方法，区别在于，所添加的水的质量是所述丁基胶乳的质量的2.1倍，所添加的Na₂CO₃的质量是水的质量的0.28倍。

将40桶已生产出的50L/桶的第一泥饼固化剂倒入固井车水柜中，搅拌均匀，即可得到2m³的第一泥饼固化剂。

(2)第二泥饼固化剂的制备：

将市场购买的氢氧化钠、硫酸钠以及碳酸钙按照如下质量百分数混合于水中：6％的氢氧化钠、2％的硫酸钠以及7％的碳酸钙，即可得到第二泥饼固化剂。

将已生产出的50L/桶第二泥饼固化剂的80桶，倒入固井车水柜中，搅拌均匀，即得4m³第二泥饼固化剂。

(3)水泥浆的制备：

水泥浆由嘉华江南G级油井水泥、0.2％缓凝剂、2.5％降失水剂、44％水和0.1％消泡剂按API规范10配制而成，其中降失水剂由天津中油渤星工程科技有限公司生产，缓凝剂由江苏特曼科技新材料有限公司生产，消泡剂由河南卫辉化工股份有限公司生产。

(4)固井施工过程

a)对固井施工设备进行试压，确保连续施工。

b)将2m³体积的第一泥饼固化剂注入油气井内，所述第一泥饼固化剂与油气井壁泥饼的接触时间为95s；

c)然后将4m³体积的第二泥饼固化剂注入油气井内，所述第二泥饼固化剂与第一泥饼固化剂直接接触100s，二者之间不注入其他任何物质。

d)再将80m³体积的水泥浆注入油气井内，所述水泥浆与第二泥饼固化剂直接接触，二者之间不注入其他任何物质。

e)下胶塞、注压塞液、替浆、碰压，施工结束。候凝72h。

(5)固井二界面的胶结强度的测试与分析

固井施工结束，候凝2天(油井，如是气井可候凝3天)，利用声波-变密度测井(CBL/VDL测井)方法检测固井质量。

本实施例的某气井尾管固井初步解释结果可参见下表2，固井一、二界面胶结质量总体均为良好。CBL-VDL测井图则可参见图4。

表2

从表2和图4可见，实施例的某气井尾管固井质量：固井一界面胶结好占89.0％，胶结中等占7.6％，胶结差仅占3.4％；固井二界面胶结好占82.8％，胶结中等占14.2％，胶结差仅占3.0％，且常规解释的59个气层的固井一、二界面均胶结质量为好的达到了53层，占89.83％，因此，本实施例不仅解决了深气井尾管固井的高温问题，而且提高其固井一、二界面的胶结质量效果显著。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种提高深井固井二界面胶结质量的方法，其包括如下步骤：

1)将第一泥饼固化剂注入油气井内；

2)将第二泥饼固化剂注入油气井内，所述第二泥饼固化剂与步骤1)中所述第一泥饼固化剂直接接触；

3)将水泥浆注入油气井内，所述水泥浆与步骤2)中所述第二泥饼固化剂直接接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一泥饼固化剂包括：丁基胶乳、碳酸钠及水；其中，所述丁基胶乳与水的质量比为1:(1.8～2.1)，所述碳酸钠与水的质量比为(0.15～0.28):1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照质量百分比，所述第二泥饼固化剂包括：1～10％的氢氧化钠、0.1～5％的硫酸钠以及1～10％的碳酸钙；优选包括：2～6％的氢氧化钠、0.7～2％的硫酸钠以及1～7％的碳酸钙。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一泥饼固化剂与第二泥饼固化剂直接接触，且二者之间没有注入其他物质。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述水泥浆与第二泥饼固化剂直接接触，且二者之间没有注入其他物质。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一泥饼固化剂与第二泥饼固化剂的体积比为1:(1～6)，优选1:(2～4)。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述水泥浆与所述第二泥饼固化剂的体积比为(100～10):1，优选(50～20):1。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的第一泥饼固化剂与油气井内壁泥饼的接触时间为40～140s，优选70～120s。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述的第二泥饼固化剂与第一泥饼固化剂的接触时间为40～140s，优选70～120s。

10.权利要求1～9中任意一项所述的方法在油田开采过程中的应用。