CN105038744A - 一种新型高温固井工作液体系及组成 - Google Patents

一种新型高温固井工作液体系及组成 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型高温固井工作液体系及组成，主要解决油井水泥高温下强度衰退、水泥浆成本高等问题，适用于深井、超深井等高温固井。该新型固井工作液体系各组份以及重量比例为：23～47份SiO2、1.2～12份Al2O3、15～36份CaO、0.50～5.5份XaOb、0.35～4.9份碱金属硅酸盐、1.3～2.6份高温降失水剂、0.04～0.35份高温缓凝剂、0.05～0.8份分散剂、25～38份水。工作液密度为1.70g/cm3～1.85g/cm3，适用于100～250℃范围高温固井作业，具有静胶凝强度发展快、抗压强度高、高温稳定性好优点，可大幅度降低高温固井成本，应用前景广阔。

Description

一种新型高温固井工作液体系及组成
技术领域
本发明涉及一种深井、超深井高温固井的水泥浆体系，尤其涉及一种耐高温的新型水泥浆体系及组成，特别适用于深井、超深井、高温固井作业。
背景技术
固井就是将水泥注入井壁和套管之间环形空间的过程。固井的主要目的是封隔地下油气水层，防止上下串通，为油气生产建立长期、稳定、安全的通道。目前我国国内剩余油气资源40％以上分布在深层，近五年来发现的大型油气田中深层的占72.7％。深层油气资源勘探开发已成为我国油气发展的一个重要领域，固井将面临着突出的深井、超深井高温固井问题。
深井、超深井由于井底温度、压力高，固井面临着突出的高温高压问题。油井水泥在高温条件下(温度超过110℃)存在着强度衰退、渗透率急剧增大现象，常采用在油井水泥中掺入30～40％硅砂来减弱水泥石高温强度衰退问题，然而当面临着更高温度时，油井水泥+30～40％硅砂体系仍会出现强度衰退，甚至开裂现象，致使地层封隔失效，严重影响油气井生产和安全。
在深井、超深井由于井底温度、压力高，油井水泥在高温高压条件下水化速率非常快，为了保障注水泥施工安全，需要在水泥中加入大量价格昂贵的高温缓凝剂等外加剂来延长水泥浆的稠化时间，这使得高温固井水泥浆成本较高。
随着我国加快深部油气资源的勘探开发，高温深井、超深井固井将面临着更严峻的挑战。针对深井、超深井日益突出的高温高压问题，发展新的耐高温固井材料，研发低成本耐高温固井工作液体系，形成新的高温固井技术，就显得十分迫切和重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有油井水泥高温下强度衰退的缺点、水泥浆成本较高的不足，提供了一种新型高温固井工作液体系及组成。该高温固井工作液主要由金属氧化物、碱金属硅酸盐、高温降失水剂、高温缓凝剂、分散剂和水组成，能够制备出密度为1.70g/cm3～1.85g/cm3的高温固井工作液，适用温度范围为100℃～250℃。该新型高温固井工作液体系具有非常突出的高温稳定性好、静胶凝强度发展快和成本较低等优点，其它各项性能指标都完全满足现场高温固井要求，具有现场施工简单和大幅度降低高温固井成本的优势。
为实现上述发明目的，本申请的新型高温固井工作液体系，按照质量份数其组成为：
SiO223～47份；
Al2O31.2～12份；
CaO15～36份；
XaOb0.50～5.5份；
碱金属硅酸盐0.35～4.9份；
高温降失水剂1.3～2.6份；
高温缓凝剂0.04～0.35份；
分散剂0.05～0.8份；
水25～38份。
所述的SiO2为一种固体粉末，晶型为六方晶系，密度介于2.40～2.70g/cm3，粒径介于8.5～60μm。
所述的Al2O3为一种固体粉末，晶型为α-Al2O3，密度介于3.70～3.90g/cm3，粒径介于5.5～25μm。
所述的CaO是由碳酸钙矿石在900～1100℃高温煅烧制得，冷却后粉碎而成，为一种白色固体粉末，密度介于3.10～3.25g/cm3，粒径介于12～35μm。
所述XaOb为固体氧化物粉末，其中X为Mg、Zr、Ti、Ba元素中的一种，原子数a的个数介于1～2，原子数b的个数介于1～3，粒径介于0.035～1.2μm。
所述的碱金属硅酸盐可以是硅酸钾、硅酸锂、硅酸钠中的一种或几种。
所述的高温降失水剂可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酰胺(AM)、马来酸酐(MA)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、丙烯酰胺(AM)、富马酸(FA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与乙烯基吡咯烷酮(VP)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)聚合物中的一种。
所述的高温缓凝剂可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酸(AA)共聚物、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与衣康酸(IA)共聚物、酒石酸、木质素磺酸盐中的一种或几种。
所述的分散剂可以是磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂、木质素磺酸盐、聚苯乙烯磺酸盐中的一种。
所述的配制高温固井工作液的用水可以是淡水、海水或矿化度水。
本发明的优点：(1)本发明实现了一种可通过不同金属氧化物优化组合，能够充分利用油气井深井、超深井的高温高压环境下发生水热合成反应，生成具有高温力学性能稳定性的托贝莫来石和硬硅钙石，有效解决了高温水泥石强度衰退难题，达到油气井高温固井目的。(2)本发明的高温固井工作液只有在一定的高温高压条件下才会发生水热合成反应，充分利用了深井、超深井的高温高压环境，将目前深井、超深井固井所面临的高温高压不利因素转变为有利条件。(3)与目前高温固井所用的油井水泥加硅砂体系相比，本发明的高温固井工作液体系在相同稠化时间下高温缓凝剂的用量大幅度减少，降低了高温固井成本。(4)生产1吨本发明高温固井工作液体系的材料约排放0.20～0.35吨CO2，而生产1吨油井水泥要排放0.80～0.90吨CO2，因此，本发明高温固井工作液体系的应用有利于减少CO2排放量，减小环境污染。
本发明提供了一种技术可靠、现场施工方便、成本低，能满足深井、超深井高温高压固井作业的固井工作液体系，填补了高温固井空白。随着我国加快深层油气资源开采，本发明的高温固井工作液体系有着十分广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的高温固井工作液体系在200℃、75MPa条件下，采用增压稠化仪测试浆体的稠化时间图。
图2是本发明的高温固井工作液体系在250℃、90MPa条件下，发生水热反应生成硬硅钙石和托贝莫来石的微观结构图。
具体实施方式
实验方法：按标准GB/T19139-2003“油井水泥试验方法”制备高温低密度水泥浆，参考标准SY/T6544-2003“油井水泥浆性能要求”、SY/T6466-2000“油井水泥石抗高温性能评价方法”测试高温固井工作液的各项性能。
实施例1：高温固井工作液体系的组成
一种高温固井工作液体系可由以下物质组成，各物质的质量份数具体为：37.7份SiO2、3.79份Al2O3、22.36份CaO、1.52份ZrO2、3.84份硅酸锂、1.6份高温降失水剂、0.07份高温缓凝剂、0.12份分散剂、29份水。
实施例2：高温固井工作液体系的浆体性能测试
以实施例1高温固井工作液体系为测试对象，先将配浆的高温固井工作液体系所需的固体干灰组份和液体水组份各自称量好并混匀，然后按标准GB/T19139-2003“油井水泥试验方法”制备浆体，测试浆体性能和静胶凝强度发展，试验结果见表1、表2。
表1高温固井工作液体系的桨体性能
表2高温固井工作液体系的静胶凝强度发展
实施例3：高温固井工作液体系的抗压强度测试
以实施例1高温固井工作液体系为测试对象，先将配浆的高温固井工作液体系所需的固体干灰组份和液体水组份各自称量好并混匀，然后按标准GB/T19139-2003“油井水泥试验方法”制备浆体，先在预设定的高温高压条件下稠化60分钟，使浆体温度达到均衡，然后将浆体冷却至顶部的循环温度，缓慢释放压力并取出浆杯，将浆体倒入养护模具中进行养护，测定抗压强度，试验结果见表3。
表3高温固井工作液体系的抗压强度性能
当然，以上所述仅是本发明的一种实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型高温固井工作液体系，其特征在于各组份以及重量比例如下：
2.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的SiO2为一种固体粉末，晶型为六方晶系，密度介于2.40～2.70g/cm3，粒径介于8.5～60μm。
3.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的Al2O3为一种固体粉末，晶型为α-Al2O3，密度介于3.70～3.90g/cm3，粒径介于5.5～25μm。
4.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的CaO是由碳酸钙矿石在900～1100℃高温煅烧制得，冷却后粉碎而成，为一种白色固体粉末，密度介于3.10～3.25g/cm3，粒径介于12～35μm。
5.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述XaOb为固体氧化物粉末，其中X为Mg、Zr、Ti、Ba元素中的一种，原子数a的个数介于1～2，原子数b的个数介于1～3，粒径介于0.035～1.2μm。
6.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的碱金属硅酸盐可以是硅酸钾、硅酸锂、硅酸钠中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的高温降失水剂可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酰胺(AM)、马来酸酐(MA)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、丙烯酰胺(AM)、富马酸(FA)聚合物，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与乙烯基吡咯烷酮(VP)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)聚合物中的一种。
8.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的高温缓凝剂可以是2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与丙烯酸(AA)共聚物、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)与衣康酸(IA)共聚物、酒石酸、木质素磺酸盐中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的分散剂可以是磺化甲醛-丙酮缩聚物分散剂、木质素磺酸盐、聚苯乙烯磺酸盐中的一种。
10.根据权利要求1所述的高温固井工作液体系，其特征在于所述的配制高温固井工作液的用水可以是淡水、海水或矿化度水。
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