CN105969326A

CN105969326A - 硅酸钠固井前置液

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Publication number: CN105969326A
Application number: CN201610317855.6A
Authority: CN
Inventors: 刘振通; 庄建山; 吴永超; 宋元洪; 党冬红; 郭文猛; 周坚; 张亮
Original assignee: CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Bohai Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2036-05-13
Also published as: CN105969326B

Abstract

本发明公开了一种硅酸钠固井前置液，包括：冲洗液、隔离液和浓度为25～55wt.％的硅酸钠水溶液。该硅酸钠固井前置液在现有固井前置液基础上，加入硅酸钠溶液，利用硅酸钠对硅、铝等氧化物的活化作用，提高固井水泥与套管壁和井壁的胶结强度和抗二氧化碳及硫化氢对套管表面的腐蚀能力；硅酸钠渗入井壁泥饼及松软黏土层，与钙、镁等盐类成分化合，形成硅酸钙、镁等硅凝胶絮凝物，固化疏松黏土层，防止地层泥页岩膨胀坍塌，改善井壁泥饼质量。本发明在保有原前置液的清洁作用外，还能增强水泥壁界面胶结强度，满足固井质量要求。

Description

硅酸钠固井前置液

技术领域

本发明涉及油田固井领域，特别是涉及一种硅酸钠固井前置液。

背景技术

现有油气井固井前置液体系，通常分为水基前置液体系和油基前置液体系，其作用是隔离水泥浆和钻井液，净化井眼环空，冲洗套管壁和井壁，而油基体系实现油基钻井液泥饼由亲油性向亲水性翻转，以满足水泥浆对井眼与套管间环空钻井液的替净封实，保证固井水泥封固质量。而对于低承压能力的疏松地层，裂缝性及砂砾岩地层，固井作业过程中的井下漏失，常规固井前置液体系不能预防和封堵漏失层，导致水泥浆低返。前置液对井眼环空的冲洗、净化能力降低，导致水泥界面胶结强度低，封固质量差，甚至环空窜流，不能满足油气井钻采作业要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种硅酸钠固井前置液，其能有效预防和封堵固井作业过程中地层漏失，在保有原前置液的清洁作用外，还能增强水泥壁界面胶结强度，满足固井质量要求。

为此，本发明的技术方案如下：

一种硅酸钠固井前置液，包括：冲洗液、隔离液和浓度为25～55wt.％的硅酸钠水溶液。

优选，所述冲洗液、隔离液和硅酸钠水溶液的质量百分比为：冲洗液：3～5％、隔离液：3～8％和硅酸钠水溶液25～55％。

优选，为了适应纯砂岩或火成岩地质条件的使用，所述硅酸钠固井前置液体系还包括浓度为15～45wt.％的氯化钙水溶液。

进一步，所述硅酸钠水溶液中含有消泡剂。通常不同性质材料相互混配，要发生不同程度化学反应，会产生一定的气泡和泡沫，为了消除气泡和泡沫，需要使用消泡剂对气泡和泡沫进行消除。

所述冲洗液为应用于水基钻井液中的含表面活性剂的水基冲洗液，或者应用于油基钻井液中的含乳化剂和稀释剂的油基冲洗液。

所述隔离液为清水、或者包括悬浮剂和加重剂的隔离液I。隔离液I通常是由悬浮剂和加重剂配制的具有一定黏性、密度和悬浮能力的浆体，能够携带井壁脱落的泥饼或岩屑，平衡地层压力，隔离水泥浆和其它液体，防止水泥浆污染；其密度以满足平衡地层空隙压力和井壁稳定为界限，可依据要求调节。加重剂通常为重晶石、铁矿粉、石灰及硅粉。

清水作为隔离液时，其作用是隔离硅酸钠溶液和氯化钙溶液、隔离硅酸钠溶液和水泥浆、隔离硅酸钠与加重隔离液，或者隔离氯化钙与水泥浆。

隔离液具有隔离水泥浆与钻井液以及前置液中其他组分液体的作用，还能携带井壁脱落的泥饼及其不规则井段存留的岩屑作用，避免造成固相堆积，导致环空堵塞。

本发明是在原有固井前置液基础上，根据不同地层岩性特征，在前置液中段加入一定浓度的硅酸钠溶液，提高对环空套管壁和井壁的清洗能力，利用硅酸钠对硅、铝等氧化物的活化作用，提高固井水泥与套管壁和井壁的胶结强度和抗二氧化碳及硫化氢对套管表面的腐蚀能力；硅酸钠渗入井壁泥饼及松软黏土层，与钙、镁等盐类成分化合，形成硅酸钙、镁等硅凝胶絮凝物，固化疏松黏土层，防止地层泥页岩膨胀坍塌，改善井壁泥饼质量；当固井施工作业中发生井下漏失，硅酸钠与地层中的钙、镁等离子或前置液中设计的氯化钙溶液发生反应，形成钙硅胶絮凝物，沉淀在地层孔隙、裂缝中，对漏失层发挥封堵作用。从而确保固井水泥浆返至预定高度，提高水泥封固质量。

附图说明

图1为实施例1中涉及的纯水泥浆领浆超声波强度曲线；

图2为实施例1中水泥浆+3％硅酸钠超声波强度曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细描述。

实施例中所用原料及外加剂产品来源描述如下：

1、悬浮剂(隔离液)BCS040S、冲洗剂BCS-010L、稀释剂BCS-021L、消泡剂G603、减轻剂BXE-600S、降失水剂BXF-200L、防窜剂BCG-200L均为天津中油工程科技有限公司产品。

2、GW-4悬浮稳定剂，为DRILL PRO CHEMICAL,C.A公司产品；乳化剂为：乙醇丁醚。

实施例1

室内试验：

1)配制冲洗液：冲洗剂BCS-010L：3.5wt.％，余量淡水、

2)配制硅酸钠溶液：淡水：74.7％、硅酸钠：25％、消泡剂G603：0.3％；

3)配制隔离液：淡水、悬浮剂BCS040S：5％、稀释剂BCS-021L：1％、消泡剂G603：0.3％、硅粉加重至1.25g/cm³；

固井水泥浆：“B”级油井水泥、减轻剂BXE-600S：23％、悬浮稳定剂GW-4：0.04％、微硅：5％、降失水剂BXF-200L：3％、防窜剂BCG-200L：3.5％、消泡剂G603：：0.2％

准备：氯化钙:0.3g×3份

室内试验内容及方法：

(1)、前置液常温性能.

表1、常温下前置液流变性

(2)、前置液高温性能(70℃试验条件)。

表2 70℃常温下前置液流变性

(3)、在温度70℃、压力21MPa实验条件下，水泥浆性能

表3 水泥浆性能

(4)硅酸钠水溶液与钙离子絮凝实验：分别取清水、冲洗液和25％硅酸钠水溶液各30mL，称量3份0.3g CaCl₂，在室温条件下，依次加入3种溶液中并用玻璃棒搅拌5min观察，可以看到：CaCl₂在清水中完全溶解，液体透明，CaCl₂在3.5％BCS-010L冲洗剂(天津中油渤星工程科技有限公司生产)；中也完全溶解，液体略浑浊，CaCl₂在25％硅酸钠水溶液中迅速形成乳白色絮凝状物体，静止5min后观察，量筒底部沉淀絮状物5mL。将量筒放入常压稠化仪内，升温至70℃搅拌10min观察，以上3种溶液状态无明显变化。类推，硅酸钠溶液与泥岩地层中的CaCl_2、MgCl₂等盐类化合物成分反应，可生成硅酸钙、硅酸镁等硅酸盐类凝胶物质，渗入井壁泥饼及地层孔隙裂缝中，提高井壁泥饼强度，防止泥页岩吸水膨胀，提高井筒稳定性，提高井筒承压能力；在絮凝、沉淀、胶结充填作用下，能封堵泥页岩裂缝和地层孔隙，发挥防漏、堵漏作用。

化学反应方程式Na₂·nSiO₃·H₂O+CaCl₂→CaSiO₃↓+2NaCl+H₂O

(5)硅酸钠溶液提高水泥胶结强度实验：在水泥浆及加入3％硅酸钠搅拌均匀后做超声波强度实验。结果见图1、图2和表4。

表4 加入硅酸钠前、后的水泥浆强度对比

从图1、图2和表4看出，加入硅酸钠的水泥浆强度高于纯水泥浆同期强度，24h纯水泥浆强度为7.78MPa，而加入硅酸钠的水泥浆24h强度为10.15MPa。分析认为，硅酸钠是SiO₂、Al₂O₃等氧化物的活化剂，具有提高其活性作用。高温井、热采井固井水泥浆，为了提高水泥石的抗高温强度衰减能力和水泥浆的稳定性，需加入30～45％的硅粉及3～10％的微硅。硅粉、微硅其成分均为SiO₂，且油井水泥的基本成分为Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃及CaO等氧化物。硅酸钠溶液应用到固井前置液体系中，吸附在井壁和套管壁上的硅酸钠可加快水泥的水化反应和强度发展，从而提高了水泥界面胶结强度。

(6)清洗能力实验：取钻井现场密度为1.17g/cm³的钻井液，按API标准做失水，取泥饼膜在硅酸钠溶液内浸泡10s至滤纸湿透称重。将泥饼膜固定在旋转黏度计外转筒上，样品杯内装入硅酸钠溶液，上移样品杯至泥饼膜全部浸泡在溶液内，以200r/min的转速(相当于液体在环空的返速为0.43m/s)，旋转10min取出观察。冲洗前泥饼虚厚，表面疏松；冲洗后泥饼变薄，泥饼致密坚硬，紧密依附在滤纸表面，触摸泥饼膜光滑细腻。泥饼膜冲洗前为3.44g，减去滤纸湿重0.75g，泥饼净重为2.69g；在25％硅酸钠溶液中，以200r/min的转速冲洗10min后称重为2.69g。减去滤纸湿重0.75g，泥饼净重为1.94g。冲洗前、后泥饼重量差为0.75g，泥饼清除率为28％。同样方法，用普通冲洗液或隔离液，做冲洗实验，称重和目视观察，去污效果均低于硅酸钠溶液。由此推断，硅酸钠溶液有较强的泥饼分散和清污能力。

(7)硅酸钠对金属的防腐保护实验：取玻璃容器装入适量硅酸钠溶液，将￠25铁棒放入容器内，浸泡5min取出，在空气中停放5min，待水分蒸发掉观察，铁棒浸泡过的部分，有微微一层致密光滑薄膜，用手触摸光滑细腻。

分析：硅酸钠溶液属于碱性材料，有较强的耐酸、耐温性能，可中和地层中的H₂S和CO₂等酸性流体；附着在套管金属表面，形成致密高强度防渗膜，可对井下套管起到较好的防腐保护作业。同时，这层硅酸钠薄膜，可以加快界面水泥的化合反应，促进强度发展，提高界面胶结强度和质量。

(8)硅酸钠溶液与隔离液、水泥浆70℃条件下相容性实验.

表5 70℃条件下相容性

从表5中的流变值和稠化时间对比可以看出，水泥浆混入硅酸钠溶液后，流变性明显变差，稠化时间急剧缩短。硅酸钠溶液对水泥浆的促凝增稠作用，使固井作业存在安全风险。因此，硅酸钠溶液必须与水泥浆进行有效隔离，避免水泥浆污染增稠或稠化时间缩短，导致固井工程事故。

实施例2

正常地质条件下，以改善水泥界面胶结为主，兼顾防漏的前置液体系。

1)配制固井冲洗液：淡水、冲洗剂G603：3.5％；

3)配制加重隔离液：淡水、悬浮剂BCS040S：5％、稀释剂BCS-021L：1％、消泡剂G603:0.3％、硅粉加重剂加重至1.25g/cm³。

4)配制水泥浆：“B”级油井水泥，硅粉：45％，减轻剂BXE-600S：23％，稳定剂GW-4：0.06％，微硅：8％，降失水剂BXF-200L：3％，防气窜剂BCG-200L：3.5％，消泡剂G603:0.2％

现场按照前置液14m³设计，其中，清洗液3.5m³，占体积比25％；硅酸钠溶液6.5m³，占体积比46.4％；隔离液4m³，占体积比28.6％

相容性试验，混配比＝硅酸钠溶液：隔离液：水泥浆

表6 前置液与水泥浆相容性

此为现场实际使用中的相容性试验结果，从上表中的稠化时间和不同转速下的流变性读值，可以分析出各液体间的相容性较好。

实施例3

又溢又漏复杂地质井下条件，以堵漏为主，兼顾界面胶结的前置液体系。

1)配制冲洗型加重隔离液：清水、悬浮剂BCS040S：5％、冲洗剂BCS-010L：5％、稀释剂：1.5％、消泡剂G603：0.25％，硅粉加重剂加重到平衡地层压力所需密度。

此隔离液为双作用隔离液，兼有冲洗、隔离双重作用，之所以为冲洗型加重隔离液，是因为它在隔离功能的前提下，加入了冲洗剂，同时发挥冲洗作用。

2)配制硅酸钠溶液：清水、硅酸钠55％，密度1.26g/cm³；

3)配制隔离液：清水、悬浮剂BCS040S：5％、稀释剂BCS-021L：1.3％、消泡剂G603：0.25％，硅粉加重剂加重到平衡地层压力所需密度。

现场按前置液13m³设计，其中，清洗液4.5m³，占体积比34.6％；硅酸钠溶液4m³，占体积比30.8％；隔离液4.5m3，占体积比34.6％。

该前置液体系在现场使用效果非常理想。

实施例4

针对砂砾岩、火成岩低压地层以堵漏为主前置液体系

1)配制冲洗液：淡水、冲洗剂BCS-010L：3.5％；

2)配制硅酸钠溶液：清水、硅酸钠55％，密度1.26g/cm³；

3)用清水做隔离液；主要作用是隔离硅酸钠溶液和氯化钙水溶液，防止两者在套管内或在井眼与套管环空进入漏层前接触，发生化学反应絮凝沉淀导致固井施工事故。

4)氯化钙水溶液：清水、氯化钙：45％

5)隔离液：清水、悬浮剂BCS040S：3.5％；

清水加入一定比例悬浮剂做隔离液，是隔离氯化钙与水泥浆，防止两者在施工作业过程中接触，因为氯化钙是水泥浆催凝剂，一旦接触，水泥浆稠化时间将急剧缩短，不能满足施工作业时间要求，将造成严重固井施工事故。之所以要在清水中加入一定比例的悬浮剂，是为了增加清水隔离液黏度，提高其悬浮能力，以便携带井壁脱落的泥饼及井眼内存留的岩屑。

现场按前置液16m³设计，其中，冲洗液3m³，占体积比18.8％；硅酸钠溶液4m³，占体积比25％；清水隔离液2m³，占体积比12.5％；氯化钙水溶2.5m³，占体积比15.6％，隔离液4.5m³，占体积比28.1％。

实施例5

油基钻井液，以提高界面胶结强度为主前置液体系

1)双作用加重隔离液：清水，冲洗剂BCS-010L:5％，稀释剂BCS-021L：1.5％，悬浮剂BCS040S：6％，消泡剂G603：0.25％，硅粉加重至设计密度；

双作用加重隔离液，其主要是发挥隔离和冲洗双重作用，同时，兼顾井下压力平衡功能。目的在于隔离钻井液和油基冲洗液，以保持油基冲洗液尽可能高的纯洁，提高对井壁油基泥饼由亲油性向亲水性的翻转能力。

2)配制油基冲洗液：柴油：82.5％，二甲苯溶剂：10％，乳化剂BUTILGLICOL(委内瑞拉当地购买的一种乙醇丁醚乳化剂)：4％，冲洗剂BCS-010L：3.5％

3)配制水基冲洗液：淡水、冲洗剂BCS-010L：3.5％；

4)配制硅酸钠溶液：清水、硅酸钠40％；

5)隔离液：清水、悬浮剂BCS040S：5％，消泡剂G603：0.25％，硅粉加重至设计密度；

用隔离液：4m³，占体积比20％；油基冲洗液：3.5m³，占体积比17.5％；水基冲洗液3m³，占体积比15％；硅酸钠溶液3.5m³，占体积比17.5％；隔离液6m³，占体积比30％。

以下针对本发明的原理进行简单陈述。

应用于水基钻井液中的含表面活性剂的水基冲洗液，依据套管与井眼环空单位容积和井下条件，确定冲洗段长度，冲洗净化井壁和套管壁，隔离钻井液和硅酸钠溶液，保证硅酸钠溶液的有效浓度。

应用于油基钻井液中的含乳化剂和稀释剂的油基冲洗液，其成分为以柴油为基液，加入一定浓度乳化剂、稀释溶解剂的溶液。实现井壁泥饼亲油性向亲水性的翻转，利于水泥界面胶结。依据套管与井眼环空容积和井下条件，通常冲洗段长设计为50～150m。

硅酸钠溶液，依据井下条件和地层岩性特征，通常配制为25～55％浓度的硅酸钠水溶解。利用硅酸钠的去油污特性冲洗净化两壁；利用对水泥中的硅、铝等氧化物活化作用，提高固井水泥与两界面胶结强度；利用其碱性特征中和地层酸性介质，对套管起到防腐保护作用；利用其与钙、镁等离子成分化合絮凝生成钙、镁等硅胶絮凝物特性，拟制泥页岩膨胀，稳定井壁，改善泥饼致密性和强度，封堵固井施工过程中出现的漏失层。依据套管与井眼环空容积和井下条件，通常应用段长设计为50～150m。

氯化钙溶液，为了适应纯砂岩或火成岩地质条件的使用，其作用为：增加井壁表面和地质漏层空隙内的钙离子含量，利于硅酸钠与钙离子接触，快速形成钙硅胶絮凝沉淀物，发挥稳定井壁、改善泥饼质量、防漏堵漏功效。依据套管与井眼环空容积和井下条件，通常设计段长为30～50m。

清水隔离液，隔离硅酸钠、氯化钙、水泥浆及隔离液，尽可能保持硅酸钠、氯化钙纯度，避免相互间接触，硅酸钠和氯化钙对水泥浆都有强烈的催凝作用，防止提前絮凝或使水泥浆稠化时间缩短，导致施工事故。设计段长为20～50m。

具有悬浮能力和密度的加重隔离液，是由悬浮剂和加重剂配制的一定密度水基浆体。固井作业中携带脱落的泥饼、岩屑，平衡地层压力，稳定井壁，隔离水泥浆和其它液体，防止水泥浆污染。设计段长通常为50～150m。

Claims

1.一种硅酸钠固井前置液，其特征在于包括：冲洗液、隔离液和浓度为25～55wt.％的硅酸钠水溶液。

2.如权利要求1所述硅酸钠固井前置液，其特征在于：所述冲洗液、隔离液和硅酸钠水溶液的质量百分比为：冲洗液：3～5％、隔离液：3～8％和硅酸钠水溶液25～55％。

3.如权利要求1或2所述硅酸钠固井前置液，其特征在于：还包括浓度为15～45wt.％的氯化钙水溶液。

4.如权利要求1所述硅酸钠固井前置液，其特征在于：所述硅酸钠水溶液中含有消泡剂。

5.如权利要求1所述硅酸钠固井前置液，其特征在于：所述冲洗液为应用于水基钻井液中的含表面活性剂的水基冲洗液，或者应用于油基钻井液中的含乳化剂和稀释剂的油基冲洗液。

6.如权利要求1所述硅酸钠固井前置液，其特征在于：所述隔离液为清水、或者包括悬浮剂和加重剂的隔离液I。