CN107216070B - 高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系，其特征在于，由以下重量份的原料制备而成：60‑80重量份抗侵蚀防气窜水泥，2‑4重量份丁苯胶乳或聚亚胺胶乳或液硅，0.2‑2重量份的AMPS类聚合物降失水剂，0.05‑0.2重量份聚羧酸醚酯分散剂，0.1‑2重量份无氯铝酸盐复合早强剂，0.1‑0.5重量份有机磷酸盐缓凝剂，0.1‑0.2重量份有机硅消泡剂，20‑30重量份的蒸馏水。本发明掺入特种功能材料，使水泥石始终保持适当的碱性环境，并防止液相酸性介质进入水泥石内部；掺入特殊功能材料，保证水泥石具有良好的力学性能；增加水泥石的致密性，改善水泥石韧性，提高水泥环与地层的胶结性能和密封性能。

Description

高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系

技术领域

本发明涉及油气井固井水泥外加剂领域，具体涉及一种高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系。

背景技术

二氧化碳和硫化氢等酸性气体作为石油和天然气生产中的伴生气或地层水的组份存在于地层中。随着勘探开发地不断深入，越来越多富含酸性气体的储层被发现。众所周知，这些酸性气体的腐蚀造成的危害与影响是巨大的。它们会腐蚀油气井水泥环，从而影响其密封效果，当井内的油、气、水封隔层被破坏时，酸性介质就会进一步腐蚀套管，进而影响油气井寿命。针对酸性气体对水泥石的腐蚀问题，早在20世纪80年代中期国内外就开始研究，目前已经初步形成酸性气体腐蚀水泥石机理，并开发了几种防腐蚀特种材料，微硅、粉煤灰、矿渣等均可提高水泥石耐腐蚀性能，并对于长期防腐效果并不理想。

同时，天然气井固井的关键是防止在注水泥和候凝期间发生气窜。一旦发生气窜，轻则可能表现为不易检测的井下层间串通或串槽，使可采油气层的油气向不可采油气层流动，质量下降，采收率降低，不仅浪费宝贵的油气资源，而且污染地层；重则使井口冒油冒气，当井控失效时，可能发生井喷事故，造成重大的财产和生命损失。气窜形成后，修补挤水泥井作业所需的费用相当高，而且也很难达到预期的效果。针对固井中的气窜问题，国外研制了不渗透水泥、延缓胶凝水泥、膨胀水泥等。国内也有相应的SPE膨胀剂、胶乳防气窜剂等，但这些材料往往作用单一，效果并不理想。

虽然在油井水泥的防腐蚀和防气窜问题上，国内外的研究均取得了一定的成效，但仍存在一定的问题，且几乎没有同时抗侵蚀防气窜水泥浆的研究。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系，由以下重量份的原料制备而成：

60-80重量份抗侵蚀防气窜水泥，2-4重量份丁苯胶乳或聚亚胺胶乳或液硅，0.2-2重量份的AMPS类聚合物降失水剂，0.05-0.2重量份聚羧酸醚酯分散剂，0.1-2重量份无氯铝酸盐复合早强剂，0.1-0.5重量份有机磷酸盐缓凝剂，0.1-0.2重量份有机硅消泡剂，20-30重量份的蒸馏水。

优选地，所述抗侵蚀防气窜水泥由以下重量份的原料制备而成：

40-60重量份API G级油井水泥，10-20重量份的精细活性硅粉，0-10重量份的玻璃硅酸盐人造空心膨化玻璃微珠，5-20重量份的增强材料，5-10重量份抗侵蚀材料，5-10重量份防气窜材料。

优选地，所述增强材料由以下重量份的原料组成：

1-5重量份超细水泥，5-10重量份火山灰或优质粉煤灰，1-2重量份煅烧氧化镁。

优选地，所述抗侵蚀材料由以下重量份的原料组成：

2-5重量份碳纤维，2-5重量份超细矿渣微粉。

优选地，所述防气窜材料由以下重量份的原料组成：

2-5份纳米硅，2-5重量份乳胶粉或橡胶粉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、掺入特种功能材料(碱性增强材料)，使水泥石始终保持适当的碱性环境，并防止液相酸性介质进入水泥石内部；

2、掺入特殊功能材料，消耗水泥水化产物中易被酸性气体腐蚀的物质(或形成酸凝性致密物质)，其反应产物不影响水泥石的抗压强度和致密性。选择加量不少于35％的高纯硅粉，以提高高温下水泥浆的稳定性和水泥石的致密性，抑制高温条件下水泥石强度衰退，保证水泥石具有良好的力学性能。

3、增加水泥石的致密性，改善水泥石韧性，提高水泥环与地层的胶结性能和密封性能，在防腐材料中加入超细水泥，增加水泥石的致密性，防止二氧化碳等酸性气体的侵入，达到较好的防腐效果。

附图说明

图1为本发明实施例中腐蚀深度对比图。

图2为本发明实施例中水泥石质量变化率对比图

图3为本发明实施例中水泥石体积变化率对比图。

图4为本发明实施例中胶乳对水泥浆体系降失水性能影响分析。

图5为本发明实施例中静胶凝强度与抗压强度曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中所述抗侵蚀防气窜水泥由以下重量份的原料制备而成：

40-60重量份API G级油井水泥，10-20重量份的精细活性硅粉，0-10重量份的玻璃硅酸盐人造空心膨化玻璃微珠，5-20重量份的增强材料，5-10重量份抗侵蚀材料，5-10重量份防气窜材料。

所述增强材料由以下重量份的原料组成：

1-5重量份超细水泥，5-10重量份火山灰或优质粉煤灰，1-2重量份煅烧氧化镁。

所述抗侵蚀材料由以下重量份的原料组成：

2-5重量份碳纤维，2-5重量份超细矿渣微粉。

所述防气窜材料由以下重量份的原料组成：

2-5份纳米硅，2-5重量份乳胶粉或橡胶粉。

实施例1

高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系，由以下重量份的原料制备而成：

60重量份抗侵蚀防气窜水泥，2重量份丁苯胶乳或聚亚胺胶乳或液硅，0.2重量份的AMPS类聚合物降失水剂，0.05重量份聚羧酸醚酯分散剂，0.1重量份无氯铝酸盐复合早强剂，0.1重量份有机磷酸盐缓凝剂，0.1重量份有机硅消泡剂，20重量份的蒸馏水。

实施例2

高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系，由以下重量份的原料制备而成：

80重量份抗侵蚀防气窜水泥，4重量份丁苯胶乳或聚亚胺胶乳或液硅，2重量份的AMPS类聚合物降失水剂，0.2重量份聚羧酸醚酯分散剂，2重量份无氯铝酸盐复合早强剂，0.5重量份有机磷酸盐缓凝剂，0.2重量份有机硅消泡剂，30重量份的蒸馏水。

实施例3

高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系，由以下重量份的原料制备而成：

70重量份抗侵蚀防气窜水泥，3重量份丁苯胶乳或聚亚胺胶乳或液硅，1.1重量份的AMPS类聚合物降失水剂，0.125重量份聚羧酸醚酯分散剂，1.05重量份无氯铝酸盐复合早强剂，0.3重量份有机磷酸盐缓凝剂，0.15重量份有机硅消泡剂，25重量份的蒸馏水。

实施例4

防腐材料的选择

通过防腐理论研究，增强的碱性低密度材料具有较好的防腐功能，利用其自身的碱性成份，使水泥石始终保持适当的碱性环境，并防止液相酸性介质进入水泥石内部。复合防腐材料是一种根据颗粒级配理论配制的具有水化活性的油井水泥外掺料，它可与国际API标准的各级油井水泥一起使用，配制出密度为1.27～1.87g/cm³各种不同密度的高性能水泥浆体系。除能显著提高水泥石强度，降低水泥浆游离液含量，降低水泥石渗透率外，可降低水泥石碱度、提高水泥石的密实性，从而使水泥石具有抗酸性气体(CO₂或H₂S)等腐蚀能力。

水泥石腐蚀深度评价

从图中我们可以看出在1.87g/cm³密度下，复合防腐材料不同加量时，随着水泥石养护时间的增长，腐蚀深度也有不同变化，当复合防腐材料加量为0％时，水泥石腐蚀深度随着养护时间的延长，水泥石腐蚀深度也随之增加，腐蚀深度3个月最大值达2.0mm。当复合防腐材料加量为1％，水泥石腐蚀深度随着养护时间的延长，水泥石腐蚀深度也随之增加，腐蚀深度3个月最大值达1.8mm。当复合防腐材料加量为2％时，3个月腐蚀深度为1.3mm。继续增加复合防腐材料，当加量为4％时，3个月腐蚀深度为1.28mm，从实验结论我们可以看出，当复合防腐材料为0％时，腐蚀深度为2.0mm，使水泥浆与底层之间，水泥浆与套管之间产生腐蚀深度，破坏水泥石与地层和套管之间的胶结强度，产生腐蚀微间隙，进而腐蚀套管。

水泥石质量变化率评价

根据CO₂对水泥石腐蚀的化学反应理论，CO₂的碳化腐蚀影响水泥石的微观结构、孔隙率。据报道，新西兰Broadlands油田许多地热井的套管受到严重的CO₂腐蚀，套管外壁几乎没有任何粘附水泥石的痕迹。Milerfone等指出：符合API推荐强度和渗透率的水泥，几个月内受到富含CO₂流体的严重浸蚀；CO₂对水泥石的碳化程度取决于CO₂介质本身的性能及其分压和相对湿度等。将高温的套管及水泥环柱切开后，发现水泥石有大量可见的裂缝，水泥石质量变化率较大，图2比较直观地反映了CO₂对水泥石质量变化率的影响程度。

从图中我们可以比较直观地看出，当复合防腐材料加量小于2％时，水泥石质量变化率大于1％，易发生腐蚀。当复合防腐材料加量大于2％时，水泥石质量变化率小于1％，具有一定的防腐蚀能力。

水泥石体积变化率评价

当CO₂气体侵入水泥浆后，根据CO₂收缩作用，在水化温度低于80℃时，纯水泥水化时存在生成钙矾石-膨胀性组份的反应，即

C₃A+CH+CSH₂→钙矾石

当CO₂存在时，CO₂与上述反应争夺Ca(OH)₂，抑制了钙矾石的生成，因而造成水泥石的体积收缩，从而诱发环空微间隙，形成气窜通道，最终发生气窜现象。见图3。

结论：从以上实验中，可以看出在1.87g/cm³密度下，复合防腐材料加量为2％时，随着水泥石养护时间的增长，水泥石额腐蚀深度、质量变化率、体积收缩率均能满足防腐要求。

实施例5

防气窜材料

固井作业中发生气窜是因为在固井作业结束后，在水泥浆候凝过程中，随着水泥浆静液柱压力的缓慢减小于，当水泥浆静液柱压力小于地层压力时，地层气体上窜，发生气窜的可能性随之增加。

国内外目前防止气窜的有效途径就是降低水泥浆的失水，在水泥浆静液柱压力小于地层压力的时候，通过加入防气窜剂，缩短水泥浆的静胶凝强度发展时间，以达到防窜目的。

防气窜剂性能评价

胶乳防气窜剂是一种丁苯胶乳，使用阴离子型高聚物电解质作为胶乳稳定剂。以胶乳溶液作为分散相，把水泥分散在胶乳溶液中而形成的胶凝体系，经过微滤失后胶乳形成连续的非渗透膜，可以有效的阻止气窜的发生。胶乳防气窜剂具有低失水、水泥浆流变性能好、防气窜、高韧性等特点，特别适用于高压气井，对防气窜具有很好的效果。

水泥浆过渡时间的评价

目前国际上较为通用的判断水泥浆防气窜能力的方法，就是评价水泥浆过度时间是否小于15min(水泥浆静胶凝强度从100lb/100ft--500lb/100ft所需时间即为度过时间)。当加入胶乳防气窜剂后，过度时间缩短为13min，水泥浆体系防气窜能力明显提高。静胶凝强度试验结果如图5所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.高效抗侵蚀防气窜水泥浆体系，其特征在于，由以下重量份的原料制备而成：

60-80重量份抗侵蚀防气窜水泥，2-4重量份丁苯胶乳或聚亚胺胶乳或液硅，0.2-2重量份的AMPS类聚合物降失水剂，0.05-0.2重量份聚羧酸醚酯分散剂，0.1-2重量份无氯铝酸盐复合早强剂，0.1-0.5重量份有机磷酸盐缓凝剂，0.1-0.2重量份有机硅消泡剂，20-30重量份的蒸馏水；

所述抗侵蚀防气窜水泥由以下重量份的原料制备而成：

40-60重量份API G级油井水泥，10-20重量份的精细活性硅粉，0-10重量份的玻璃硅酸盐人造空心膨化玻璃微珠，5-20重量份的增强材料，5-10重量份抗侵蚀材料，5-10重量份防气窜材料；

所述增强材料由以下重量份的原料组成：

1-5重量份超细水泥，5-10重量份火山灰或优质粉煤灰，1-2重量份煅烧氧化镁；

所述抗侵蚀材料由以下重量份的原料组成：

2-5重量份碳纤维，2-5重量份超细矿渣微粉；

所述防气窜材料由以下重量份的原料组成：

2-5份纳米硅，2-5重量份乳胶粉或橡胶粉。