CN107760288A

CN107760288A - 中高温井固井用气体膨胀剂及其应用

Info

Publication number: CN107760288A
Application number: CN201610696723.9A
Authority: CN
Inventors: 李鹏晓; 孙富全; 曾建国; 刘爱萍; 邹建龙; 席方柱; 王翀; 谢飞燕
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Offshore Engineering Co Ltd; Tianjin CNPC Boxing Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Offshore Engineering Co Ltd; Tianjin CNPC Boxing Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-03-06

Abstract

本发明公开了一种中高温井固井用气体膨胀剂及其应用，属于油田完井技术固井领域所用的水泥外加剂技术领域。该气体膨胀剂包括：20～30重量份的发气剂，5～10重量份的发气助剂，0.5～1.0重量份的泡沫稳定剂，以及40～90重量份的填料；所述发气剂选自N，N’‑二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸钡、4，4’‑氧代双苯磺酰肼以及对甲苯磺酰肼中的至少一种；所述发气助剂选自尿素、苯甲酸钠、氧化锌、氧化铝以及氧化铅中的至少一种。该气体膨胀剂可满足循环温度为80～120℃的现场固井施工要求，有效补偿水泥石凝固过程中的压力损失和体积收缩，改善水泥石胶结质量，提高防气窜能力。

Description

中高温井固井用气体膨胀剂及其应用

技术领域

本发明涉及油田完井技术固井领域所用的水泥外加剂技术领域，特别涉及一种中高温井固井用气体膨胀剂及其应用。

背景技术

在油井固井施工中，水泥环与地层、套管间的良好胶结是实现有效层间封隔的基础。如果界面胶结不良，将会影响油井正常生产和后续增产措施的实施。水泥环体积收缩是造成层间封隔不良或窜流的主要原因之一。现已证实只要界面处有10μm的微间隙就会引发气窜，而微间隙在50～70μm时，就会导致固井质量不合格。随着油气勘探的深入进行，国内塔里木油田、西南油气田等高压天然气井钻井数量不断增加，固井后气窜、井口冒气带压等现象时常发生。为了提高水泥石界面胶结能力，减少环空气窜风险，通常在油井水泥中添加膨胀剂。

常用的膨胀剂材料主要包括两大类，一类为刚性膨胀剂，主要为钙矾石和碱金属氧化物类晶体膨胀剂；另一类为气体膨胀剂，主要利用发气剂生成氢气或氮气作为膨胀源。其中，气体膨胀剂由于其产生气体的特性，相比刚性膨胀剂具有更好的防气窜性能，更适合于天然气井等气窜现象比较严重井的固井作业。中国专利《油井水泥气体膨胀剂》(201510112506.6)、《油井水泥膨胀剂》(200710056711.0)分别报道了两种油井水泥气体膨胀剂，其初始发气温度分别为35℃和38℃。

在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有的油井水泥气体膨胀剂的初始发气温度较低。在夏季高温地区固井施工中，初始发气温度较低的膨胀剂在水泥浆地面混拌时即可反应生成气体，容易发生气体流失导致膨胀率不足。同时，在80℃以上中高温环境下该类膨胀剂发气速率过快、反应速率、发气量均难以控制，其应用受到限制。此外，现有的油井水泥气体膨胀剂会产生少量CO、NH₃等有害气体，影响固井施工安全。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种初始发气温度高、适用于80℃以上中高温井固井，并且不产生有害气体的中高温井固井用气体膨胀剂及其应用。

具体而言，包括以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种中高温井固井用气体膨胀剂，该气体膨胀剂包括：20～30重量份的发气剂，5～10重量份的发气助剂，0.5～1.0重量份的泡沫稳定剂，以及40～90重量份的填料；

所述发气剂选自N，N’-二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸钡、4，4’-氧代双苯磺酰肼以及对甲苯磺酰肼中的至少一种；

所述发气助剂选自尿素、苯甲酸钠、氧化锌、氧化铝以及氧化铅中的至少一种。

进一步地，作为优选，所述发气剂选自4，4’-氧代双苯磺酰肼以及偶氮二甲酰胺的组合、对甲苯磺酰肼以及偶氮二甲酰胺的组合、对甲苯磺酰肼以及N，N’-二亚硝基五次甲基四胺的组合、对甲苯磺酰肼以及偶氮二甲酸钡的组合、N，N’-二亚硝基五次甲基四胺以及偶氮二甲酰胺的组合、或者N，N’-二亚硝基五次甲基四胺以及4，4’-氧代双苯磺酰肼的组合。

进一步地，作为优选，所述发气助剂选自尿素以及氧化锌的组合、尿素以及氧化铅的组合、或者氧化锌以及苯甲酸钠的组合。

进一步地，所述泡沫稳定剂选自十二烷基硫酸钠、α-烯基磺酸钠、聚乙烯醇以及蛋白中的至少一种。

进一步地，所述填料包括：10～30重量份的硅铝质材料填料以及30～60份的钙质材料填料。

进一步地，所述钙质材料填料选自碳酸钙、氧化钙以及硫酸钙中的至少一种。

进一步地，所述硅铝质材料填料选自硅粉、微硅、膨润土以及硅藻土中的至少一种。

第二方面，本发明实施例提供一种本发明实施例第一方面所述的气体膨胀剂在中高温井固井中的应用，其中，所述中高温井的温度为80℃以上。

进一步地，所述中高温井的温度为80℃～120℃。

进一步地，所述气体膨胀剂的添加量占油井水泥干灰质量的2％～5％。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例中，根据油井水泥浆体系呈碱性这一特点，对油井水泥气体膨胀剂中的发气剂和发气助剂的种类以及配比进行优化改进，在碱性条件下，通过发气剂与发气助剂之间的相互配合以及协同作用，使气体膨胀剂的初始发气温度由现有的35℃左右提高至80℃以上，并且在80℃以上的中高温环境下发气速率和发气量均可控。并且，本发明实施例提供的气体膨胀剂中还包括泡沫稳定剂，可使发气剂产生的泡沫均匀稳定的分布于水泥浆体中。此外，本发明实施例提供的气体膨胀剂产生的气体中不含有CO和NH₃等有害气体。综上，本发明实施例中，通过各个组分之间的相互配合以及协同作用，得到了一种与油井水泥及其他外加剂配伍性良好，适用于80℃以上、特别是80℃～120℃中高温井固井用的油井水泥气体膨胀剂，可有效补偿水泥石凝固过程中的压力损失和体积收缩，改善水泥石胶结质量，提高防气窜能力。经测试表明，当本发明实施例提供的气体膨胀剂加量为水泥质量的2.0～5.0％(干灰重量)时、在温度80～120℃、压力0.1～50MPa条件下，水泥石均能有效膨胀，线膨胀率可达0.05～0.15％。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

第一方面，本发明实施例提供了一种中高温井固井用气体膨胀剂，该气体膨胀剂包括：20～30重量份的发气剂，5～10重量份的发气助剂，0.5～1.0重量份的泡沫稳定剂，以及40～90重量份的填料。

其中，发气剂选自N，N’-二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸钡、4，4’-氧代双苯磺酰肼以及对甲苯磺酰肼中的至少一种。

发气助剂选自尿素、苯甲酸钠、氧化锌、氧化铝以及氧化铅中的至少一种。

本发明实施例中，对油井水泥气体膨胀剂中各个组分的种类以及配比进行优化改进，通过各个组分之间的相互配合以及协同作用，得到了一种与油井水泥及其他外加剂配伍性良好，适用于80℃以上、特别是80℃～120℃中高温井固井用的油井水泥气体膨胀剂，可有效补偿水泥石凝固过程中的压力损失和体积收缩，改善水泥石胶结质量，提高防气窜能力。具体来说：

油井水泥浆呈碱性，根据这一特点，本发明实施例中选择N，N’-二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸钡、4，4’-氧代双苯磺酰肼以及对甲苯磺酰肼中的至少一种作为发气剂，同时，以尿素、苯甲酸钠、氧化锌、氧化铝以及氧化铅中的至少一种作为发气助剂，在油井水泥浆的碱性条件下，利用发气助剂改变发气剂的分解温度并调控发气剂的分解速率，从而控制气体膨胀剂的初始发气温度、发气速率以及发气量，使气体膨胀剂的初始发气温度由现有的35℃左右提高至80℃以上。并且，本发明实施例所用的发气剂产生的气体主要为氮气，还有少量的CO₂，不存在有害气体，不影响固井施工安全。

泡沫稳定剂可使发气剂分解产生的氮气泡沫均匀稳定的分布于水泥浆体中，从而有效补偿水泥石收缩产生的微环隙。

填料起到稳定剂和组分调节剂的作用，进一步提高本发明实施例提供的油井水泥气体膨胀剂的综合性能。

进一步地，本发明实施例中，发气剂可以为N，N’-二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸钡、4，4’-氧代双苯磺酰肼以及对甲苯磺酰肼中的一种，也可以为其中两种的组合，还可以为三种或者三种以上的组合，其中，较为优选的发气剂的组成可以为：4，4’-氧代双苯磺酰肼以及偶氮二甲酰胺的组合、对甲苯磺酰肼以及偶氮二甲酰胺的组合、对甲苯磺酰肼以及N，N’-二亚硝基五次甲基四胺的组合、对甲苯磺酰肼以及偶氮二甲酸钡的组合、N，N’-二亚硝基五次甲基四胺以及偶氮二甲酰胺的组合、或者N，N’-二亚硝基五次甲基四胺以及4，4’-氧代双苯磺酰肼的组合。

进一步地，本发明实施例中，发气助剂可以为尿素、苯甲酸钠、氧化锌、氧化铝以及氧化铅中的一种，也可以为其中两种的组合，还可以为三种或者三种以上的组合。其中，较为优选的发气助剂的组成可以为：尿素以及氧化锌的组合、尿素以及氧化铅的组合、或者氧化锌以及苯甲酸钠的组合。

进一步地，本发明实施例中，泡沫稳定剂选自十二烷基硫酸钠、α-烯基磺酸钠、聚乙烯醇或者蛋白。其中蛋白可以为茶皂素、皂角苷等，可以单独使用一种泡沫稳定剂，也可以两种或者两种以上的泡沫稳定剂复配使用。

进一步地，本发明实施例中填料具体包括：10～30重量份的硅铝质材料填料以及30～60份的钙质材料填料。其中，硅铝质材料填料和钙质材料填料的重量份数是以本发明实施例中油井水泥气体膨胀剂为基准计算的。其中，钙质材料填料可以为碳酸钙、氧化钙以及硫酸钙中的至少一种，硅铝质材料填料可以为硅粉、微硅、膨润土以及硅藻土中的至少一种。

本发明实施例中，各个组分的重量份数可在限定的范围内任意取值。例如，发气剂的重量份数可以为20份、22份、24份、25份、26份、28份、30份等，发气助剂的重量份数可以为5份、6份、7份、8份、9份、10份等，泡沫稳定剂的重量份数可以为0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、10份等，硅铝质材料填料的重量份数可以为10份、12份、14份、15份、16份、18份、20份、22份、24份、25份、26份、28份、30份等，钙质材料填料的重量份数可以为30份、35份、40份、45份、50份、55份、60份等。

本发明实施例提供的气体膨胀剂在制备时，将发气剂、填料(硅铝质材料以及钙质材料填料)、发气助剂以及泡沫稳定剂按照一定比例在干混设备中混拌十分钟以上即可得到，制备方法简单。

第二方面，本发明实施例提供一种本发明实施例第一方面的气体膨胀剂在中高温井固井中的应用，其中，中高温井的温度是指80℃以上，更进一步地是指80℃～120℃。

本发明实施例提供的气体膨胀剂在使用时，直接在施工现场干混于油井水泥中即可。本发明实施例提供的气体膨胀剂的添加量占油井水泥干灰质量的比例可以根据油井井温进行调节，优选为2％～5％，例如可以为2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％等。施工作业方便，与油井水泥以及其他外加剂相容性良好，对水泥浆综合性能无不利影响。

下面通过具体实验数据对本发明实施例的技术方案做进一步详细说明。

在以下实施例中，所用原料未注明生产厂商及规格者均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供一种适用于80℃～120℃的中高温井固井用油井水泥气体膨胀剂，该气体膨胀剂具体包括：

20重量份的4，4’-氧代双苯磺酰肼、10重量份的偶氮二甲酰胺；

6重量份的尿素、4重量份的氧化锌；

20重量份的微硅、50重量份的碳酸钙；

0.5重量份的茶皂素。

按照上述配比，将各个组分在干混设备中混拌十分钟即得到本实施例的气体膨胀剂。

实施例2

20重量份的对甲苯磺酰肼、10重量份的偶氮二甲酰胺；

5重量份的尿素、5重量份的氧化铅；

20重量份的膨润土、50重量份的碳酸钙；

0.5重量份的α-烯基磺酸钠。

实施例3

15重量份的对甲苯磺酰肼、15重量份的N，N’-二亚硝基五次甲基四胺；

5重量份的氧化锌、5重量份的苯甲酸钠；

30重量份的膨润土、40重量份的碳酸钙；

0.5重量份的α-烯基磺酸钠。

实施例4

15重量份的对甲苯磺酰肼、15重量份的偶氮二甲酸钡；

4重量份的尿素、4重量份的氧化铅；

10重量份的微硅、60重量份的碳酸钙；

0.5重量份的聚乙烯醇。

实施例5

10重量份的N，N’-二亚硝基五次甲基四胺、20重量份的偶氮二甲酰胺；

30重量份的硅粉、40重量份的碳酸钙；

3重量份的氧化铅、2重量份的尿素；

0.5重量份的α-烯基磺酸钠。

实施例6

10重量份的N，N’-二亚硝基五次甲基四胺、20重量份的4，4’-氧代双苯磺酰肼；

3重量份的氧化锌、2重量份的尿素；

30重量份的硅粉、30重量份的碳酸钙；

0.5重量份的十二烷基硫酸钠。

实施例7

本实施例中，将实施例1～6提供的气体膨胀剂添加到油井水泥中，对所得油井水泥的膨胀性能以及综合性能进行测试，从而对实施例1～6提供的气体膨胀剂的性能进行评价。

本实施例中所用的油井水泥浆按照以下方法制备得到：

对于添加实施例1～4提供的气体膨胀剂的油井水泥来说，制备方法如下：按照GBT19139-2012中的水泥浆制备方法，将800g嘉华G级水泥和实施例1～4提供的气体膨胀剂混合均匀，然后均匀混入336g配浆水中。其中，配浆水中降失水剂、缓凝剂以及分散剂的加入量分别为配浆水总质量的5.0％、1.0％～2.5％以及2.0％，气体膨胀剂的添加量与干灰质量的比例如表1所示。

对于添加实施例5～6提供的气体膨胀剂的油井水泥来说，制备方法如下：按照GBT19139-2012中的水泥浆制备方法，将560g嘉华G级水泥、240g硅粉和实施例5～6提供的气体膨胀剂混合均匀，然后均匀混入336g配浆水中。其中，配浆水中降失水剂、缓凝剂以及分散剂的加入量分别为配浆水总质量的5.0％、1.0％～2.5％以及2.0％，气体膨胀剂的添加量与干灰质量的比例如表1所示。

按照API Recommended Practice 10B-5推荐的方法对上述制备得到的油井水泥的膨胀性能进行测定。具体方法为：将水泥浆倒入膨胀环模具中成型，测定膨胀环初始周长，后将膨胀环放在高温高压养护釜中养护24h后，取出测定其周长，最终计算水泥石的膨胀率。测试结果如表1所示。

表1膨胀性能测试结果

从表1数据可以看出，在使用了本发明实施例的气体膨胀剂后，油井水泥石的膨胀率能够达到0.05％以上，膨胀性能良好。

下面，按照按GB/T 19139-2012对以上配方的水泥浆的综合性能进行测试，测试结果如表2所示。

表2水泥浆综合性能结果

通过表2的数据可以看出，在使用了本发明实施例的气体膨胀剂后，在不同气体膨胀剂添加量、不同温度压力条件下，水泥浆浆体都能够保持稳定、失水较小、流变性能良好，水泥石强度较高。

综上，本发明实施例通过对油井水泥气体膨胀剂的各个组分的种类及配比进行优化改进，得到了一种与油井水泥及其他外加剂配伍性良好、对水泥浆综合性能无不利影响、可满足循环温度为80～120℃的现场固井施工要求的油井水泥气体膨胀剂，有效补偿水泥石凝固过程中的压力损失和体积收缩，改善水泥石胶结质量，提高防气窜能力。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种中高温井固井用气体膨胀剂，其特征在于，包括：20～30重量份的发气剂，5～10重量份的发气助剂，0.5～1.0重量份的泡沫稳定剂，以及40～90重量份的填料；

2.根据权利要求1所述的气体膨胀剂，其特征在于，所述发气剂选自4，4’-氧代双苯磺酰肼以及偶氮二甲酰胺的组合、对甲苯磺酰肼以及偶氮二甲酰胺的组合、对甲苯磺酰肼以及N，N’-二亚硝基五次甲基四胺的组合、对甲苯磺酰肼以及偶氮二甲酸钡的组合、N，N’-二亚硝基五次甲基四胺以及偶氮二甲酰胺的组合、或者N，N’-二亚硝基五次甲基四胺以及4，4’-氧代双苯磺酰肼的组合。

3.根据权利要求1或2所述的气体膨胀剂，其特征在于，所述发气助剂选自尿素以及氧化锌的组合、尿素以及氧化铅的组合、或者氧化锌以及苯甲酸钠的组合。

4.根据权利要求1所述的气体膨胀剂，其特征在于，所述泡沫稳定剂选自十二烷基硫酸钠、α-烯基磺酸钠、聚乙烯醇以及蛋白中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的气体膨胀剂，其特征在于，所述填料包括：10～30重量份的硅铝质材料填料以及30～60份的钙质材料填料。

6.根据权利要求5所述的气体膨胀剂，其特征在于，所述钙质材料填料选自碳酸钙、氧化钙以及硫酸钙中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的气体膨胀剂，其特征在于，所述硅铝质材料填料选自硅粉、微硅、膨润土以及硅藻土中的至少一种。

8.权利要求1～7任一项所述的气体膨胀剂在中高温井固井中的应用，其特征在于，所述中高温井的温度为80℃以上。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述中高温井的温度为80℃～120℃。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述气体膨胀剂的添加量占油井水泥干灰质量的2％～5％。