CN108048054B

CN108048054B - 一种固井用弹性流体及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN108048054B
Application number: CN201711464862.XA
Authority: CN
Inventors: 许明标; 李中; 刘和兴; 孟文波; 文华; 由福昌
Original assignee: Yangtze University; CNOOC China Ltd Zhanjiang Branch
Current assignee: Yangtze University; CNOOC China Ltd Zhanjiang Branch
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: CN108048054A

Abstract

本发明提供了一种固井用弹性流体，包括弹性流体A段和弹性流体B段两个部分，弹性流体A段由以下重量份的原料组分制备而成：100份水，0.3～0.6份提切剂，5～15份激活剂，10～100份加重剂；弹性流体B段由以下重量份的原料组分制备而成：50份水，0.3～0.6份提切剂，20～40份弹性体，4～8份乳化分散剂，5～100份加重剂。本发明提供的弹性流体能够在密闭环境中升温，膨胀压力增长趋势较常规的隔离液流体膨胀压力大幅降低；本发明的弹性流体能够满足密闭环境下升温范围0℃～150℃，适用的泥线温度与井底温度的温差范围更广，可用于各级套管环空，而且能保障环空压力增长小于各级套管的最大抗挤毁强度。

Description

一种固井用弹性流体及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种固井用弹性流体及其制备方法和应用。

背景技术

石油天然气开发的生产井中，打通油气流的通道是由多个管柱组成，陆上油气井固井时水泥可返出至井口，各个管柱间环空被水泥封固，而海上油气田多是海底井口，固井作业时水泥浆通常不返出井口，在各个管柱间留下圈闭环空，并充填钻井液。完井后期的生产测试作业中，地层流体产出时，会造成圈闭环空内的流体温度升高，造成环空带压现象。

海上高温井井底温度一般超过120℃，甚至更高，热传递使得圈闭环空中的钻井液温度急剧上升，致使环空压力压力过载，严重时将挤毁或胀裂套管，威胁井筒完整性，给生产作业带来严重的安全隐患。

常规所使用的隔离液多采用油化漂珠隔离液，发明专利CN103351855A提供了一种随温度升高膨胀压力大幅降低的弹性隔离液，该弹性隔离液体系膨胀压力较常规水流体的膨胀压力大幅降低，该体系所述弹性剂加量为40～80份，且密度为0.4～0.6g/cm³，在密闭升温条件，温差从10℃～120℃，压力增长趋势一直小于13～3/8〞N80套管钢的20MPa最小抗挤毁强度，从而可保护套管不被涨损。然而，该弹性液存在一定的缺点和不足：(1)加重密度不适合高比重环空，由于弹性剂核心材料为漂珠，加量为40～80份，加量较大，且密度为0.4～0.6g/cm³，设计仅适用于常规密度环空(1.30g/cm³)，对于高比重环空的使用，密度无法达到要求(高比重环空要求的密度是1.5～1.9g/cm³)；(2)适用温度具有局限性，井底高温段温度超过120℃甚至更高，热传导会显著增大，所涉及的弹性隔离液温度范围具有一定局限性。

发明专利CN105298445A提供了一种减缓油气井环空带压的方法和装置，该减缓油气井的方法和装置主要是提供一个储气罐，罐内充满惰性气体，并将其与油气井的环空相连，能够减缓油气井环空压力急剧上升或降低，降低生产管柱、套管、封隔器、井口设备密封失效泄漏及破裂的可能性。然而，该装置不适用于海上油气井，惰性储气罐装置需要在井口安装且与环空相连，在海底井口该装置可操作性差。

发明内容

针对上述技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种实现井下环空弹性的弹性流体，无需加装任何装置，使用温度范围更广(0℃～150℃)，同时适用于常规比重和高比重环空(密度范围为1.10～1.90g/cm³)；适用于各级环空，可有效防止各级套管因环空压力过高被挤毁，保障井筒完整性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种固井用弹性流体，包括弹性流体A段和弹性流体B段，所述的弹性流体A段由包括以下重量份的原料组分制备而成：100份水，0.3～0.6份提切剂，5～15份激活剂，10～100份加重剂；所述的弹性流体B段包括由以下重量份的原料组分制备而成：50份水，0.3～0.6份提切剂，20～40份弹性体，4～8份乳化分散剂，5～100份加重剂。

优选的，所述弹性流体A段和弹性流体B段的体积比为1:1.5～3。

优选的，所述弹性流体A段和弹性流体B段中的提切剂独立地为黄原胶、瓜尔豆胶、田菁胶、香豆胶、羟乙基纤维素和高黏聚阴离子纤维素中的一种或几种。

优选的，所述激活剂为二甲基咪唑、二甲胺、间苯二胺和乙二胺中的一种或几种。

优选的，所述弹性体为酚醛环氧树脂、有机硅树脂和甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。

优选的，所述乳化分散剂为十二烷基苯磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、斯潘60、斯潘80和月桂醇中的一种或几种。

优选的，所述弹性流体A段和弹性流体B段中的加重剂独立地为重晶石、石灰石和铁矿粉中的一种或几种。

本发明提供了上述技术方案所述的固井用弹性流体的制备方法，包括如下步骤：

将水、提切剂、激活剂和加重剂混合，得到弹性流体A段；

将水、提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂混合，得到弹性流体B段。

优选的，所述弹性流体A段中各原料组分的加入顺序为：向水中依次加入提切剂、激活剂和加重剂；所述弹性流体B段中各原料组分的加入顺序为向水中依次加入提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂。

本发明提供了上述技术方案所述固井用弹性流体或上述技术方案所述制备方法得到的固井用弹性流体在海上油气井固井中的应用。

本发明提供的弹性流体中，在使用时，弹性流体A段中的激活剂激发弹性流体B段中的弹性体产生缩合反应，使弹性流体的原有体积收缩1/3～2/3，即使后期温度升高超过120℃甚至更高，收缩体积部分仍然可以弥补液体受热膨胀的体积，使得环空压力升幅维持在10MPa以下。

海上高温井井底温度一般超过120℃，甚至更高，热传递使得圈闭环空中的钻井液温度急剧上升，致使环空压力压力过载，严重时将挤毁或胀裂套管，威胁井筒完整性。本发明提供的弹性流体，能够在密闭环境中升温，膨胀压力增长趋势为温度升高10℃，压力上涨1～1.5MPa，相比于常规的隔离液流体的膨胀压力增长趋势(温度升高10℃，压力上涨3～8MPa)，本发明提供的弹性流体膨胀压力增长趋势大幅降低，使得环空压力增长趋势缓慢，保护套管和井筒的完整性；本发明的弹性流体能够满足密闭环境下升温范围0℃～150℃，适用的泥线温度与井底温度的温差范围更广，可用于海上油气井表层套管与技术套管环空、技术套管与生产套管环空，而常规的隔离液流体温度仅能够满足密闭环境升温10℃～120℃范围；本发明的弹性流体能保障环空压力增长低于10MPa，该数值小于各级套管的最大抗挤毁强度20MPa，能够有效避免环空压力挤毁或胀裂套管；本发明所提供的弹性流体配方简易，密度范围为1.10～1.90g/cm³，密度可调，适用于高比重环空，且性能稳定，与钻井液和水泥浆配伍性好。

具体实施方式

本发明提供的固井用弹性流体中，制备弹性流体A段的原料包括重量份数为100份的水。在本发明中，弹性流体A段的水的种类和来源没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体A段包括重量份数为0.3～0.6份的提切剂，优选为0.3～0.5份，更优选为0.4份。在本发明中，弹性流体A段的提切剂为黄原胶、瓜尔豆胶、田菁胶、香豆胶、羟乙基纤维素和高黏聚阴离子纤维素中的一种或几种。在本发明中，提切剂为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体A段包括重量份数为5～15份的激活剂，优选为5～12份，更优选为5～8份。在本发明中，弹性流体A段的激活剂为二甲基咪唑、二甲胺、间苯二胺和乙二胺中的一种或几种。在本发明中，激活剂为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体A段包括重量份数为10～100份的加重剂，优选为10～90份，更优选为30～60份。在本发明中，弹性流体A段的加重剂为重晶石、石灰石和铁矿粉中的一种或几种。在本发明中，加重剂为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。在本发明中，加重剂用于调整弹性流体A段的密度，加重至弹性流体A段的密度范围优选为1.10～1.90g/cm³，更优选为1.30～1.60g/cm³。

本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体B段包括由以下重量份的原料组分制备而成：50份水，0.3～0.6份提切剂，20～40份弹性体，4～8份乳化分散剂，5～100份加重剂。

本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体B段包括重量份数为50份的水。在本发明中，弹性流体B段的水的种类和来源没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体B段包括重量份数为0.3～0.6份的提切剂，优选为0.3～0.5份，更优选为0.4份。在本发明中，弹性流体B段的提切剂为黄原胶、瓜尔豆胶、田菁胶、香豆胶、羟乙基纤维素和高黏聚阴离子纤维素中的一种或几种。在本发明中，提切剂为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体B段包括重量份数为20～40份的弹性体，优选为25～35份，更优选为28～32份。在本发明中，弹性流体B段的弹性体为酚醛环氧树脂、有机硅树脂和甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。在本发明中，弹性体为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体B段包括重量份数为4～8份的乳化分散剂，优选为4～7份，更优选为5～6份。在本发明中，弹性流体B段的乳化分散剂为十二烷基苯磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、斯潘60、斯潘80和月桂醇中的一种或几种。在本发明中，乳化分散剂为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。

以所述水的重量份数为基准，本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体B段包括重量份数为5～100份的加重剂，优选为10～90份，更优选为30～60份。在本发明中，弹性流体B段的加重剂为重晶石、石灰石和铁矿粉中的一种或几种。在本发明中，加重剂为混合物时，各原料组分的比例没有任何限制。在本发明中，加重剂用于调整弹性流体B段的密度，加重至弹性流体B段的密度范围优选为1.10～1.90g/cm³，更优选为1.30～1.60g/cm³。在本发明中，所述弹性流体A段和弹性流体B段的加重密度优选相同。

本发明提供的固井用弹性流体中，弹性流体A段和弹性流体B段的体积比为1:1.5～3，优选为1:1.5～2.5，更优选为1:1.5～2。

将水、提切剂、激活剂和加重剂混合，得到弹性流体A段；

本发明将水、提切剂、激活剂和加重剂混合，得到弹性流体A段。本发明中，所述弹性流体A段中各原料组分的加入顺序优选为：向水中依次加入提切剂、激活剂和加重剂。在本发明中，按照该加入顺序制备弹性流体A段，有效保证了弹性流体的悬浮性和流变性。在本发明中，所述水、提切剂、激活剂和加重剂的混合优选在搅拌条件下进行。在本发明的实施例中，具体是在2000～3000转/分钟的转速下，向水中加入提切剂，继续搅拌15～25分钟；在5000～6000转/分钟的转速下加入激活剂，继续搅拌15～25分钟；在7000～8000转/分钟的转速下加入加重剂，继续搅拌50～70分钟；然后在4000～5000转/分钟转速下搅拌25～30分钟，得到弹性流体A段。在本发明中，将水、提切剂、激活剂和加重剂混合后，在4000～5000转/分钟转速下搅拌25～30分钟，能够有效防止气泡产生，保证弹性流体A段的稳定。

本发明将水、提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂混合，得到弹性流体B段。本发明中，所述弹性流体B段中各原料组分的加入顺序优选为：向水中依次加入提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂。在本发明中，按照该加入顺序制备弹性流体B段，有效保证了弹性流体的悬浮性和流变性。在本发明中，所述水、提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂的混合优选在搅拌条件下进行。在本发明的实施例中，具体是在2000～3000转/分钟的转速下向水中加入提切剂，继续搅拌15～25分钟；在5000～6000转/分钟的转速下加入弹性体，继续搅拌15～25分钟；在5000～6000转/分钟的转速下加入乳化分散剂，继续搅拌30～45分钟；在7000～8000转/分钟的转速下加入加重剂，继续搅拌50～70分钟，然后在4000～5000转/分钟转速下搅拌25～30分钟，得到弹性流体B段。在本发明中，将水、提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂混合后，在4000～5000转/分钟转速下搅拌25～30分钟，能够有效防止气泡产生，保证弹性流体B段的稳定。

本发明提供了上述技术方案所述固井用弹性流体或采用上述技术方案制备得到的固井用弹性流体在海上油气井固井中的应用。在本发明中，所述固井用弹性流体作为固井前置液使用，所述弹性流体A段作为激活段，所述弹性流体B段作为弹性段，分别配制弹性流体A段和弹性流体B段，并分别加重至密度范围为1.10～1.90g/cm³，固井使用时将弹性流体A段和弹性流体B段采用现场混合，在固井车的混浆设备中边混合边泵送入井。

在本发明中，所述弹性流体A段和弹性流体B段优选按照体积比1:1.5～3进行混合，现用现配。在本发明中，所述弹性流体A段和弹性流体B段的混合方式没有限制。

在本发明中，固井结束后，弹性流体停留在水泥浆返高以上的环空段，后期测试生产作业时，井内采出流体热传递使得环空温度升高到80℃时，1h后激活剂可激活弹性体，使其发生缩合反应，其体积将收缩为原有的1/3～2/3，即实现弹性流体的弹性。

下面结合实施例对本发明提供的固井用弹性流体及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

固井用弹性流体按照以下方案制得：以下均按重量份计，

弹性流体A段由以下组分配制：

100份水

0.3份提切剂

5份激活剂

56份加重剂

其制备方法如下：使用高搅浆杯称量100份水，在3000转/分钟的转速下，往水中加入提切剂0.3份，搅拌20min；调整转速为6000转/分钟继续，取5份激活剂加入混合溶液中，搅拌均匀，调整转速为8000转/分钟，加入56份加重剂，搅拌60min后，调整转速4000转/分钟搅拌均匀即可。

弹性流体B段由以下组分配制：

50份水

0.3份提切剂

20份弹性体

4份乳化分散剂

62份加重剂

其制备方法如下：使用高搅浆杯称量50份水，在3000转/分钟的转速下，往水中加入提切剂0.3份，搅拌20min；调整转速为6000转/分钟继续，取20份弹性体缓慢加入混合溶液中，搅拌均匀，继续取4份乳化分散剂加入混合溶液中，搅拌均匀，调整转速为8000转/分钟，加入62份加重剂，搅拌60min后，调整转速4000转/分钟搅拌均匀即可。

将上述制得的弹性流体A段和弹性流体B段按照体积比为1:1.5混合即得弹性流体，得到的弹性流体的密度为1.80g/cm³。

实施例2

弹性流体A段由以下组分配制：

100份水

0.3份提切剂

10份激活剂

39份加重剂

其制备方法与实施例1相同。

弹性流体B段由以下组分配制：

50份水

0.3份提切剂

30份弹性体

6份乳化分散剂

45份加重剂

其制备方法与实施例1相同。

将上述制得的弹性流体A段和弹性流体B段按照体积比为1:2混合即得弹性流体，得到的弹性流体的密度为1.50g/cm³。

实施例3

弹性流体A段由以下组分配制：

100份水

0.3份提切剂

15份激活剂

18份加重剂

其制备方法与实施例1相同。

弹性流体B段由以下组分配制：

50份水

0.3份提切剂

40份弹性体

8份乳化分散剂

23份加重剂

其制备方法与实施例1相同。

将上述制得的弹性流体A段和弹性流体B段按照体积比为1:2.5混合即得弹性流体，得到的弹性流体的密度为1.20g/cm³。

对比例1

一种隔离液，由以下重量份组分配制：

100份水

0.3份提切剂

40份加重剂

采用与实施例1相同的制备方法制备。

对比例2

直接使用海水进行升温模拟实验。

将实施例和对照例中的样品分别置于密闭的环境下测试其随着温度的变化而产生的压力变化情况。

实验方式根据地层温度场冷循环至3℃，模拟井下顶替循环进行阶段性升温实验，第一阶段从3℃升温至60℃，在60℃保持恒温30min；第二阶段继续升温至95℃，在95℃保持恒温30min；第三阶段升温至125℃，在125℃保持恒温30min，最后升温至150℃，在150℃保持恒温30min。分别测试在3℃、65℃、95℃、125℃和150℃时各样品的压力情况。具体结果如下表所示。

升温过程中压力变化实验对比

由上表可以看出，本发明的弹性流体在3℃～150℃的范围内，能有效的减缓膨胀压力增长的趋势，且效果明显。本发明制备的弹性流体，受热初期压力增长与其他类型的隔离液类似，一旦激活产生缩合反应后，使其原有体积收缩1/3～2/3，压力快速下降，即使温度持续升高至150℃，压力增长幅度仍然较小，体现出明显的缓解压力趋势，缩合后减小的体积弥补了液体受热膨胀的体积，使环空压力始终维持在过载水平以下，说明该方法能够缓解各级环空压力升高的趋势，防止各级套管被挤毁，保障井筒完整性。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种固井用弹性流体，包括弹性流体A段和弹性流体B段，所述的弹性流体A段由包括以下重量份的原料组分制备而成：100份水，0.3～0.6份提切剂，5～15份激活剂，10～100份加重剂；所述的弹性流体B段包括由以下重量份的原料组分制备而成：50份水，0.3～0.6份提切剂，20～40份弹性体，4～8份乳化分散剂，5～100份加重剂；

所述激活剂为二甲基咪唑、二甲胺、间苯二胺和乙二胺中的一种或几种；

所述弹性体为酚醛环氧树脂。

2.根据权利要求1所述的固井用弹性流体，其特征在于，使用时，所述弹性流体A段和弹性流体B段的体积比为1:1.5～3。

3.根据权利要求1所述的固井用弹性流体，其特征在于，所述弹性流体A段和弹性流体B段中的提切剂独立地为黄原胶、瓜尔豆胶、田菁胶、香豆胶、羟乙基纤维素和高黏聚阴离子纤维素中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的固井用弹性流体，其特征在于，所述乳化分散剂为烷基芳基磺酸钠、斯潘60、斯潘80和月桂醇中的一种或几种，所述烷基芳基磺酸钠包括十二烷基苯磺酸钠。

5.根据权利要求1所述的固井用弹性流体，其特征在于，所述弹性流体A段和弹性流体B段中的加重剂独立地为重晶石、石灰石和铁矿粉中的一种或几种。

6.权利要求1～5任一项所述的固井用弹性流体的制备方法，包括如下步骤：

将水、提切剂、激活剂和加重剂混合，得到弹性流体A段；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述弹性流体A段中各原料组分的加入顺序为：向水中依次加入提切剂、激活剂和加重剂；

所述弹性流体B段中各原料组分的加入顺序为向水中依次加入提切剂、弹性体、乳化分散剂和加重剂。

8.权利要求1～5任意一项所述的固井用弹性流体或权利要求6～7任意一项所述制备方法得到的固井用弹性流体在海上油气井固井中的应用，应用时，将所述弹性流体A段和弹性流体B段混合。