CN110951470A - 一种固井用防渗封堵外掺料及防渗封堵水泥浆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固井用防渗封堵外掺料及防渗封堵水泥浆，其中该固井用防渗封堵外掺料包括不溶于水的无机颗粒5～10重量份和不溶于水的有机高分子颗粒1～3重量份，其中：无机颗粒的粒径分布区间为0.1～20μm，有机高分子颗粒分散在水中的粒径分布区间为0.1～3μm。本发明提供的固井用防渗封堵外掺料及防渗封堵水泥浆，对于多种渗透率的岩心均具有很好的封堵效果，且具有良好的稳定性、稠化性能、失水性能、抗压强度及流变性能。

Description

一种固井用防渗封堵外掺料及防渗封堵水泥浆
技术领域
本发明属于油田固井防渗封堵技术领域，具体涉及一种固井用防渗封堵外掺料及防渗封堵水泥浆。
背景技术
防渗封堵技术主要通过提高水泥浆渗流阻力和封堵渗流通道来实现。为解决渗漏地层的固井难题，国内外的专家多年来对堵漏新材料不断的进行探索，研制出了许多新型的堵漏剂，取得了非常好的研究成果，使固井中的防漏堵漏工作取得了较大进步。现有的堵漏材料非常多，按其堵漏的机理和功能可被分为架桥类堵漏材料、快速滤失类堵漏材料、可解堵堵漏材料、化学类堵漏材料、自适应堵漏材料、特殊水泥类堵漏材料和软(硬)塞类堵漏材料等几类。目前对于多孔渗透性地层较为常用且有效的堵漏材料主要有凝胶堵漏材料、胶联水泥体系、触变水泥浆和速凝水泥浆。
凝胶堵漏材料是利用高聚物在界面上的静力、分子间的作用力、化学键力，使化合物在界面处形成粘结而起到堵漏作用，主要分为无机凝胶类堵剂及有机凝胶类堵剂，最常见的无机凝胶类堵剂是各种水泥与石灰等的混合物，是钻井工程最为普遍的一种堵漏材料。有机凝胶类堵剂主要是聚丙烯腈、聚丙烯酰胺或其二者的共聚物。其聚合物可以和无机多价离子或具有双官能团的有机物进行交联而形成吸水性能很好的凝胶。使用时与多种材料形成稠浆共同泵入井底，在地底漏失层间形成粘弹体固化以达到堵漏的目的。
BJ服务公司(BJ Services Company)研制出的胶联水泥体系，是把水泥和压裂液混合在一起作为水泥浆。在井下条件下，这种均质混合物可作为一种线性流体泵入井下。当这种水泥进入漏失带后可迅速凝固形成抗压强度。
触变性水泥浆是在注入顶替过程中是稀的流体，泵送停止后则迅速形成具有刚性、能自身支持的胶凝结构，从而可以解决漏失问题。
速凝性水泥浆主要采用速凝剂，缩短水泥浆稠化时间，使水泥浆进入漏失地层后能快速固化，有效停留并能形成强度较高的固化体，减少泥浆漏失，进而使封堵率得到提高。
总体而言，国内外对防渗堵漏材料在固井工程中的应用做了大量的研究工作，取得了较大进步。但是，各种封堵材料和水泥浆体系也存在一定的缺点，比如多数堵漏材料中含有纤维类、凝胶类材料，易影响水泥浆的流变性能，难以泵送，需要增加施工工序；而缩短稠化时间等措施会影响施工安全，存在一定隐患；此外大多防渗堵漏材料并不能充分解决渗漏问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种固井用防渗封堵外掺料，该固井用防渗封堵外掺料使防渗封堵水泥浆具有良好的稳定性、稠化性能、失水性能、抗压强度和流变性能，并对多种渗透率的岩心均具有良好的封堵性能。
本发明提供上述固井用防渗封堵外掺料的制备方法，其具有配制工艺简单、施工方便的特点。
本发明提供一种防渗封堵水泥浆，由于包含上述固井用防渗封堵外掺料，因此具有良好的稳定性、稠化性能、失水性能、抗压强度及流变性能，并对多种渗透率的岩心均具有良好的封堵性能。
本发明还提供上述防渗封堵水泥浆在油井固井中的应用。
为实现上述目的，本发明所提供的固井用防渗封堵外掺料，包括不溶于水的无机颗粒5～10重量份和不溶于水的有机高分子颗粒1～3重量份，其中：无机颗粒的粒径分布区间为0.1～20μm，有机高分子颗粒的粒径分布区间为0.1～3μm。
本发明所提供的固井用防渗封堵外掺料，是基于渗透性地层的水窜机理及紧密堆积原理，通过优选颗粒尺寸合适的无机颗粒和有机高分子颗粒，并按照特定比例配制，同时还利用了无机颗粒与有机高分子之间的“软硬结合”，最终使该固井用防渗封堵外掺料在用于水泥浆时，具有良好的稳定性、稠化性能、失水性能、抗压强度及流变性能，并对多种渗透率的岩心均具有良好的封堵性能，因此，加入了该固井用防渗封堵外掺料的水泥浆尤其能够有效封堵渗透性地层，降低固井二界面(固井水泥环与地层之间的胶结面)的表观渗透率，从而减小地层向环空的水窜量。
上述无机颗粒具体可以选自碳化硅、二氧化钛、二氧化锆、硅酸镁及硅藻土等中的一种或两种以上混合物。该无机颗粒不溶于水，即分散在水中完全或几乎不会电离形成相应的阴、阳离子，使其在用于水泥浆中时仍旧能够保持原有的粒径；且上述无机颗粒具有相对较高的硬度。
进一步的，在本发明具体实施过程中，通常选择粒径分布区间为0.1～20μm，且90％以上颗粒粒径分布在1～10μm范围内的无机颗粒，即粒径为1～10μm的无机颗粒体积之和为无机颗粒总体积的90％以上，从而能够与有机高分子形成更好的级配。
具体的，上述有机高分子颗粒尤其可以选自两种以上单体的共聚物，比如苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-丙烯酸三元共聚物等中的一种或两种以上混合物。
上述有机高分子颗粒不溶于水，在水中分散后完全或几乎不会发生溶胀，使其在用于水泥浆中时，仍旧能够保持原有的粒径。本发明中所指的有机高分子颗粒的粒径，指的是该有机高分子颗粒在水中分散后所测得的粒径；且上述有机高分子颗粒具有相对较低的硬度。
合理控制固井用防渗封堵外掺料的粒径分布，有利于使其具有更佳的封堵性能。一般通过合理选择无机颗粒和有机高分子颗粒的粒径和质量配比，以使最终得到的固井用防渗封堵外掺料中，粒径小于3μm的颗粒所占体积比为50％～85％(即粒径小于3μm的颗粒体积之和占整体固井用防渗封堵外掺料总体积的百分比为50％～85％)；粒径为3μm～6μm的颗粒所占体积比为10％～50％；粒径大于6μm的颗粒，比如粒径大于6μm且小于等于10μm的颗粒所占体积比为5～20％。
可以理解，根据尺寸匹配性的一般规律和紧密堆积原理，进一步合理控制固井用防渗封堵外掺料的中值粒径(或称为中位径)，使其对于相应孔径的渗透性地层具有良好的封堵效果。在本发明具体实施过程中，通常控制该固井用防渗封堵外掺料的中值粒径为1～3μm，最好该固井用防渗封堵外掺料相对于1～3μm呈正态分布或近似正态分布，从而使该固井用防渗封堵外掺料在用于水泥浆时，能够有效进入4～6μm的渗透性地层孔隙中形成有效封堵。
特别是，上述无机颗粒尤其可以选自碳化硅、二氧化钛、二氧化锆、硅酸镁及硅藻土等中的两种或更多种；上述有机高分子颗粒尤其可以选自苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-丙烯酸三元共聚物等中的两种或更多种，以进一步实现密堆积并保证“软硬结合”，确保形成有效封堵。
本发明还提供上述固井用防渗封堵外掺料的制备方法，包括：将无机颗粒和有机高分子颗粒按比例混合，得到固井用防渗封堵外掺料。
在本发明具体实施过程中，可以首先将上述无机颗粒和有机高分子颗粒按比例混合，然后将得到的固井用防渗封堵外掺料以及固井水泥、水等组分混合均匀，得到防渗封堵水泥浆。或者，也可以将上述无机颗粒和有机高分子颗粒与固井水泥、水等组分混合均匀，得到防渗封堵水泥浆。
本发明还提供一种防渗封堵水泥浆，包括100重量份的油井水泥、50～65重量份的水、8～15重量份的外加剂以及38～55重量份的外掺料，其中外掺料包括上述固井用防渗封堵外掺料5～15重量份。
具体的，上述油井水泥可以是目前油井固井所常用的油井水泥，比如G级油井水泥。在本发明具体实施过程中，所用的油井水泥为阿克苏G级油井水泥。
上述外加剂，具体可以是目前水泥浆中所常用的外加剂，包括但不限于水泥防气窜剂、水泥缓凝剂、水泥减阻剂、水泥消泡剂和自愈合剂等中的一种或多种。
上述外掺料，除了包括本发明所提供的固井用防渗封堵外掺料外，还包括其它外掺料，比如目前固井水泥所配套常用的外掺料，比如硅粉。在本发明具体实施过程中，防渗封堵水泥浆中的外掺料由硅粉和上述固井用防渗封堵外掺料共同构成，其中硅粉的用量可以与常规用量一致，比如以油井水泥为100重量份计，硅粉的加入量具体可以为30～40重量份，比如35重量份。
上述用于配制防渗封堵水泥浆中所用的水，具体可以是淡水，不做特别限定。
本发明所提供的防渗封堵水泥浆，其可以是按照上述配比将各原料混合均匀得到；也可以根据上述配比，在现有普通水泥浆的基础上进一步加入固井用防渗封堵外掺料、混合均匀后得到。在本发明具体实施过程中，是向购自天津中油渤星工程科技有限公司的基体抗侵自愈合水泥浆体系中加入固井用防渗封堵外掺料，搅拌均匀后得到防渗封堵水泥浆。
本发明还提供上述防渗封堵水泥浆在油井固井中的应用。可以理解，由于上述防渗封堵水泥浆具有良好的稳定性、稠化性能、失水性能、抗压强度及流变性能，并对多种渗透率的岩心均具有良好的封堵性能，因此能够有效降低二界面的表观渗透率，从而减小地层向环空的水窜量。
本发明对该防渗封堵水泥浆如何应用于油井固井不做特别限定，可以按照目前常规固井作业中的施工方式，将配制好的防渗封堵水泥浆泵入漏失地层。
可以理解，由于该防渗封堵水泥浆具有良好的施工性能，因此无需像含纤维类、凝胶类材料的水泥浆施工时增加施工工序，因此还具有施工工序简单、方便的特点。
本发明提供的固井用防渗封堵外掺料，与已有技术相比，其主要优势在于：
1、本发明基于紧密堆积设计了防渗封堵外掺料，并通过有机软颗粒和无机硬颗粒之间的“软硬”配合，从而使该防渗封堵外掺料在用于防渗封堵水泥浆时，能够对模拟渗透性地层典型物性中多种渗透率的人造岩心均具有突出的封堵效果，可使岩心的渗透率下降75％以上，说明该防渗封堵水泥浆能够降低二界面的表观渗透率，从而减小地层向环空的水窜量，解决了渗漏地层的固井难题，其效果远高于普通水泥浆。
2、加入了上述防渗封堵外掺料的防渗封堵水泥浆具有良好的稠化性能、失水性能、沉降稳定性、抗压性能以及流变性能，从而使该防渗封堵水泥浆具有良好的性能，且各项性能完全满足现场施工要求。
同时，也说明了该防渗封堵外掺料的接入，不会影响水泥浆的施工性能，无需增加额外的施工工序。
本发明提供的固井用防渗封堵外掺料的制备方法，具有工艺简单可行的特点，便于现场施工。
本发明提供的防渗封堵水泥浆，能够对多种渗透率的岩心均具有突出的封堵效果，使岩心的渗透率下降75％以上，远高于普通水泥浆；并且该防渗封堵水泥浆还具有良好的稠化性能、失水性能、沉降稳定性、抗压性能以及流变性能，满足各项施工要求，因此能够很好的用于油井固井。
附图说明
图1为本发明实施例1中的固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线；
图2为本发明实施例2中的固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线；
图3为本发明实施例3中的固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线；
图4为本发明实施例4中的固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线；
图5为本发明实施例进行封堵性能评价所用的四组具有不同渗透率的人造岩心照片；
图6为本发明实施例1中的固井用防渗封堵外掺料用于防渗封堵水泥浆时的稠化曲线图；
图7为本发明实施例2中的固井用防渗封堵外掺料用于防渗封堵水泥浆时的稠化曲线图；
图8为本发明实施例3中的固井用防渗封堵外掺料用于防渗封堵水泥浆时的稠化曲线图；
图9为本发明实施例4中的固井用防渗封堵外掺料用于防渗封堵水泥浆时的稠化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种固井用防渗封堵外掺料，各组分及其重量参见表1。其中所用的碳化硅中，粒径为1～10μm的颗粒体积之和占碳化硅总体积的90％以上。
根据表1中的配比，将无机硬颗粒碳化硅与有机软颗粒苯乙烯-丁二烯共聚物按比例充分混拌均匀，即得到固井用防渗封堵外掺料。该固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线具体可参见图1。
表1实施例1的固井用防渗封堵外掺料的组份及重量
种类 组份 重量份
无机硬颗粒 碳化硅 5.0
有机软颗粒 苯乙烯-丁二烯共聚物 1.0
实施例2
一种固井用防渗封堵外掺料，各组分及其重量参见表2。其中在碳化硅与二氧化钛中，粒径为1～10μm的颗粒体积之和占碳化硅与二氧化钛体积之和的90％以上。
表2实施例2的固井用防渗封堵外掺料的组份及重量
Figure BDA0001813625840000071
根据表2中的配比，将上述两种无机硬颗粒与两种有机软颗粒按各自比例充分混拌均匀，即得到固井用防渗封堵外掺料。该固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线具体可参见图2。
实施例3
一种固井用防渗封堵外掺料，各组分及其重量参见表3。其中在碳化硅、二氧化钛、二氧化锆和硅藻土中，粒径为1～10μm的颗粒体积之和占所有硬颗粒体积之和的90％以上。
表3实施例3的固井用防渗封堵外掺料的组份及重量
Figure BDA0001813625840000072
Figure BDA0001813625840000081
根据表3中的配比，将上述四种无机硬颗粒与三种有机软颗粒按各自比例充分混拌均匀，即得到固井用防渗封堵外掺料。该固井用防渗封堵外掺料的粒径分布曲线具体可参见图3。
实施例4
一种固井用防渗封堵外掺料，各组分及重量参见表4。其中在碳化硅、二氧化钛、二氧化锆和硅酸镁中，粒径为1～10μm的颗粒体积之和占所有硬颗粒体积之和的90％以上。
表4实施例4的固井用防渗封堵外掺料的组份及重量
Figure BDA0001813625840000082
根据表4中的配比，将上述四种无机硬颗粒与三种有机软颗粒按各自比例充分混拌均匀，即得到固井用防渗封堵外掺料，其粒径分布曲线具体可参见图4。
以上实施例1-4中所配制的固井用防渗封堵外掺料，以总体积为100％计，粒径为0～3μm(不含边界值)的颗粒所占的体积比为50～85％，粒径为3～6μm的颗粒所占的体积比为10～50％，粒径为6～10μm(不含6μm)的颗粒所占的体积比为5～20％；并且，所配制的固井用防渗封堵外掺料的中位粒径均在1～3μm的范围内。
对实施例1-4中所提供的固井用防渗封堵外掺料进行如下的封堵性能评价和施工性能评价：
1、封堵性能评价
通过研究含防渗封堵材料的水泥浆对模拟渗透性地层典型物性的人造岩心界面表观渗透率的影响，定量评价封堵材料对地层的封堵能力。
岩心准备：制备四组符合渗透性地层典型物性的人造岩心，这四组人造岩心具有不同的渗透率，其渗透率范围分别在0～50mD、100～200mD、300～500mD及700～1000mD，四组人造岩心的照片如图5所示。
将每组人造岩心平均切割为三部分，其中第一部分不做任何处理，第二部分采用普通水泥浆进行封堵，第三部分采用防渗封堵水泥浆进行封堵。采用增压稠化仪模拟井底实际封堵过程，将人造干岩心置于装满水泥浆的增压稠化仪杯中，设置稠化仪程序至60MPa，110℃(典型工况)下保持30min，后取出岩心用水洗净，烘干。
水泥浆组成：普通水泥浆及防渗封堵水泥浆体系的基本配方如下表6所示，普通水泥浆体系为天津中油渤星工程科技有限公司提供的基体抗侵自愈合水泥浆体系，而防渗封堵水泥浆则是在普通水泥浆体系的基础上再添加10％(占水泥质量比)本发明提供的防渗封堵材料。
表6防渗封堵水泥浆及普通水泥浆的基本配方
Figure BDA0001813625840000091
渗透率测试方法：采用CLD-Ⅱ型岩心渗透率测试仪、依照行业标准SY/T5358-2010《储层敏感性流动实验评价方法》对岩心的渗透率进行测试。测试结果见表7。
表7室温条件下普通水泥浆和防渗封堵水泥浆岩芯表观渗透率测试结果
Figure BDA0001813625840000101
从表7中的对比数据可以看出：
实施例1中的防渗封堵外掺料可使岩心的渗透率由9.88mD下降至2.28mD，下降76.9％，而普通水泥浆封堵后岩心的渗透率降低率为10.8％；
实施例2中的防渗封堵外掺料可使岩心的渗透率由125.10mD下降至24.07mD，下降80.8％，而普通水泥浆封堵后岩心的渗透率降低率为26.5％；
实施例3中的防渗封堵外掺料可使岩心的渗透率由370.00mD下降至52.60mD，下降85.8％，而普通水泥浆封堵后岩心的渗透率降低率为13.3％；
实施例4中的防渗封堵外掺料可使岩心的渗透率由855.10mD下降至116.20mD，下降86.4％，而普通水泥浆封堵后岩心的渗透率降低率为8.1％。
由此可见，对于不同渗透率的岩心而言，相对于普通水泥浆，加入了本发明的固井用防渗封堵外掺料后的封堵水泥浆均具有较好的封堵特性，平均可使模拟渗透性地层典型物性的人造岩心的界面表观渗透率下降75％～90％，表明本发明所提供的固井用防渗封堵外掺料封堵材料具有广普的封堵效果，对于多种渗透率的岩心均具有突出的封堵效果，能够很好的用于渗透性地层的封堵，解决渗漏地层的固井难题。
2、施工性能评价
为评价防渗封堵水泥浆体系的现场适应性，依照国标GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》对防渗封堵水泥浆在90至110℃条件下的稳定性、稠化、失水、抗压强度及流变性能进行了考察，防渗封堵水泥浆的配方见表8，实验条件及结果见表9。
表8防渗封堵水泥浆的基本配方
Figure BDA0001813625840000111
表9防渗封堵水泥浆的实验条件及结果
Figure BDA0001813625840000112
根据表9的实验结果，并结合图6至图9的稠化曲线可知，本发明实施例所提供的防渗封堵水泥浆，各项性能完全满足现场施工要求，各温度点的稠化线形均正常，不存在“鼓包”、“包芯”现象，且稠化时间不存在倒挂；各温度点下，游离液全部为零；失水量均为28mL；沉降稳定性良好，均小于0.03g/cm3；24h抗压强度均大于24MPa，110℃条件下能达到29.9MPa。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种固井用防渗封堵外掺料，其特征在于，包括不溶于水的无机颗粒5～10重量份和不溶于水的有机高分子颗粒1～3重量份，其中：所述无机颗粒的粒径分布区间为0.1～20μm，所述有机高分子颗粒的粒径分布区间为0.1～3μm。
2.根据权利要求1所述的固井用防渗封堵外掺料，其特征在于，所述无机颗粒选自碳化硅、二氧化钛、二氧化锆、硅酸镁及硅藻土中的一种或两种以上混合物。
3.根据权利要求1或2所述的固井用防渗封堵外掺料，其特征在于，所述无机颗粒中，粒径为1～10μm的颗粒体积之和为无机颗粒总体积的90％以上。
4.根据权利要求1所述的固井用防渗封堵外掺料，其特征在于，所述有机高分子颗粒包括苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物和苯乙烯-丁二烯-丙烯酸三元共聚物中的一种或两种以上混合物。
5.根据权利要求1-4任一项所述的固井用防渗封堵外掺料，其特征在于，以所述固井用防渗封堵外掺料的总体积为100％计，粒径小于3μm的颗粒所占体积比为50～85％，粒径为3～6μm的颗粒所占体积比为10～50％，粒径大于6μm的颗粒所占体积比为5～20％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的固井用防渗封堵外掺料，其特征在于，所述固井用防渗封堵外掺料的中值粒径为1～3μm。
7.一种权利要求1-6任一项所述的固井用防渗封堵外掺料的制备方法，其特征在于，包括：将所述无机颗粒和有机高分子颗粒按比例混合，得到所述固井用防渗封堵外掺料。
8.一种防渗封堵水泥浆，其特征在于，包括100重量份的油井水泥、50～65重量份的水、8～15重量份的外加剂以及38～55重量份的外掺料；
其中，所述外掺料包括权利要求1-6任一项所述的固井用防渗封堵外掺料5～15重量份。
9.根据权利要求8所述的防渗封堵水泥浆，其特征在于，所述油井水泥为G级油井水泥，所述外加剂选自水泥防气窜剂、水泥缓凝剂、水泥减阻剂、水泥消泡剂和自愈合剂中的一种或多种，所述外掺料中还包括硅粉。
10.权利要求8或9所述的防渗封堵水泥浆在油井固井中的应用。
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