高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系的制作方法

本發(fā)明涉及油氣井固井水泥外加劑領(lǐng)域，具體涉及一種高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系。

背景技術(shù)：

二氧化碳和硫化氫等酸性氣體作為石油和天然氣生產(chǎn)中的伴生氣或地層水的組份存在于地層中。隨著勘探開發(fā)地不斷深入，越來越多富含酸性氣體的儲(chǔ)層被發(fā)現(xiàn)。眾所周知，這些酸性氣體的腐蝕造成的危害與影響是巨大的。它們會(huì)腐蝕油氣井水泥環(huán)，從而影響其密封效果，當(dāng)井內(nèi)的油、氣、水封隔層被破壞時(shí)，酸性介質(zhì)就會(huì)進(jìn)一步腐蝕套管，進(jìn)而影響油氣井壽命。針對(duì)酸性氣體對(duì)水泥石的腐蝕問題，早在20世紀(jì)80年代中期國內(nèi)外就開始研究，目前已經(jīng)初步形成酸性氣體腐蝕水泥石機(jī)理，并開發(fā)了幾種防腐蝕特種材料，微硅、粉煤灰、礦渣等均可提高水泥石耐腐蝕性能，并對(duì)于長(zhǎng)期防腐效果并不理想。

同時(shí)，天然氣井固井的關(guān)鍵是防止在注水泥和候凝期間發(fā)生氣竄。一旦發(fā)生氣竄，輕則可能表現(xiàn)為不易檢測(cè)的井下層間串通或串槽，使可采油氣層的油氣向不可采油氣層流動(dòng)，質(zhì)量下降，采收率降低，不僅浪費(fèi)寶貴的油氣資源，而且污染地層；重則使井口冒油冒氣，當(dāng)井控失效時(shí)，可能發(fā)生井噴事故，造成重大的財(cái)產(chǎn)和生命損失。氣竄形成后，修補(bǔ)擠水泥井作業(yè)所需的費(fèi)用相當(dāng)高，而且也很難達(dá)到預(yù)期的效果。針對(duì)固井中的氣竄問題，國外研制了不滲透水泥、延緩膠凝水泥、膨脹水泥等。國內(nèi)也有相應(yīng)的spe膨脹劑、膠乳防氣竄劑等，但這些材料往往作用單一，效果并不理想。

雖然在油井水泥的防腐蝕和防氣竄問題上，國內(nèi)外的研究均取得了一定的成效，但仍存在一定的問題，且?guī)缀鯖]有同時(shí)抗侵蝕防氣竄水泥漿的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系，由以下重量份的原料制備而成：

60-80重量份抗侵蝕防氣竄水泥，2-4重量份丁苯膠乳或聚亞胺膠乳或液硅，0.2-2重量份的amps類聚合物降失水劑，0.05-0.2重量份聚羧酸醚酯分散劑，0.1-2重量份無氯鋁酸鹽復(fù)合早強(qiáng)劑，0.1-0.5重量份有機(jī)磷酸鹽緩凝劑，0.1-0.2重量份有機(jī)硅消泡劑，20-30重量份的蒸餾水。

優(yōu)選地，所述抗侵蝕防氣竄水泥由以下重量份的原料制備而成：

40-60重量份apig級(jí)油井水泥，10-20重量份的精細(xì)活性硅粉，0-10重量份的玻璃硅酸鹽人造空心膨化玻璃微珠，5-20重量份的增強(qiáng)材料，5-10重量份抗侵蝕材料，5-10重量份防氣竄材料。

優(yōu)選地，所述增強(qiáng)材料由以下重量份的原料組成：

1-5重量份超細(xì)水泥，5-10重量份火山灰或優(yōu)質(zhì)粉煤灰，1-2重量份煅燒氧化鎂。

優(yōu)選地，所述抗侵蝕材料由以下重量份的原料組成：

2-5重量份碳纖維，2-5重量份超細(xì)礦渣微粉。

優(yōu)選地，所述防氣竄材料由以下重量份的原料組成：

2-5份納米硅，2-5重量份乳膠粉或橡膠粉。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、摻入特種功能材料(堿性增強(qiáng)材料)，使水泥石始終保持適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境，并防止液相酸性介質(zhì)進(jìn)入水泥石內(nèi)部；

2、摻入特殊功能材料，消耗水泥水化產(chǎn)物中易被酸性氣體腐蝕的物質(zhì)(或形成酸凝性致密物質(zhì))，其反應(yīng)產(chǎn)物不影響水泥石的抗壓強(qiáng)度和致密性。選擇加量不少于35％的高純硅粉，以提高高溫下水泥漿的穩(wěn)定性和水泥石的致密性，抑制高溫條件下水泥石強(qiáng)度衰退，保證水泥石具有良好的力學(xué)性能。

3、增加水泥石的致密性，改善水泥石韌性，提高水泥環(huán)與地層的膠結(jié)性能和密封性能，在防腐材料中加入超細(xì)水泥，增加水泥石的致密性，防止二氧化碳等酸性氣體的侵入，達(dá)到較好的防腐效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中腐蝕深度對(duì)比圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中水泥石質(zhì)量變化率對(duì)比圖

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中水泥石體積變化率對(duì)比圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中膠乳對(duì)水泥漿體系降失水性能影響分析。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中靜膠凝強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

以下實(shí)施例中所述抗侵蝕防氣竄水泥由以下重量份的原料制備而成：

40-60重量份apig級(jí)油井水泥，10-20重量份的精細(xì)活性硅粉，0-10重量份的玻璃硅酸鹽人造空心膨化玻璃微珠，5-20重量份的增強(qiáng)材料，5-10重量份抗侵蝕材料，5-10重量份防氣竄材料。

所述增強(qiáng)材料由以下重量份的原料組成：

1-5重量份超細(xì)水泥，5-10重量份火山灰或優(yōu)質(zhì)粉煤灰，1-2重量份煅燒氧化鎂。

所述抗侵蝕材料由以下重量份的原料組成：

2-5重量份碳纖維，2-5重量份超細(xì)礦渣微粉。

所述防氣竄材料由以下重量份的原料組成：

2-5份納米硅，2-5重量份乳膠粉或橡膠粉。

實(shí)施例1

高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系，由以下重量份的原料制備而成：

60重量份抗侵蝕防氣竄水泥，2重量份丁苯膠乳或聚亞胺膠乳或液硅，0.2重量份的amps類聚合物降失水劑，0.05重量份聚羧酸醚酯分散劑，0.1重量份無氯鋁酸鹽復(fù)合早強(qiáng)劑，0.1重量份有機(jī)磷酸鹽緩凝劑，0.1重量份有機(jī)硅消泡劑，20重量份的蒸餾水。

實(shí)施例2

高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系，由以下重量份的原料制備而成：

80重量份抗侵蝕防氣竄水泥，4重量份丁苯膠乳或聚亞胺膠乳或液硅，2重量份的amps類聚合物降失水劑，0.2重量份聚羧酸醚酯分散劑，2重量份無氯鋁酸鹽復(fù)合早強(qiáng)劑，0.5重量份有機(jī)磷酸鹽緩凝劑，0.2重量份有機(jī)硅消泡劑，30重量份的蒸餾水。

實(shí)施例3

高效抗侵蝕防氣竄水泥漿體系，由以下重量份的原料制備而成：

70重量份抗侵蝕防氣竄水泥，3重量份丁苯膠乳或聚亞胺膠乳或液硅，1.1重量份的amps類聚合物降失水劑，0.125重量份聚羧酸醚酯分散劑，1.05重量份無氯鋁酸鹽復(fù)合早強(qiáng)劑，0.3重量份有機(jī)磷酸鹽緩凝劑，0.15重量份有機(jī)硅消泡劑，25重量份的蒸餾水。

實(shí)施例4

防腐材料的選擇

通過防腐理論研究，增強(qiáng)的堿性低密度材料具有較好的防腐功能，利用其自身的堿性成份，使水泥石始終保持適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境，并防止液相酸性介質(zhì)進(jìn)入水泥石內(nèi)部。復(fù)合防腐材料是一種根據(jù)顆粒級(jí)配理論配制的具有水化活性的油井水泥外摻料，它可與國際api標(biāo)準(zhǔn)的各級(jí)油井水泥一起使用，配制出密度為1.27～1.87g/cm³各種不同密度的高性能水泥漿體系。除能顯著提高水泥石強(qiáng)度，降低水泥漿游離液含量，降低水泥石滲透率外，可降低水泥石堿度、提高水泥石的密實(shí)性，從而使水泥石具有抗酸性氣體(co2或h2s)等腐蝕能力。

水泥石腐蝕深度評(píng)價(jià)

從圖中我們可以看出在1.87g/cm³密度下，復(fù)合防腐材料不同加量時(shí)，隨著水泥石養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，腐蝕深度也有不同變化，當(dāng)復(fù)合防腐材料加量為0％時(shí)，水泥石腐蝕深度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥石腐蝕深度也隨之增加，腐蝕深度3個(gè)月最大值達(dá)2.0mm。當(dāng)復(fù)合防腐材料加量為1％，水泥石腐蝕深度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥石腐蝕深度也隨之增加，腐蝕深度3個(gè)月最大值達(dá)1.8mm。當(dāng)復(fù)合防腐材料加量為2％時(shí)，3個(gè)月腐蝕深度為1.3mm。繼續(xù)增加復(fù)合防腐材料，當(dāng)加量為4％時(shí)，3個(gè)月腐蝕深度為1.28mm，從實(shí)驗(yàn)結(jié)論我們可以看出，當(dāng)復(fù)合防腐材料為0％時(shí)，腐蝕深度為2.0mm，使水泥漿與底層之間，水泥漿與套管之間產(chǎn)生腐蝕深度，破壞水泥石與地層和套管之間的膠結(jié)強(qiáng)度，產(chǎn)生腐蝕微間隙，進(jìn)而腐蝕套管。

水泥石質(zhì)量變化率評(píng)價(jià)

根據(jù)co2對(duì)水泥石腐蝕的化學(xué)反應(yīng)理論，co2的碳化腐蝕影響水泥石的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率。據(jù)報(bào)道，新西蘭broadlands油田許多地?zé)峋奶坠苁艿絿?yán)重的co2腐蝕，套管外壁幾乎沒有任何粘附水泥石的痕跡。milerfone等指出：符合api推薦強(qiáng)度和滲透率的水泥，幾個(gè)月內(nèi)受到富含co2流體的嚴(yán)重浸蝕；co2對(duì)水泥石的碳化程度取決于co2介質(zhì)本身的性能及其分壓和相對(duì)濕度等。將高溫的套管及水泥環(huán)柱切開后，發(fā)現(xiàn)水泥石有大量可見的裂縫，水泥石質(zhì)量變化率較大，圖2比較直觀地反映了co2對(duì)水泥石質(zhì)量變化率的影響程度。

從圖中我們可以比較直觀地看出，當(dāng)復(fù)合防腐材料加量小于2％時(shí)，水泥石質(zhì)量變化率大于1％，易發(fā)生腐蝕。當(dāng)復(fù)合防腐材料加量大于2％時(shí)，水泥石質(zhì)量變化率小于1％，具有一定的防腐蝕能力。

水泥石體積變化率評(píng)價(jià)

當(dāng)co2氣體侵入水泥漿后，根據(jù)co2收縮作用，在水化溫度低于80℃時(shí)，純水泥水化時(shí)存在生成鈣礬石-膨脹性組份的反應(yīng)，即

c3a+ch+csh2→鈣礬石

當(dāng)co2存在時(shí)，co2與上述反應(yīng)爭(zhēng)奪ca(oh)2，抑制了鈣礬石的生成，因而造成水泥石的體積收縮，從而誘發(fā)環(huán)空微間隙，形成氣竄通道，最終發(fā)生氣竄現(xiàn)象。見圖3。

結(jié)論：從以上實(shí)驗(yàn)中，可以看出在1.87g/cm³密度下，復(fù)合防腐材料加量為2％時(shí)，隨著水泥石養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，水泥石額腐蝕深度、質(zhì)量變化率、體積收縮率均能滿足防腐要求。

實(shí)施例5

防氣竄材料

固井作業(yè)中發(fā)生氣竄是因?yàn)樵诠叹鳂I(yè)結(jié)束后，在水泥漿候凝過程中，隨著水泥漿靜液柱壓力的緩慢減小于，當(dāng)水泥漿靜液柱壓力小于地層壓力時(shí)，地層氣體上竄，發(fā)生氣竄的可能性隨之增加。

國內(nèi)外目前防止氣竄的有效途徑就是降低水泥漿的失水，在水泥漿靜液柱壓力小于地層壓力的時(shí)候，通過加入防氣竄劑，縮短水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展時(shí)間，以達(dá)到防竄目的。

防氣竄劑性能評(píng)價(jià)

膠乳防氣竄劑是一種丁苯膠乳，使用陰離子型高聚物電解質(zhì)作為膠乳穩(wěn)定劑。以膠乳溶液作為分散相，把水泥分散在膠乳溶液中而形成的膠凝體系，經(jīng)過微濾失后膠乳形成連續(xù)的非滲透膜，可以有效的阻止氣竄的發(fā)生。膠乳防氣竄劑具有低失水、水泥漿流變性能好、防氣竄、高韌性等特點(diǎn)，特別適用于高壓氣井，對(duì)防氣竄具有很好的效果。

水泥漿過渡時(shí)間的評(píng)價(jià)

目前國際上較為通用的判斷水泥漿防氣竄能力的方法，就是評(píng)價(jià)水泥漿過度時(shí)間是否小于15min(水泥漿靜膠凝強(qiáng)度從100lb/100ft--500lb/100ft所需時(shí)間即為度過時(shí)間)。當(dāng)加入膠乳防氣竄劑后，過度時(shí)間縮短為13min，水泥漿體系防氣竄能力明顯提高。靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。