CN101775273B

CN101775273B - 一种抗高温油气井固井用基液及制备方法和应用

Info

Publication number: CN101775273B
Application number: CN 200910076124
Authority: CN
Inventors: 周仕明; 王其春; 周体秋; 丁士东; 赵艳
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Exploration and Production Research Institute
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Exploration and Production Research Institute
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: CN101775273A

Abstract

本发明涉及一种抗高温油气井固井用基液，属于石油钻井领域。所述基液包含有：100重量份数水、6～20份高分子增粘剂、1～8份表面活性剂、1～8份页岩稳定剂和2～15份高温稳定剂。所述高分子增粘剂选自生物胶、高分子纤维类聚合物中的至少一种；表面活性剂为阴离子表面活性剂；页岩稳定剂为碱土金属盐；高温稳定剂为粘土矿物。将水加热，边搅拌边投入所述各组分，之后保温搅拌即得到pH值为6～9，粘度为40～180mPa·s的基液。将基液与水按1∶(5～10)重量比例稀释，可得冲洗液；将冲洗液加入加重剂可得隔离液。由此得到的隔离液体系耐高温，抗盐性能良好且密度可任意调节，有很广泛的应用范围和前景。

Description

一种抗高温油气井固井用基液及制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种油气井固井用油井外加剂，更进一步地说，是涉及一种抗高温油气井固井用基液及其制备方法和应用。

背景技术

大多数钻井液，不论水基钻井液，还是油基钻井液与水泥浆都是不相容的。在固井施工中，如果水泥浆与钻井液直接接触，钻井液将发生水泥侵，水泥浆相将受到钻井液污染产生粘稠的团块状絮凝物质。因此在油田固井作业中，主要依靠隔离液隔离钻井液和水泥浆，避免水泥浆因钻井液接触污染而提前稠化或絮凝稠化；而且隔离液中的悬浮粒子能够冲蚀、清除絮凝或胶凝在套管壁和井壁上的钻井液和滤饼；有效地控制不稳定地层的垮塌，为弱地层、漏失地层和要求低失水的地层提供缓冲作用；将钻井液在管壁和井壁表面形成的亲油环境转为亲水环境，有效地提高水泥浆在管壁和井壁表面的胶结质量。

隔离液主要用于隔离和塞流驱替钻井液，调整其流动性，可用于紊流顶替。隔离液可分为粘性隔离液和紊流隔离液，用来塞流顶替和紊流顶替。对化学隔离液始于70年代初期，自80年代以来，国内报道了一些适合我国具体情况的隔离液。国内的隔离液体系种类比较少，大多数属于冲洗液，不能加重，起不到隔离作用，不能保持井内压力平衡。而能够加重的隔离液也主要应用在浅井固井，应用温度范围一般不超过90℃，温度再高，隔离液就会失去稳定性，加重剂沉淀，不能保持其密度、塑性粘度和动切力，不能确保钻井液与水泥浆有效隔离，影响对钻井液的顶替效率和水泥环强度。

目前国内粘性隔离液体系普遍存在抗温性能不够，在一些深井应用中，其中的增粘材料在高温下易发生分子链氧化断裂，致使其粘度急剧下降，完全起不到悬浮粒子、冲刷泥饼的作用；或者不适用于盐水体系，在矿化度较高的环境中性能指标急剧下降，也无法达到其隔离液的功效；并且悬浮稳定性能不好，很难达到所要求的密度设计要求。

发明内容：

针对以上现有技术中的问题，为适应油田开发应用的需要，本发明的目的是提供一种可制备耐高温，抗盐性能良好且密度可任意调节的隔离液体系的基液。

本发明的另一目的是提供上述基液的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述基液的应用，即由上述基液制备的耐高温，抗盐性能良好且密度可任意调节的隔离液、冲洗液等。

本发明所述的一种抗高温油气井固井用基液，主要包含有以下组分：a.水、b.高分子增粘剂、c.表面活性剂、d.页岩稳定剂、e.高温稳定剂。

以上所述的水没有特殊的种类限制，可以是自来水，也可以是蒸馏水、地层水、河水等。

以上所述高分子增粘剂主要起增粘作用，选自生物胶(生物高分子聚合物)、高分子纤维类聚合物中的至少一种，优选自黄原胶、高分子纤维素中的至少一种。其中高分子纤维素的分子结构同式如下：

高分子纤维素更优选自羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)中的至少一种。属于高分子纤维类，它们有更好的降失水效果，能使水增粘，减少基液的胶凝或稀薄化。本发明的基液中高分子增粘剂主要起到交联和螯合作用。所述高分子增粘剂以组分a的水为100重量份数计，为6～20份，优选为10～15份。

以上所述表面活性剂为阴离子的表面活性剂，优选自烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的至少一种。阴离子表面活性剂可包围分散的粘土粒子，使之由于静电斥力而不互相聚集，防止固相颗粒沉降和堆积，从而达到清洗井壁油膜和乳化作用，使井内成为水润湿相，有助于水泥与地层和套管胶结。所述表面活性剂以组分a的水为100重量份数计，为1～8份，优选为2～3份。

以上所述页岩稳定剂为碱土金属盐、褐煤中的至少一种，优选自氯化钾、褐煤、硝酸钠、硫酸镁中的至少一种。现有技术中的褐煤的组分参数一般为：水分Mad(％)：7.47～15.39，灰分Ad(％)：9.08～47.80，挥发分Vdaf(％)：43.76～57.88，硫分St，d(％)：0.66～3.90，发热量Qbad(mj/kg)：12.8～22.1。碱土金属盐可起到阻碍造浆作用，使井壁不致于垮塌，同时起到稳定井壁的作用。所述页岩稳定剂以组分a的水为100重量份数计，为1～8份，优选为2～3份。

以上所述高温稳定剂为粘土矿物，优选自膨润土、凹凸棒土中的至少一种。由于此类物质有着很好的吸附和保水性能，因此可以起到减少基液的游离液和失水量的作用，同时也是基液的基础材料。所述表面活性剂以组分a的水为100重量份数计，为2～15份，优选为5～10份。

在以上组分的基础上，本发明所述的抗高温油气井固井用基液的PH值为6～9，优选为7～8；粘度为40～180mPa·s，优选为45～170Pa·s，更优选为60～90mPa·s。

本发明所述的一种抗高温油气井固井用基液的制备方法包括以下步骤：

①将水加热到60～95℃，优选为80～90℃；

②然后边搅拌边按所述量加入所述的高分子增粘剂、高温稳定剂、页岩稳定剂和表面活性剂；

③将所有的材料混合均匀，保温搅拌40分钟～90分钟，优选在40～60分钟，得到所述粘度和PH值的抗高温油气井固井用基液。

现有技术中油气井固井用基液一般可用作冲洗液和隔离液。概括起来，隔离液的主要作用是：隔离钻井液与水泥浆；驱替钻井液，并保持井内压力平衡；而且用作隔离液时要求与钻井液和水泥浆要有很好的相容性；通过加入加重剂可配制成符合不同性能要求的隔离液。本发明的抗高温油气井固井用基液具有一定的塑性粘度和切力，能够用加重剂加重到一定密度，并保持加重剂的悬浮稳定性。冲洗液的作用是：冲洗液具有稀释冲洗钻井液和清洗井壁和套管壁作用。用作冲洗液时，则一般需要密度较低，主要成分为水。本发明的抗高温油气井固井用基液，现场使用时经稀释可做为冲洗液。

具体来讲，将本发明所述的抗高温油气井固井用基液以与水以1∶(5～10)重量比例稀释，可得到抗高温油气井固井用冲洗液，用来稀释冲洗钻井液、清洗井壁和套管壁。此外，冲洗液中还可以加入现有技术的冲洗液中常规加入的微硅、表面活性剂等可以调节粘度的助剂。

隔离液的制备是将本发明所述的抗高温油气井固井用基液以与水以1∶(5～10)重量比例稀释，再加入加重剂，可得到抗高温油气井固井用隔离液。也就是说在配制上述冲洗液的基础上加入加重剂加重，即可得到抗高温油气井固井用隔离液。该隔离液用来驱替钻井液，并保持井内压力平衡。加重剂选自现有技术中常用的加重剂，如重晶石、铁矿粉等，加重剂的量根据实际需要的密度确定，一般重晶石的加入量是稀释后基液重量的80～150％wt，铁矿粉的加入量是稀释后基液重量的100～250％wt。

本发明的抗高温油气井固井用基液制得的隔离液具有以下优点：能够适应120～150℃高温，隔离液密度能够大于1.80g/cm³，塑性粘度大于23mPa·S，动切力大于10Pa；稳定性好，在高温下不会发生沉淀现象；能够使用盐水配置隔离液，例如隔离液中加入占水重5～37％wt的氯化钠(NaCl)，盐加入量的增加对隔离液的流变性能几乎没有影响；与多种钻井液、水泥浆的相容性良好；隔离液在6.9Mpa压差条件下，API标准滤失量小于150ml。

隔离液对提高固井胶结质量起到非常重要的作用，所以本发明抗高温油气井固井用基液制备的隔离液的有很广泛的应用范围和前景：(1)适用温度范围宽30～150℃，适用于浅井、中深井和深井固井；(2)适用于水基钻井液体系和油基钻井液体系；(3)可在多种水质中应用：淡水、盐水、高矿化度水质等；(4)可用于多类固井作业：尾管固井、小井眼固井、定向井固井和水平井固井等。

本发明的抗高温油气井固井用基液制得的冲洗液具有以下优点：冲洗液具有稀释冲洗钻井液和清洗井壁和套管壁作用。用作冲洗液时，则一般需要密度较低，主要成分为水。本发明的抗高温油气井固井用基液，现场使用时经稀释即可做为冲洗液，简单方便。

附图说明

图1是温度为95℃和125℃常压下的抗高温油气井固井用基液(配方见表1中的基液0#)的流变性能曲线。流变性能实验标准见油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的12.6章节。

图中纵坐标是剪切应力T(Pa)，横坐标是剪切速率Shear Rate(1/s)，曲线1的实验温度是95℃，曲线2的实验温度是125℃。从图中可见在352.94/176.47/117.64/58.82/3.53/1.76(1/s)的剪切速率下，剪切应力读数分别为76/53/43/30/11/10(Pa)和61/40/30/22/10/8(Pa)。可以看出：基液在不同温度下的流变性能比较稳定，曲线趋势没有变化，只是随着温度的升高，读数值变小，基液有变稀的趋势。

具体实施方式：

实施例1：

下面结合实施例，进一步说明本发明。

使用加重隔离液的井大都面临封固段短长、上下温差大、盐层或盐膏层等情况，井况复杂。如塔河油田沙105井、T914井等均含有盐膏层，钻井液为欠饱和盐钙基钻井液，完钻时钻井液性能密度1.68g/cm³以上，流变性不好，设计粘性隔离液密度1.78g/cm³。将本发明所述的基液以铁矿粉加重，配浆水为半饱和盐水或者现场水，提前2天在储罐中配制，固井时仍未出现沉降现象，说明悬浮性能良好。其具体配制为：半饱和盐水(浓度15％～18％wt)或现场水稀释基液，其中基液与水的重量比为1∶6，之后加入占稀释后基液100％wt的铁矿粉进行加重。现场复查隔离液与水泥浆、现场泥浆相容性良好。该隔离液体系在新疆地区几口复杂深井进行了实验。隔离液1#、2#、3#所涉及的基液1#、2#、3#的配方见表1，表1中各组分含量的单位均是重量份数。隔离液详细应用情况和实验结果见表2。

表1

注：表中各组分均可市售而得。

表2

^*表2中的“流变性能”是指依据油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的12.6章节所做的流变性能实验中，当剪切速率在352.94/176.47/117.64/58.82/3.53/1.76(1/s)时的剪切应力读数，其单位是Pa。

实施例2：

钻井液与水泥浆的相容性实验：

采用一性能指标良好水泥浆配方和现场钻井液配方，将本发明基液4#制备的隔离液4#(密度为1.60g/cm³)与水泥浆、钻井液按油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的16.3以不同体积比例混合，搅拌充分后，在95℃条件下养护一段时间，评价了隔离液与水泥浆和现场钻井液的配伍性。实验结果见表3。实验证明本发明抗高温油气井固井用基液制备的隔离液与水泥浆、钻井液有非常良好的相容性，二者之间任意接触均不产生特别增稠、絮凝现象，这样有利于提高顶替效率和改善水泥环胶结质量。并且可以看出隔离液对钻井液有一定的提粘切作用，而对水泥浆有一定的稀释作用，这样隔离效果较好。

上述隔离液4#是用水稀释基液，其中基液与水的重量比为1∶6，之后加入占稀释后基液100％wt的重晶石进行加重得到的，其密度为1.60g/cm³。其中基液的配方见以上表1中的基液4#。

上述水泥浆(cmt)配方为：将100重量份数的嘉华G级水泥中加入：1.2重量份数的降失水剂(DZJ-1)、0.3重量份数的分散剂(DZS)+0.3重量份数的高温缓凝剂(DZH-2)及50重量份数的水，共混而得。该配方是以嘉华G级水泥的重量为其他组分的重量基准。“嘉华G级”为嘉华G级水泥，四川嘉华水泥厂生产；DZJ-1、DZS、DZH-2均为水泥添加剂，由德州助剂研发中心生产。

上述现场钻井液的是将占水重量的5％wt的膨润土、2％wt的磺化褐煤(SMC)、1.5％wt的磺化酚醛树脂(SMP)、2％wt的磺化褐煤树脂(SPNH)、0.1％wt的高粘羧甲基纤维素(HV-CMC)与水进行混合所得，由德州助剂研发中心生产。

表3

成份	流变性能^*	n(流性指数)	K(粘度系数)Pa·sⁿ
				100％隔离液4#	46/33/26/20/6/5	0.48	0.84
100％Cmt	57/29/25/18/6/4	0.97	0.04
				100％钻井液	71/48/28/18/3/2	0.56	0.75
75％隔离液4#+25％Cmt	47/26/22/16/8/6	0.85	0.06
				50％隔离液4#+50％Cmt	46/30/22/15/8/6	0.62	0.32
25％隔离液4#+75％Cmt	78/47/36/25/11/7	0.73	0.25
				75％隔离液4#+25％钻井液	52/39/30/22/7/5	0.42	1.44
50％隔离液4#+50％钻井液	75/53/43/31/10/8	0.50	1.20
				25％隔离液4#+75％钻井液	81/56/44/31/10/8	0.53	1.05
50％隔离液4#+25％Cmt+25％钻井液	102/70/61/50/13/7	0.54	1.24

^*表3中的“流变性能”是指依据油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的12.6章节所做的流变性能实验中，当剪切速率在352.94/176.47/117.64/58.82/3.53/1.76(1/s)时的剪切应力读数，其单位是Pa。

比较例1：

隔离液DSG-152属于高温型隔离液，生产厂家为唐山远大集团。

下面是该隔离液与钻井液的相容性实验：

DSG-152隔离液(密度为1.30g/cm³)与钻井液、水泥浆按油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)之16.3章节的内容以不同体积比例混合后，作混合液体流变性检测实验(见油井水泥试验方法GBT/19139-2003的12.6章节)。随着隔离液比例的增加，流体的流动性下降，导致顶替效率降低。实验结果见表4。

所述水泥浆配方、钻井液配方同实施例2中所述的水泥浆及钻井液。

表4

成份	流变性能^*	n(流性指数)	K(粘度系数)Pa·sⁿ
				100％Cmt	195/88/68/39/3/2	0.74	0.44
95％cmt+5％隔离液DSG-152	198/89/69/40/5/4	0.73	0.49
				75％cmt+25％隔离液DSG-152	203/92/71/43/17/16	0.69	0.63
50％cmt+50％隔离液DSG-152	210/95/72/69/35/28	0.63	1.18
				25％cmt+75％隔离液DSG-152	179/85/69/58/32/21	0.62	1.04
5％cmt+95％隔离液DSG-152	153/95/76/58/33/25	0.54	1.73
				50％钻井液+50％隔离液DSG-152	183/121/96/78/19/17	0.48	3.18
25％钻井液+75％隔离液DSG-152	176/109/93/69/23/21	0.51	2.38

^*表4中的“流变性能”是指依据油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的12.6章节所做的流变性能实验中，当剪切速率在352.94/176.47/117.64/58.82/3.53/1.76(1/s)时的剪切应力读数，其单位是Pa。

实施例3：

塔河油田水平段采用加入8～10％wt原油的混泥浆钻进，这样形成的泥饼含有原油，用油基泥浆完钻的井如不采取措施清除套管和井壁的油膜，即使固井施工时顶替效率达到100％，测井曲线也显示很差，所以，油膜的存在，影响水泥石与套管及井壁的胶结质量。采用本发明抗高温油气井固井用基液制备的冲洗液，对泥浆起到冲洗、稀释、隔离作用，易形成紊流，有效地清洗干净粘附在井壁和套管壁上的油膜，提高了水泥浆顶替效率，使套管和井壁表面环境更适于与水泥胶结，从而有利于提高固井质量。冲洗液所使用的基液配方见表1中的基液2#。根据油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的12.6章节的方法测得冲洗液的流变性能，见表5。

表5

注：^*表中的表面活性剂为十二烷基磺酸钠，市售而得；表中微硅的生产厂家为承德厚源石英砂有限公司。

^*表5中的“剪切应力”是指依据油井水泥试验方法(GBT/19139-2003)的12.6章节所做的流变性能实验中，当剪切速率在352.94/176.47/117.64/58.82/3.53/1.76(1/s)时的剪切应力读数。

本发明抗高温油气井固井用基液制备的冲洗液属于非牛顿流体中宾汉塑性流体，具有较低的剪切应力，良好的流变性能，在固井施工中可实现低排量下达到紊流顶替状态。该冲洗液中加入微硅，有利于提高冲洗液的塑性粘度、屈服值，提高冲洗液携带岩屑等固相颗粒的能力，并能提高水泥环胶结质量。因此，现场固井施工时，可根据冲洗液粘度的要求来适当的加入微硅。

Claims

1.一种抗高温油气井固井用基液，包含有以下组分：

其中所述高分子增粘剂选自黄原胶、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的至少一种；

所述表面活性剂选自下列物质中的至少一种：烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠；

所述页岩稳定剂为碱土金属盐、褐煤中的至少一种；

所述高温稳定剂为粘土矿物；

所述抗高温油气井固井用基液的 pH值为6～9，粘度为40～180mPa·s。

2.根据权利要求1所述的基液，包含有以下组分：

3.根据权利要求1所述的基液，其中所述基液的 pH值为7～8，粘度为45～170mPa·s。

4.根据权利要求1所述的基液，其中所述的碱土金属盐选自下列物质中的至少一种：氯化钾、硝酸钠、硫酸镁。

5.根据权利要求1所述的基液，其中所述的高温稳定剂选自下列物质中的至少一种：膨润土、凹凸棒土。

6.根据权利要求1～5之一所述的一种抗高温油气井固井用基液的制备方法，包括以下步骤：

①将水加热到60～95℃；

③将所有的材料混合均匀，保温搅拌时间40～90分钟，得到所述的抗高温油气井固井用基液。

7.根据权利要求6所述的基液的制备方法，其中所述步骤①中加热温度在80～90℃范围内；所述步骤③的保温搅拌时间为40～60分钟。

8.一种根据权利要求1～5之任一项所述的抗高温油气井固井用基液以与水1:（5～10）的重量比例稀释制备的抗高温油气井固井用冲洗液。

9.一种根据权利要求1～5之任一项所述的一种抗高温油气井固井用基液以与水1:（5～10）的重量比例稀释，并加入加重剂制备的抗高温油气井固井用隔离液。