CN109180084A - 遇油气响应的活性自修复水泥浆体系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，包括油井水泥、淡水、自修复剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂，其配比以油井水泥重量为基准计为：油井水泥计100份，淡水43.0‑47.0份，自修复剂2.0‑4.0份，降失水剂1.0‑2.0份，分散剂0.2‑0.5份，缓凝剂0.2‑1.0份，消泡剂0.2‑0.5份。本发明遇油气响应的活性自修复水泥浆体系具有流变性好、自修复能力强、弹韧性好、稠化时间任意可调且性能稳定、配方组成及现场施工简单等特性，可在井筒水泥环出现微裂缝和微环隙时无需地面人工干预，自动封堵油气窜通道，恢复水泥环的完整性和界面胶结能力，达到预防套管环空带压的目的。

Description

遇油气响应的活性自修复水泥浆体系
技术领域
本发明涉及非常规油气钻完井工程固井技术领域，更具体地说，涉及一种遇油气响应的活性自修复水泥浆体系。
背景技术
套管环空带压是国内外油气井生产过程中普遍存在的现象，特别是页岩气井，受大型分段压裂改造等增产措施的影响，套管环空带压问题更为突出，严重危害了页岩气田的安全生产和高效勘探开发。目前用于解决固井后套管环空带压问题的措施较少且成本高，套管环空带压预防技术的研究一直处于探索阶段，具有广阔的研究价值和应用前景。
试压、钻塞、射孔和压裂改造、试气投产等压力和温度激动作业均可能造成井筒水泥环产生微裂缝和微环隙，破坏水泥环的井筒完整性，导致层间封隔失效。针对气井生产过程中出现的套管环空带压问题，从水泥石本身角度出发，提出了一种新的应对方案—遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，可在水泥环出现微裂缝和微环隙时无需地面人工干预，当地层油气在层间窜流时，碳氢化合物将触发活性材料发生响应，自动封堵窜流通道，恢复水泥环的本体完整性和界面胶结能力，以达到水泥环对井筒二次密封的目的，降低套管环空带压风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，当地层油气在层间窜流时，可以自我愈合水泥环微裂缝和微环隙，以达到水泥环对井筒二次密封的目的，降低套管环空带压风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其包括油井水泥、淡水、自修复剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂，其配比以油井水泥重量为基准计为：油井水泥计100份，淡水43.0-47.0份，自修复剂2.0-4.0份，降失水剂1.0-2.0份，分散剂0.2-0.5份，缓凝剂0.2-1.0份，消泡剂0.2-0.5份。
按上述方案，所述水泥浆密度为1.87g/cm3-1.90g/cm3。
按上述方案，所述自修复剂为改性聚乙烯醇聚合物、反丁烯二酸-乙酸乙烯共聚物和苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种或两种按任意比例的混合物。其中改性聚乙烯醇聚合物由聚乙烯醇、十二烷基醇和十二烷基硫酸钠按照0.5-0.8:1:0.1-0.3的摩尔比进行高分子聚合反应得到；所述自修复剂为灰色粉末，颗粒密度为1.35g/cm3-1.55g/cm3，细度为0.900mm方孔筛，筛余量为≤5.0％，煤油介质中体积膨胀率≥15％。
按上述方案，所述的降失水剂为羧丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺中的一种或两种按任意比例的混合物。其中羧丙基甲基纤维素由棉纤维素、环氧丙烷和氯甲烷在60-80℃温度和碱性条件下按照1-2:1:0.3-0.5的摩尔比进行醚化反应而成，具有良好亲水性。另外其它常规水泥降失水剂，例如聚乙烯醇或阴离子型聚合物降失水剂也可以应用于本发明。本发明的降失水剂可以市购得到，例如荆州嘉华的产品代号为FLO-S的降失水剂。
按上述方案，所述的分散剂为聚羧酸聚合物或萘磺酸盐中的一种或两种按任意比例的混合物。其中聚羧酸由羧酸、环氧乙烷和环氧丙烷按照1:0.2-0.5:0.2-0.4的摩尔比进行醚化反应得到。常规的有机盐类或无机盐类分散剂均可以应用于本发明。本发明的分散剂可以市购得到，例如河南卫辉的产品代号为USZ的分散剂。
按上述方案，所述的缓凝剂为葡萄糖酸钠和羧甲基纤维素钠中的一种或两种按任意比例的混合物。本发明的缓凝剂可以市购得到，例如四川弘盛的产品代号为BS200的缓凝剂。
按上述方案，所述的消泡剂为聚乙烯醚和高级醇中的一种或两种按任意比例的混合物。本发明的消泡剂可以市购得到，例如河南卫辉的产品代号为XP-1的消泡剂。
按上述方案，所述的油井水泥为G级油井水泥，该水泥属于波特兰硅酸盐水泥，主要化学成分为铝酸三钙、铁铝酸四钙、硅酸三钙和硅酸二钙，要求比表面积不小于300m2/kg、平均粒径5um-20um，80um筛孔筛余不得超过10％。例如嘉华或三峡生产的G级油井水泥可以应用于本发明。
按上述方案，所述的油气为地层烃类流体，包含烷烃或芳香烃类的气体和液体，碳原子数在1～22之间。
本发明所述遇油气响应的活性自修复水泥浆体系的制备方法：在室温条件下，在样品袋中按照自修复剂、降失水剂和分散剂顺序依次与油井水泥混拌形成配浆灰，每加完一种添加剂，均需要搅拌均匀再添加下一种添加剂；在浆杯中按照淡水、缓凝剂、消泡剂的顺序依次添加形成配浆药品水，每加完一种添加剂，均需要搅拌均匀再添加下一种添加剂；在低速搅拌条件下，将配浆灰在10-15s内加入药品水中搅拌混合均匀，搅拌的速度为3500-4000RPM；再高速搅拌30-35s，搅拌速度为10000-12000RPM。
实施本发明的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，具有以下有益效果：
(1)活性自修复材料具有较好的理化性能，0.900mm筛余量≤5.0％，易于混拌施工，遇油体积膨胀率≥15％，显示较好的遇油气响应能力；
(2)活性自修复材料与降失水剂、分散剂等其它外加剂相容配伍性良好，稠化曲线平滑，无鼓包，且稠化时间在90-360min内任意可调，满足固井安全施工要求；
(3)水泥浆稠化时间在90-360min内任意可调，转化时间≤10min，SPN＜3，具有优良的防气窜性能；
(4)水泥石抗压强度＞20MPa/24h，弹性模量＜8GPa，具有较好的岩石力学性能；
(5)水泥石抗压强度恢复率＞50％，界面胶结强度恢复率＞60％，对井筒环空具有较好的二次密封效果。
本发明遇油气响应的活性自修复水泥浆体系具有流变性好、自修复能力强、弹韧性好、稠化时间任意可调且性能稳定、配方组成及现场施工简单等特性，可在井筒水泥环出现微裂缝和微环隙时无需地面人工干预，自动封堵油气窜通道，恢复水泥环的完整性和界面胶结能力，达到预防套管环空带压的目的。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是活性自修复水泥浆稠化曲线图(稠化时间185min)；
图2是活性自修复水泥石修复微裂缝的电镜微观图(SEM*5000X)。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明一种遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，按照水泥浆密度1.88g/cm3进行配制，其包括嘉华G级油井水泥800g、淡水360mL、改性聚乙烯醇聚合物自修复剂20g，羧丙基甲基纤维素降失水剂18g、聚羧酸分散剂4g，葡萄糖酸钠缓凝剂6mL和聚乙烯醚消泡剂4mL。
上述遇油气响应的活性自修复水泥浆体系的制备方法：在样品袋中称取800g嘉华G级油井水泥，加入20g改性聚乙烯醇聚合物自修复剂，混拌均匀；然后加入18g羧丙基甲基纤维素降失水剂混拌均匀；再加入4g聚羧酸分散剂，混拌均匀形成配浆灰；浆杯量取360mL淡水，在低速搅拌(500r/min)的情况下，加入6mL葡萄糖酸钠缓凝剂，搅拌5s；再加入4mL聚乙烯醚消泡剂，搅拌5s；混拌均匀后将样品袋中配浆灰在15s内加入浆杯内，搅拌速度4000RPM；再高速搅拌35s，搅拌速度12000RPM，得到遇油气响应的自修复水泥浆体系。
本实施例所配制的遇油气响应的自修复水泥浆体系性能如表1所示，各参数均是在室内测定，其中，抗压强度测试是配制完水泥浆后，水泥浆倒入50.4mm×50.4mm×50.4mm的四方模具内，在高温高压强度养护釜内21MPa×75℃条件下水浴养护48h后测定；初始稠度：配制完成10min内水泥浆的稠度；稠化过渡时间：高温高压条件下，水泥浆稠度从30BC到100BC所需要的时间，反应水泥浆强度发展速度快慢；自由液：模拟井筒条件下水泥浆静置形成水泥浆自由液的量，反应水泥浆的沉降稳定性；失水量：在API规定条件下(6.9MPa，30min)，水泥浆滤失自由水的量；岩石力学测试：通过钻孔取芯、切割和打磨将水泥石制成直径25mm*50mm的标准圆柱试样，在RMT多功能岩石力学测试***上测试岩石力学性能；抗压强度恢复率：将水泥石预应力损伤后在柴油介质养护一定时间后测定抗压强度，反应水泥石本体密封恢复性能；界面胶结强度恢复率：界面胶结试模剪切破坏后在柴油介质养护一定时间后测定界面胶结强度，反应水泥石胶结密封恢复性能。
水泥浆性能测定方法按照以下石油行业标准进行执行：
1、油井水泥应用性能试验方法SY/T 5546-1992(水泥浆制备、密度、稠
化过渡时间、自由液、失水量、流变性、岩石力学性能测定按照本标准执行)
2、油井水泥浆性能要求SY/T 6544-2003(水泥浆性能要求按照本标准执行)
表1水泥浆体系性能实验数据
由表1可知，本发明所述遇油气响应的活性自修复水泥浆体系具有流变性好、修复能力强、弹韧性好、稠化时间任意可调且性能稳定、配方组成及现场施工简单等特性，可在井筒水泥环出现微裂缝和微环隙时无需地面人工干预，自动封堵油气窜通道，恢复水泥环的完整性和界面胶结能力，达到预防套管环空带压的目的。
本发明遇油气响应的活性自修复水泥浆具有初始稠度低、曲线平滑、稠化过渡时间短的优良性能，稠化曲线见图1。本发明活性自修复水泥石遇油气后，裂缝处被大量的三维网络状的胶凝物质所覆盖，将裂缝两边水泥石有机的联接在一起，有效修复了微裂缝，见图2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，包括油井水泥、淡水、自修复剂、降失水剂、分散剂、缓凝剂和消泡剂，其配比以油井水泥重量为基准计为：油井水泥计100份，淡水43.0-47.0份，自修复剂2.0-4.0份，降失水剂1.0-2.0份，分散剂0.2-0.5份，缓凝剂0.2-1.0份，消泡剂0.2-0.5份。
2.根据权利要求1所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述水泥浆密度为1.87g/cm3-1.90g/cm3。
3.根据权利要求1所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述自修复剂为改性聚乙烯醇聚合物、反丁烯二酸-乙酸乙烯共聚物和苯乙烯-丁二烯共聚物中的一种或两种按任意比例的混合物。
4.根据权利要求2所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述改性聚乙烯醇聚合物由聚乙烯醇、十二烷基醇和十二烷基硫酸钠按照0.5-0.8:1:0.1-0.3的摩尔比进行高分子聚合反应得到。
5.根据权利要求1所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述自修复剂为灰色粉末，颗粒密度为1.35g/cm3-1.55g/cm3，细度为0.900mm方孔筛，筛余量为≤5.0％，在煤油介质中的体积膨胀率≥15％。
6.根据权利要求1所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述的降失水剂为羧丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺中的一种或两种按任意比例的混合物。
7.根据权利要求6所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述羧丙基甲基纤维素由碱纤维、环氧丙烷和氯甲烷在60-80℃温度和碱性条件下按照1-2:1:0.3-0.5的摩尔比进行醚化反应而成。
8.根据权利要求1所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述的分散剂为聚羧酸聚合物或萘磺酸盐中的一种或两种按任意比例的混合物。
9.根据权利要求8所述的遇油气响应的活性自修复水泥浆体系，其特征在于，所述聚羧酸由羧酸、环氧乙烷和环氧丙烷按照1:0.2-0.5:0.2-0.4的摩尔比进行醚化反应得到。
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