泡沫水泥漿體系及組成的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種新型化學(xué)充氮泡沫水泥漿，主要解決現(xiàn)有的化學(xué)充氮泡沫水泥漿密度高和穩(wěn)定性差的問(wèn)題，適用于油氣井固井領(lǐng)域。該新型化學(xué)充氮泡沫水泥漿體系各組份以及重量比例為：油井水泥100份、發(fā)氣劑Ⅰ0.5～2.0份、發(fā)氣劑Ⅱ0.5～2.0份、穩(wěn)泡劑0.7～2.5份、降失水劑1.0～10份、散劑0.1～0.5份、緩凝劑0.3～1.0份、早強(qiáng)劑1.0～4.0份、水48～70份。本發(fā)明的化學(xué)充氮泡沫水泥漿密度在0.80～1.50g/cm3可調(diào)，可用于10～95℃范圍油氣井固井作業(yè)，具有現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單和降低泡沫水泥成本的優(yōu)勢(shì)，可有效解決低壓易漏地層固井漏失問(wèn)題，減少水泥漿對(duì)油氣產(chǎn)層的污染，應(yīng)用前景廣闊。
【專(zhuān)利說(shuō)明】泡沬水泥漿體系及組成
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化學(xué)充氮泡沫水泥固井技術(shù)，尤其涉及一種新型化學(xué)充氮泡沫水泥漿體系及其組成。具體地說(shuō)，本發(fā)明是通過(guò)化學(xué)法在水泥漿中直接產(chǎn)生氮?dú)鈴亩苽湫阅芊€(wěn)定的泡沫低密度水泥漿。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫水泥漿是通過(guò)在水泥漿中充入氣體，以表面活性劑或高分子物質(zhì)等來(lái)提高泡沫穩(wěn)定性，從而制備出穩(wěn)定的、均勻的低密度三相粘稠流體，具有密度低、低滲透率、低失水、低導(dǎo)熱率、可壓縮性、獨(dú)特的流變性能、適當(dāng)?shù)挠|變性和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，能夠有效地解決低壓易漏地層、裂縫地層、高滲透性地層和溶洞地層的固井漏失問(wèn)題，以及解決深水表層段固井竄流問(wèn)題，提高 熱采井、水力壓裂井的水泥環(huán)封隔完整性，其使用范圍越來(lái)越廣泛。
[0003]從1979年第一次泡沫水泥現(xiàn)場(chǎng)固井應(yīng)用以來(lái)，泡沫水泥固井技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。上世紀(jì)八十年代，通過(guò)改進(jìn)了泡沫發(fā)生器，并嚴(yán)格選擇表面活性劑作為穩(wěn)泡劑，使氣體以互相分離的均勻氣泡形式穩(wěn)定地分散于整個(gè)體系中，制造出性能優(yōu)良的泡沫水泥漿。1987~1988年，國(guó)內(nèi)在新疆火燒山油田進(jìn)行了 4 口技術(shù)套管固井和12 口油層套管泡沫固井試驗(yàn)，行之有效地解決了低壓易漏油氣層尤其是地層壓力系數(shù)小于1.0的油氣井固井難題。經(jīng)過(guò)多年的研究和應(yīng)用，泡沫水泥技術(shù)不斷發(fā)展和完善，在低壓易漏地層固井、裂縫性漏失地層固井和深水防竄固井中應(yīng)用非常廣泛。現(xiàn)場(chǎng)制備泡沫水泥主要有兩種方法:一種是機(jī)械充氣法，另一種是化學(xué)充氣法。機(jī)械充氣法所需設(shè)備較多、工藝復(fù)雜，并且需要精心設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度較大，費(fèi)用較高。而化學(xué)充氣法則不需要繁多的設(shè)備和復(fù)雜的工藝流程，可將能產(chǎn)生氮?dú)獾陌l(fā)氣劑直接加入油井水泥材料或水中，具有操作簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)勢(shì)，是泡沫水泥制備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
[0004]通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)獾奈镔|(zhì)較多，如亞硝酸鈉與氯化銨反應(yīng)能產(chǎn)生氮?dú)猓摲磻?yīng)在產(chǎn)生氮?dú)獾耐瑫r(shí)，還伴隨著較大的熱量放出，在自生熱壓裂液、熱化學(xué)驅(qū)油、油井井筒清蠟、油井地層解堵和地面設(shè)備清洗方面都有廣泛的應(yīng)用。但是，亞硝酸鈉與氯化銨的反應(yīng)只能在酸性或較高溫度條件下才能發(fā)生，而化學(xué)充氮泡沫水泥漿的制備是在較低的環(huán)境溫度或室溫條件下，并且水泥漿是堿性介質(zhì)環(huán)境，這兩點(diǎn)都不利于亞硝酸鈉與氯化銨反應(yīng)。在高分子材料泡沫塑料的制備過(guò)程中也要用到發(fā)氣劑物質(zhì)，如偶氮二甲酰胺、偶氮二異丁腈、二亞硝基五亞甲基四胺、4，4'_氧代雙苯磺酰肼、對(duì)甲苯磺酰肼、5-苯基四唑和三肼基三嗪等，但這些物質(zhì)都必須在加熱條件下，當(dāng)溫度達(dá)到其分解溫度才分解產(chǎn)生氮?dú)猓贿m合化學(xué)充氮泡沫水泥漿的制備是在較低環(huán)境溫度或室溫的條件，同時(shí)這些物質(zhì)主要是偶氮類(lèi)物質(zhì)，其成本高，并且還具有毒性和易燃易爆等安全隱患，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)固井應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)、安全要求。文章“適用于長(zhǎng)慶油田固井的超低密度泡沫水泥漿”(《鉆井液與完井液》1997年第14卷第4期第27-28頁(yè))開(kāi)展了化學(xué)充氣法制備泡沫水泥漿技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)出化學(xué)發(fā)氣劑FCA與FCB，F(xiàn)CA與FCB在水泥漿中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)?，同時(shí)加入穩(wěn)泡劑FCF圈閉氣體，從而形成互不連通的泡沫水泥漿，其泡沫水泥漿體系的配方為:G級(jí)油井水泥+40%漂珠+88%水+2.5%FCA+1%FCB+4%FCF,能夠使水泥漿在地面的密度降低至0.86g/cm3。該化學(xué)充氮制備泡沫水泥漿技術(shù)首先是利用漂珠減輕材料將水泥漿密度降至一定范圍，然后利用化學(xué)充氮的方法進(jìn)一步將水泥漿密度降至1.0g/cm3以下。如果能提高發(fā)氣劑的單位質(zhì)量氮?dú)猱a(chǎn)生率，研究出一種高效發(fā)氣劑，即可在水泥漿中充入更多氮?dú)?，使水泥漿密度降至更低，通過(guò)在水泥漿中通過(guò)直接加入化學(xué)發(fā)氣劑，就能夠?qū)⒊Ｒ?guī)水泥漿密度從1.90g/cm3降低至1.0g/cm3以下，這樣不僅可以減少了漂珠用量，而且可大幅度降低泡沫水泥漿的成本，另一方面也避免了采用機(jī)械充氣制備泡沫水泥漿的高成本，具有使用方便和成本低廉的優(yōu)勢(shì)。
[0005]泡沫體系在生成時(shí)，體系總面積增大，體系的能量也相應(yīng)升高，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，會(huì)自發(fā)地向能量降低、總面積減少的方向進(jìn)行，即泡沫發(fā)生破滅。為制備穩(wěn)定的泡沫水泥漿體系，常需要在水泥漿中加入穩(wěn)泡劑。穩(wěn)泡劑大都是一些表面活性劑或表面活性物質(zhì)。表面活性劑是指分子中同時(shí)含有極性親水基團(tuán)、非極性疏水基團(tuán)的兩親分子，能在溶液表面(一般為水)形成定向排列，從而顯著降低溶劑的表面張力(或界面張力)，并改變泡沫膜的機(jī)械強(qiáng)度和粘度，提高泡沫水泥漿的穩(wěn)定性。根據(jù)表面活性劑水溶液的電離性質(zhì)，可將表面活性劑分為陰離子、陽(yáng)離子、非離子、兩性離子四大類(lèi)。目前，泡沫水泥漿的穩(wěn)泡劑主要為磺酸鹽陰離子表面活性劑類(lèi)型，它具有耐鹽、抗高溫等性能，其中最常用、成本最低、最易得的是烷基苯磺酸鹽類(lèi)，特別是十二烷基苯磺酸鈉。但是烷基磺酸鈉發(fā)泡容易卻穩(wěn)泡難，泡沫穩(wěn)定性較差，從而無(wú)法制備出更低密度的泡沫水泥漿，并且制備的泡沫水泥石具有孔隙結(jié)構(gòu)大小不均、滲透性高和抗壓強(qiáng)度低等不足。另外，烷基磺酸鈉、烷基苯磺酸鈉類(lèi)穩(wěn)泡劑的生物降解性差，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。近年來(lái)，人們更加重視表面活性劑的生物效應(yīng)、毒理作用和安全性，對(duì)環(huán)境友好的穩(wěn)泡劑的研究與應(yīng)用越來(lái)越受到青睞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有化學(xué)充氮泡沫水泥技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，提供了一種新型的化學(xué)充氮 泡沫水泥漿，該水泥漿中通過(guò)摻入高效的化學(xué)發(fā)氣劑、穩(wěn)泡劑以及其它固井外加劑，如分散劑、降失水劑、早強(qiáng)劑和緩凝劑等，能夠制備出密度為0.SOg/cm3~1.50g/cm3的泡沫水泥衆(zhòng)體系,適用溫度范圍為10°C~95°C。該新型泡沫水泥衆(zhòng)體系的流動(dòng)性好，API失水量小，低溫下可加入早強(qiáng)劑縮短水泥漿稠化時(shí)間，溫度較高時(shí)可加入緩凝劑延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間，泡沫水泥石具有滲透率低和抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)固井要求，具有現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單和大幅度降低泡沫水泥固井成本的優(yōu)勢(shì)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本申請(qǐng)的新型固井用化學(xué)充氮泡沫水泥漿，按照質(zhì)量份數(shù)其組成為:
[0008]油井水泥100份；
[0009]發(fā)氣劑I0.5~2.0份；
[0010]發(fā)氣劑II0.5~2.0份；
[0011]穩(wěn)泡劑0.7~2.5份；
[0012]降失水劑1.0~10份；
[0013]分散劑0.1~0.5份；
[0014]緩凝劑0.3~1.0份；
[0015]早強(qiáng)劑1.0~4.0份；[0016]水48 ~70 份。
[0017]所述的油井水泥可以是API油井G級(jí)水泥、H級(jí)水泥和A級(jí)水泥。
[0018]所述發(fā)氣劑I是由含有氯、氧、溴或氮的陰離子基團(tuán)與含有鉀、鈉、銨、鋰、鎂、鈣或鋁的陽(yáng)離子基團(tuán)所組成的易溶于水固體化合物，可以是氯酸鉀、氯酸鎂、氯酸鈉、高氯酸鈉、高氯酸銨、氯酸鈣、硝酸鈣、硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋁、氯酸鋰、溴酸鉀、高氯酸鉀、高氯酸鋰、溴酸鈉、高氯酸鎂等化合物中的一種或幾種組合。
[0019]所述發(fā)氣劑II是由含氮物質(zhì)配成的溶液，可以是氯化銨、鹽酸羥胺、亞硝酸銨、乙二胺、硝酸銨、甲酰胺、硫酸銨、乙酰胺、硫酸羥胺、硫酸氫銨、甲基鹽酸羥胺等物質(zhì)中的一種或幾種組合所配成質(zhì)量百分濃度為25~65%的溶液。 [0020]所述穩(wěn)泡劑是由烷基碳鏈在C12-C16范圍的椰油酰胺丙基氧化胺(CA0)、月桂酰胺丙基氧化胺(LA0)、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)表面活性劑物質(zhì)和水按質(zhì)量組成比例CAO:LAO: CAB:水=9~15: 5~7.5: 6~12: 62~80所配成的質(zhì)量百分濃度為20~38%溶液。
[0021]所述降失水劑可以是油田固井常用的聚乙烯醇類(lèi)降失水劑、纖維素醚類(lèi)(羥乙基纖維素、羧甲基纖維素和羧甲基羥乙基纖維素)降失水劑、膠乳類(lèi)(丁二烯-苯乙烯膠乳、醋酸乙烯酯-乙烯膠乳)降失水劑、丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合類(lèi)降失水劑。
[0022]所述分散劑可以是油田固井常用的磺化甲醛-丙酮縮聚物分散劑、聚萘磺酸鹽分散劑或者木質(zhì)素磺酸鹽分散劑。
[0023]所述緩凝劑可以是酒石酸、檸檬酸、硼酸、硼酸鈉、葡萄糖酸鈉、木質(zhì)素磺酸鹽、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)與丙烯酸共聚物、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)與衣康酸共聚物中的一種或幾種。
[0024]所述早強(qiáng)劑可以是氯化鈣、偏鋁酸鈉、氧化鈣、氯化鉀、二水合硫酸鈣、氯化鋰、硫酸鈉、甲酸鈣、乳酸鈣、硫酸鋁鉀、氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈣中的一種或幾種。
[0025]所述配制泡沫水泥衆(zhòng)用水可以是淡水、海水和礦化度水。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):(1)研究出的發(fā)氣劑I和發(fā)氣劑II不但具有產(chǎn)生氮?dú)饴矢撸页杀緝r(jià)格低、毒性小和無(wú)易燃易爆等安全隱患，具有經(jīng)濟(jì)、安全的特性，非常適合現(xiàn)場(chǎng)固井應(yīng)用；(2)發(fā)氣劑I在水中溶解速度快，在混漿過(guò)程中很快就溶解于水中呈分子狀態(tài)分散，能夠快速地與發(fā)氣劑II在水泥漿中反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)馕⑴菽?，解決了目前化學(xué)充氮所制備的泡沫水泥漿泡沫大小不勻、穩(wěn)定性較差的不足；(3)穩(wěn)泡劑物質(zhì)對(duì)環(huán)境友好，并且起泡和穩(wěn)泡效果好，能夠制備出比目前化學(xué)充氮泡沫水泥漿密度更低的泡沫水泥漿，密度能夠降至1.0g/Cm3以下,密度可在0.80g/cm3~1.50g/cm3可調(diào)；(4)通過(guò)在泡沫水泥衆(zhòng)加入早強(qiáng)劑或者緩凝劑，可使化學(xué)充氮泡沫水泥漿適用10°C~95°C溫度范圍，既可用于常規(guī)井低密度固井，也可用于深水低溫低密度防竄固井和深井高溫低密度固井；(5)泡沫水泥漿密度和稠化時(shí)間可調(diào)、流動(dòng)性好、失水量較小，能完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)注水泥施工要求，并具有成本較低的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。
[0027]本發(fā)明提供了一種技術(shù)可靠、現(xiàn)場(chǎng)施工方便、成本低，能滿(mǎn)足常規(guī)井低密度固井、深水低溫低密度防竄固井和深井高溫低密度固井的泡沫水泥漿體系，填補(bǔ)了化學(xué)充氮泡沫固井水泥漿的空白?！揪唧w實(shí)施方式】
[0028]實(shí)驗(yàn)方法:按標(biāo)準(zhǔn)API 10B-4-2004 “Recommended Practice on Preparation andTesting of Foamed Cement Slurries at Atmospheric Presssure”制備泡沫水泥衆(zhòng)，并測(cè)定泡沫水泥漿性能和泡沫水泥石抗壓強(qiáng)度。
[0029]實(shí)施例1:泡沫水泥漿密度測(cè)試
[0030]采用高抗硫G級(jí)油井水泥，按照標(biāo)準(zhǔn)API 10B-4-2004制備泡沫水泥漿。配漿干灰基本組成為:高抗硫G油井水泥、發(fā)氣劑1、降失水劑(固體)、分散劑、早強(qiáng)劑；配漿液體基本組成為:發(fā)氣劑I1、穩(wěn)泡劑、降失水劑(液體)、緩凝劑和水；在本實(shí)驗(yàn)中，先將配漿的固體干灰組份和液體組份各自稱(chēng)量好并混勻，然后按標(biāo)準(zhǔn)API10B-4-2004制備水泥漿，在攪拌過(guò)程中，固體干灰組份中的發(fā)氣劑I與液體組份發(fā)氣劑II在水泥漿中接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)?，?shí)現(xiàn)了水泥漿充入氮?dú)饽康模诜€(wěn)泡劑的起泡、穩(wěn)泡作用下，能夠制備出密度0.80~1.50g/cm3泡沫水泥衆(zhòng)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
[0031]表1不同外加劑摻量下泡沫水泥漿的密度
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種新型的化學(xué)充氮泡沫水泥漿體系，其特征在于各組份以及重量比例如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的油井水泥可以是API油井G級(jí)水泥、H級(jí)水泥和A級(jí)水泥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的發(fā)氣劑I是由含有氯、氧、溴或氮的陰離子基團(tuán)與含有鉀、鈉、銨、鋰、鎂、鈣或鋁的陽(yáng)離子基團(tuán)所組成的易溶于水固體化合物，可以是氯酸鉀、氯酸鎂、氯酸鈉、高氯酸鈉、高氯酸銨、氯酸鈣、硝酸鈣、硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋁、氯酸鋰、溴酸鉀、高氯酸鉀、高氯酸鋰、溴酸鈉、高氯酸鎂等化合物中的一種或幾種組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的發(fā)氣劑II是由含氮物質(zhì)配成的溶液，可以是氯化銨、鹽酸羥胺、亞硝酸銨、乙二胺、硝酸銨、甲酰胺、硫酸銨、乙酰胺、硫酸羥胺、硫酸氫銨、甲基鹽酸羥胺等物質(zhì)中的一種或幾種組合所配成質(zhì)量百分濃度為25~65%的溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的穩(wěn)泡劑是由烷基碳鏈在C12-C16范圍的椰油酰胺丙基氧化胺(CA0)、月桂酰胺丙基氧化胺(LA0)、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)表面活性劑物質(zhì)和水按質(zhì)量組成比例CAO: LAO: CAB:水=9~15: 5~7.5:6~12: 62~80所配成的質(zhì)量百分濃度為20~38%溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的降失水劑可以是油田固井常用的聚乙烯醇類(lèi)降失水劑、纖維素醚類(lèi)(羥乙基纖維素、羧甲基纖維素和羧甲基羥乙基纖維素)降失水劑、膠乳類(lèi)(丁二烯-苯乙烯膠乳、醋酸乙烯酯-乙烯膠乳)降失水劑、丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)聚合類(lèi)降失水劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的分散劑可以是油田固井常用的磺化甲醛-丙酮縮聚物分散劑、聚萘磺酸鹽分散劑或者木質(zhì)素磺酸鹽分散劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的緩凝劑可以是酒石酸、檸檬酸、硼酸、硼酸鈉、葡萄糖酸鈉、木質(zhì)素磺酸鹽、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)與丙烯酸共聚物、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)與衣康酸共聚物中的一種或幾種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的早強(qiáng)劑可以是氯化鈣、偏鋁酸鈉、氧化鈣、氯化鉀、二水合硫酸鈣、氯化鋰、硫酸鈉、甲酸鈣、乳酸鈣、硫酸鋁鉀、氫氧化鋰、氫氧化鉀、氫氧化鈣中的一種或幾種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿體系，其特征在于所述的配制泡沫水泥漿用水可以是淡水、海水和礦化度水。
【文檔編號(hào)】C09K8/473GK103525387SQ201310455117
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】王成文, 王瑞和, 周衛(wèi)東, 張慧 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)