一種防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑及其製備方法和應用的製作方法

2023-06-30 06:35:11 3

專利名稱：一種防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種油井水泥外加劑，進一步地說，是涉及一種防止二氧化碳腐蝕 的油井水泥外加劑，及其製備方法和應用。
背景技術：
二氧化碳作為石油和天然氣生產中的伴生氣或地層水的組份存在於地層中。二 氧化碳在溼環境下會對油井水泥環柱，即水泥石產生腐蝕。眾所周知，油井水泥環柱主 要起封隔油、氣、水，支持套管和保護套管，延長油氣井壽命的作用。水泥環柱的先導 腐蝕可引起和加快套管的腐蝕和破壞。並可能誘發其它井下事故，縮短油氣井的生產壽 命。目前國內對CO2腐蝕井下管材的問題雖然已引起各油田的注意，並開展了防腐蝕研究。但對油氣井第一保護屏障-油井水泥環遭受CO2腐蝕的研究還較少，對水泥環 抗CO2腐蝕外加劑的開發還未見有關報導。僅僅是針對個別油田採取的相應防護措施， 例如大慶石油管理局與大慶石油學院針對大慶的具體情況，研究了適用於大慶油田的 抗CO2腐蝕水泥漿體系。大港油田採用天然氣CO2來提高油氣的採收率，其技術對策就 是推廣應用水泥降濾失劑，提高固井質量，降低CO2驅、CO2對水泥環的腐蝕，減小水泥 環與地層膠結的潛在危險。但是以上各個體系在應用中針對性很強，由於各油田的特定 地質條件及生產條件如溫度、壓力等的不同而存在較大差別，因而難以普遍推廣。綜上所述，開發一種適用範圍廣，能有效防止二氧化碳腐蝕的新型油井水泥外 加劑，成為目前亟待解決的技術問題。

發明內容
為解決現有技術中存在的問題，本發明所提供了一種防止二氧化碳腐蝕的油井 用水泥外加劑，在固井水泥漿體系中加入所述防止CO2腐蝕的外加劑後能夠對井下腐蝕 現象進行有效的控制及防治。本發明的目的之一是提供了一種防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑。所述油井水泥外加劑包含按重量百分比計的以下組分①火山灰質礦物20 65% wt②微矽粉 2 25% wt③鋁鹽礦物 5 25% wt
④石蠟類有機材料5 35 % wt⑤甲基矽醇鈉 1 10% wt⑥礦渣3 25%wt。以上所述火山灰質礦物是經過煅燒的具有矽氧和鋁氧四面體的工業廢渣。其優 選含量是25 60% wt。火山灰質礦物可經市售而得。
以上所述鋁鹽礦物為Y和α型氧化鋁混合體，其平均粒徑為50 300nm。其 優選含量是5 20% wt。鋁鹽礦物可經市售而得。以上所述石蠟類有機材料為非離子型表面活性劑與石蠟類物質乳化而得，其平 均粒徑為50 500nm。其優選含量是10 30% wt。所述石蠟類有機材料產自中石化石油 工程研究院德州石油鑽井研究所油田助劑研發中心，並由其銷售。其商品名為「DC201 防腐材料」。 以上所述微矽粉即二氧化矽微粉，其平均粒徑為1 10 μ m。其優選含量是5 20% wt。微矽粉可經過市售而得。以上所述甲基矽醇鈉的優選含量是3 8% wt。其可經過市售而得。以上所述礦渣，其優選含量為5 20% wt。可經過市售而得。本發明所提供的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑還可以添加其他現有技術 中固井水泥體系常用的助劑，如防氣竄劑等，用量可依照常規。本發明所提供的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑，是以無機材料為主體， 在一定的條件下可形成環狀鏈構成的連續三維網絡構架礦物，與有機物質結合，在碳酸 環境中，可使水泥石形成緻密層，從而降低水泥石的滲透率，有效地防止CO2的侵蝕， 提高水泥石的抗腐蝕能力。本發明的目的之二是提供所述防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑的製備方 法，其包括以下步驟(1)按所述含量稱取火山灰質礦物、微矽粉、鋁鹽礦物和礦渣，進行研磨混拌至 混合物至少達到200目細度。(2)將步驟(1)製得的混合物和其他包括所述乳化石蠟、甲基矽醇鈉在內的組分 按所述含量放入混合機中進行混合，混合均勻後，製得所述防止二氧化碳腐蝕的油井水 泥外加劑。所製得的油井水泥外加劑一般為灰色粉末產品。製備方法中涉及的研磨、混合設備為本行業常用設備，如乾式球磨機、雙螺 旋混合機等。在步驟(2)中為使混合更加均勻，可在混合機中混拌至少2小時。本發明的目的之三是提供所述防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑在油井水泥 固井中的應用。將本發明的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑加入固井用的水泥漿體系中， 其可提高水泥環柱的耐腐蝕能力。水泥環柱的抗CO2的腐蝕性能與外加劑的加量有關。 一般情況下可根據現場CO2的含量調節該外加劑的加量來滿足不同的現場固井條件的需 求。一般以固井用水泥漿中水泥含量為100重量份數計，將15 60份，優選15 45 份本發明所述的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑加入固井水泥漿，混合均勻即可。以上所述固井水泥漿是現有技術中常用到的一些固井用水泥漿體系。一般而言 會包含有以下組分水泥，100重量份數；矽粉，10-35份；降失水劑，3-6份；防氣竄 齊U，5-18份；分散劑和緩凝劑，1-5份。其中所述固井用水泥漿體系中的水泥為通常固 井用的水泥，可市售而得。所述的矽粉為二氧化矽粉末，其粉末細度可過160目篩，可 市售而得；所述的降失水劑、防氣竄劑、分散劑和緩凝劑均為固井用水泥體系的常用助 齊U，均可市售而得。本發明所述的油井水泥外加劑加入固井水泥體系後能夠增強水泥石(水泥環柱)的緻密性，使水泥 石具有良好的抗二氧化碳腐蝕能力(1)水泥石24h抗壓強度>14MPa ；(2) CO2腐蝕水泥石60天，抗壓強度損失率為O ；(3) CO2腐蝕水泥石60天的氣體滲透率不僅沒有增大反而減小；(4)水泥石抗溫能達到150°C ；(5)加入防止CO2腐蝕的油井水泥外加劑後的固井水泥漿體系流變性能符合固井 施工設計標準，達到工程要求。
具體實施例方式下面結合實施例，進一步說明本發明。
腐蝕試驗方法說明本發明所述的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑的腐蝕試驗方法包含以下步 驟(1)按API標準10製備水泥漿倒入試模中，放置於高溫高壓養護釜中養護24小 時，取出脫模；(2)將已製備好並編號的水泥試塊(即水泥石)及水放入腐蝕養護釜中，密封；(3)通入CO2並升溫至試驗溫度，隨時觀察CO2壓力、溫度變化並及時調整，試 驗時間可根據要求調整，一般為21天；(4)實驗結束，進行試樣的腐蝕性能檢測。上述步驟(4)中的腐蝕性能測試內容包括氣體滲透率、抗壓強度變化和腐蝕 後水泥試塊的礦物組成、微觀形態、CO2侵入深度等。為了說明問題，一般CO2腐蝕試 樣要和在相同溫度壓力條件下的非腐蝕試樣進行比較。
具體試驗參數說明如下抗壓強度變化率水泥石腐蝕後抗壓強度減未腐蝕的抗壓強度差值與未腐蝕抗 壓強度的比值，以百分數表示。氣體滲透變化率水泥石腐蝕後氣體滲透率減腐蝕前氣體滲透率的差值與腐前 氣體滲透率的比值，以百分數表示。
原料說明①火山灰質礦物為經過煅燒的具有矽氧和鋁氧四面體的工業廢渣；鋁鹽礦物為 Y和α型氧化鋁複合體；石蠟類有機材料為非離子型表面活性劑與石蠟類物質的乳化材 料。②試驗所用的火山灰質礦物、石蠟類有機材料(DC201防腐材料)、降濾失劑 DZJ-Y (2 一丙烯醯胺基一 2 —甲基丙磺酸與丙烯醯胺聚合物)、分散劑DZS (磺化丙酮甲 醛縮合物)緩凝劑DZH(磷酸鹽與酒石酸的復配物)、防氣竄劑DC200( 丁二烯與苯乙烯 的聚合物)等材料購於中石化石油工程研究院德州石油鑽井研究所油田助劑研發中心。 鋁鹽礦物的產地為北京嘉益亨元科技發展有限公司。其他組分如微矽粉、矽粉、礦渣及甲基矽醇鈉均通過市售而得。一、防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑製備例實施例1 取60% wt火山灰質礦物，加入微矽粉5% wt，礦渣5%wt，鋁鹽礦物15% wt， 投入乾式球磨機中，在乾式球磨機中磨細並混拌均勻達200目細度後，再放入雙螺旋混 拌機中，加入10% wt石蠟類有機材料和甲基矽醇鈉5% wt進行混拌，反覆混拌2小時， 待均勻後製得灰色粉末狀外加劑1#產品。實施例2 取40%wt火山灰質礦物，加入微矽粉15%wt，礦渣5%wt，鋁鹽礦物20%wt， 投入乾式球磨機中，在乾式球磨機中磨細並混拌均勻達200目細度後，再放入雙螺旋混 拌機中，加入17% wt石蠟類有機材料和甲基矽醇鈉3% wt進行混拌，反覆混拌2小時， 待均勻後製得灰色粉末狀外加劑2#產品。實施例3 取30% wt火山灰質礦物，加入微矽粉10% wt，礦渣15%wt，鋁鹽礦物12% wt,投入乾式球磨機中，在乾式球磨機中磨細並混拌均勻達200目細度後，再放入雙螺 旋混拌機中，加入30% wt石蠟類有機材料和甲基矽醇鈉3% wt進行混拌，反覆混拌2小 時，待均勻後製得灰色粉末狀外加劑3#產品。二、防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑應用例比較例1 固井水泥漿1號體系嘉華G水泥(四川嘉華水泥廠)100重量份數，矽粉(市 售)35重量份數，液固比為0.46。將1號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及水泥試塊為比 較樣品1。比較例2 固井水泥漿2號體系嘉華G水泥(同上)100重量份，35份矽粉(同上)、5 份降濾失劑DZJ-Y、12份防氣竄劑DC200、2份分散劑DZS和1.5份緩凝劑DZH，液固 比為0.46。將2號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及水泥試塊為比較樣品2。實施例5:在上述固井水泥漿2號體系的基礎上加入實施例1所製得的防止二氧化碳腐蝕油 井水泥外加劑1#產品，混合均勻得到固井水泥漿3號體系。其中1#產品的用量以固井 水泥漿中水泥重量為100份計為35份。將3號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及的水泥試 塊為樣品1。實施例6 在上述固井水泥漿2號體系的基礎上加入實施例2所製得的防止二氧化碳腐蝕油 井水泥外加劑2#產品，混合均勻後得到固井水泥漿4號體系。其中2#產品的用量以固 井水泥漿中水泥重量為100份計為35份。將4號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及的水泥 試塊為樣品2。
實施例7 在上述固井水泥漿2號體系的基礎上加入實施例3所製得的防止二氧化碳腐蝕油 井水泥外加劑3#產品，混合均勻後得到固井水泥漿5號體系。其中3#產品的用量以固井水泥漿中水泥重量為100份計為35份。將5號體系後進行上述腐蝕試驗，所涉及的水 泥試塊為樣品3。實施例8 在上述固井水泥漿2號體系的基礎上加入實施例2所製得的防止二氧化碳腐蝕油 井水泥外加劑2#產品，混合均勻後得到固井水泥漿6號體系。其中2#產品的用量以固 井水泥漿中水泥重量為100份計為15份。將6號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及的水泥 試塊為樣品4。實施例9 在上述固井水泥漿2號體系的基礎上加入實施例2所製得的防止二氧化碳腐蝕油 井水泥外加劑2#產品，混合均勻後得到固井水泥漿7號體系。其中2#產品的用量以固 井水泥漿中水泥重量為100份計為25份。將7號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及的水泥 試塊為樣品5。實施例10 在上述固井水泥漿2號體系的基礎上加入實施例2所製得的防止二氧化碳腐蝕油 井水泥外加劑2#產品，混合均勻後得到固井水泥漿8號體系。其中2#產品的用量以固 井水泥漿中水泥重量為100份計為30份。將8號體系進行上述腐蝕試驗，所涉及的水泥 試塊為樣品6。
試驗一不同產品的抗腐蝕性能比較1 5號體系進行試驗，整個試驗按API標準進行，水泥試塊腐蝕的主要工程性 能用水泥試塊抗壓強度和氣體滲透率的變化程度判斷水泥試塊的腐蝕狀況。實驗條件試驗溫度130°C ； CO2分壓為5.0MPa ；試驗時間為21天，對比結果 見表1。
權利要求
1.一種防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑，其特徵在於所述油井水泥外加劑包 含有按重量百分比含量計的以下組分①火山灰質礦物20 65 % Wt②微矽粉2 25% wt③鋁鹽礦物5 25% wt④石蠟類有機材料5 35%wt⑤甲基矽醇鈉1 10% wt⑥礦渣3 25% wt以上所述鋁鹽礦物的平均粒徑為50 300nm ；所述石蠟類有機材料的平均粒徑為 50 500nm。
2.如權利要求1所述的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑，其特徵在於所述油 井水泥外加劑包含有按重量百分含量計的以下組分①火山灰質礦物25 60 % wt②微矽粉5 20% wt③鋁鹽礦物5 20% wt④石蠟類有機材料10 30%wt⑤甲基矽醇鈉3 8% wt⑥礦渣5 20%wt。
3.如權利要求1 2之任一項所述的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑的製備方 法，其特徵在於包括以下步驟(1)按所述含量稱取包含所述火山灰質礦物、微矽粉、鋁鹽礦物和礦渣在內的組分， 進行研磨混拌至混合物至少達到200目細度；(2)將步驟(1)製得的混合物和其他包括所述石蠟類有機材料、甲基矽醇鈉在內的組 分按所述含量放入混合機中進行混合，混合均勻後，製得所述防止二氧化碳腐蝕的油井 水泥外加劑。
4.如權利要求1 2之任一項所述的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑在油井水泥 固井中的應用，其特徵在於以固井用水泥漿中水泥含量為100重量份數計，將15 60份 所述防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑加入固井水泥漿。
5.如權利要求4所述的防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑在油井水泥固井中的應 用，其特徵在於以固井用水泥漿中水泥含量為100重量份數計，將15 45份所述防止二 氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑加入固井水泥漿。
全文摘要
本發明提供了一種防止二氧化碳腐蝕的油井水泥外加劑及其製備方法和應用，涉及油井水泥固井領域。所述油井水泥外加劑主要包含火山灰質礦物20～65％wt、微矽粉2～25％wt、鋁鹽礦物5～25％wt、石蠟類有機材料5～35％wt、甲基矽醇納1～10％wt和礦渣3～25％wt等。當該油井水泥外加劑以水泥重量為100份，以15～60份加入到固井水泥漿體系中，則可以增強水泥環柱的緻密性，氣體滲透率低，抗二氧化碳腐蝕能力強，並且能適用於不同的溫度，應用範圍較廣。
文檔編號C09K8/54GK102010702SQ20091017014
公開日2011年4月13日 申請日期2009年9月4日 優先權日2009年9月4日
發明者丁士東, 周仕明, 楊紅歧, 王立志 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院