油氣井固井用水泥發泡劑及其製備方法

2023-08-03 05:41:11 1

專利名稱：油氣井固井用水泥發泡劑及其製備方法
技術領域：
本發明屬石油、天然氣井固井用水泥添加劑，涉及一種適用於井溫在50～90℃的油氣井固井用水泥發泡劑及其製備方法。
油氣井固井作業中均採用水泥固井，當水泥漿到達預定位置靜止後，便逐漸形成膠凝強度進而逐漸變得能夠「自支承」，由此亦就逐漸阻止了上部壓力的傳遞。當水泥漿變得完全能夠「自支承」時，便不能傳遞上部靜液柱壓力。與此同時，由於水泥漿的水化作用和向地層失水將造成環空水泥漿體積縮小而導致水泥漿體靜液柱壓力下降。一旦水泥漿體靜液柱壓力下降到某一極限值而這時水泥石強度又還不足以阻止氣體流動的話，地層氣體將會浸入環空並沿水泥柱擴散上升形成環空氣竄，造成資源浪費並嚴重影響進一步施工，甚至釀成重大事故。
解決這一問題的有效措施是向水泥中添加一種能延時發氣的水泥發泡劑，利用其所產生的氣體來補償水泥漿體靜液柱壓力的降低和體積的收縮，從而防止環空氣竄產生，提高固井質量。從七十年代末以來，已先後開發出各種牌號的水泥發泡劑，其基本原理都是利用金屬鋁粉與鹼性水泥漿反應放出氫氣來補償因水泥漿膠凝失重所造成的靜液柱壓力的降低，保持壓力平衡，從而有效地抑止環空氣竄。根據上述目的，要求發泡劑具有延時發氣的性能，否則達不到阻止環空氣竄之目的。顯然純金屬鋁粉無法使用，首先純金屬鋁粉在運輸、貯存過程中易被氧化，形成的氧化層將會影響發氣量，再者純鋁粉一旦與水泥漿混合便會立即反應產氣，影響施工安全和泵送進行。因此必須對鋁粉進行表面處理。圍繞著怎樣處理鋁粉使之能滿足固井工藝的要求，近年來公開了不少技術方案，其較為成功者都是採用極性有機化合物配成溶液對鋁粉進行包封。其基本原理是利用包封材料上的極性基團與鹼性水溶液接觸後逐漸溶解而使鋁粉暴露導致產氣。例如U.S.P.4，328，038公開了一種鋁粉處理方法，系採用經處理的木材樹脂作為包封劑;U.S.P.4，367，093公開的方法則是用乙二醇及油脂類化合物包封鋁粉;U.S.P.4，565，578中用的包封劑是多元醇的脂肪酸單酯類。顯然，這些包封劑有的價格較貴，有的不易得到。U.S.P.4，328，038和U.S.P.4，565，578的包封工藝還較複雜，均需將鋁粉和包封劑一起放在甲醇等溶液中浸泡，然後加熱乾燥或真空乾燥製得產品。而U.S.P.4，367，093雖可用包封劑直接浸泡鋁粉，但所得產品是半流體狀，包裝、運輸、使用都不方便。況且經實驗證明有些發泡劑延時效果不佳。
本發明的目的在於尋求一類價廉易得的包封劑從而製得一種新的使用方便的油氣井固井用水泥發泡劑，且要求包封工藝簡便。
本發明的出發點與現有技術不同，具體地說，本發明選用的包封劑是一類非極性有機化合物，採用無溶劑包封，其原理是利用一定溫度下發生物理變化使得包封劑熔離而導致鋁粉延時產氣。
本發明的具體方案是這樣的選用熔點在40℃～80℃範圍內的非極性有機化合物作金屬鋁粉的包封劑，利用其40℃以下不熔融，隨溫度升高逐漸熔離的特點使得經包封的鋁粉在配漿及泵送過程中不反應產氣或極少反應產氣，而到達預定井段時又能很快反應產氣。這裡所指的非極性有機化合物可以是石蠟、黃油、矽油、矽酯、凡士林、瀝青、凡立水、高真空油脂等。選用時，既可用其中一種亦可用其中幾種的混合物。
金屬鋁粉與包封劑的配方範圍較寬。一般地說，鋁粉含量高、發氣量大，反之發氣量則小，但並非發氣量越大越好，太大易形成大氣泡，分散不勻則影響水泥石強度，太小則不足以補償水泥漿靜液柱壓力的降低。包封劑則應以能均勻包裹住鋁粉表面為準則，太多太少都不合適，太多既顯得浪費又致使到達預定井段位置時包封劑未熔離完而不能按時發氣，太少則不能有效地保護鋁粉，從而導致表面氧化或造成泵送過程中即開始發氣。因而金屬鋁粉與包封劑的重量配比一般為55～85∶15～45;較佳為65～80∶20～35。
為改善固井水泥漿的某些性能，亦可在已包封的鋁粉中加入某些助劑，這些助劑可以是活性碳、石英粉、木質素磺酸鹽、磷酸鹽、鈦白粉、矽微粉、硫酸鹽等。以上助劑既可加其中一種，亦可加幾種，既可在製備包封鋁粉時加入，亦可在固井施工時與水泥一起混配。助劑的加入量一般為鋁粉和包封劑總重的0～6倍。
本發明述及的水泥發泡劑的製備工藝按以下程序進行將規定量的包封劑與鋁粉加熱至熔融並混勻，然後讓其自然冷卻，加入規定量的助劑再次混勻，分散過篩即得產品，或分散過篩後加入助劑混勻即得產品。
具體操作時，既可將鋁粉與包封劑一起加熱至熔融並攪拌混勻，也可先將包封劑加熱至熔融後倒入盛有鋁粉的容器中再攪拌混勻，但是較好的方法則是先將包封劑加熱至熔融，然後將鋁粉加入到熔融的包封劑中並攪拌混勻，讓其自然冷卻、分散過篩，使發泡劑的粒度小於50目，最好小於80目。需加入助劑時，既可在分散過篩前也可在分散過篩後加入，但不管何時加入，都應混合均勻，以保證性能一致。
取按本

發明內容
製得的水泥發泡劑1g，G級油井水泥100g，水50ml配成水泥漿，在不同溫度下恆溫發氣1h，其發氣結果列於表1(排水集氣法)。

用同樣方法，不同水灰比(W/C)，不同發泡劑加量，於60℃下不同時間內進行發氣總量的測定，結果列於表2。

表1、表2數據表明本發明的水泥發泡劑在40℃以下即使配成水泥漿也可保持較長時間基本不發氣或發氣量甚少，這為現場固井施工，確保泵送安全提供了有利條件;而當溫度超過40℃並逐漸升高時產氣速度明顯加快，產氣總量明顯增多;在一定溫度範圍內，儘管其它條件不同，但都有足夠的發氣總量和較長的發氣延續時間。因而該水泥發泡劑具有較好的延時發氣性能。
分別取於室溫和40℃恆溫條件下存放30天後的水泥發泡劑1g配製成水泥漿，測定60℃下不同時間的發氣量，結果列於表3。

表3數據表明本發明的水泥發泡劑在40℃以下存放對發氣性能基本無影響，這不僅為生產、儲運、現場作業創造了有利條件，而且保證了產品質量。
本發明的水泥發泡劑為粉狀固體，能與水泥幹混貯存，施工操作簡單方便、不必添置輔助設備，且與常用水泥添加劑的配伍性能良好，在不同型號水泥、不同水灰比、發泡劑不同加量條件下配製的水泥漿與純水泥漿相比，其常溫、高溫流變性均無明顯變化。加有發泡劑的水泥漿還有一定減阻緩凝作用，且對膠凝後的水泥石有增強作用。
與現有技術相比，本發明方案具有以下明顯優點1.所用包封材料價廉易得;
2.水泥發泡劑具有良好延時發氣性能和常溫下防鋁粉氧化性能，與常用水泥添加劑有較好相容性，對水泥石有增強作用，可與水泥幹混貯存，因而包裝、運輸及施工操作方便;
3.鋁粉包封工藝簡便，不需溶劑浸泡、亦不需真空乾燥，所需設備簡易，汙染和三廢較少，生產安全可靠。
實施例一在100ml燒杯中加入石蠟2.5g，加熱使之全部熔化，停止加熱，放入10g鋁粉攪拌混勻，待其自然冷卻後加入10g鈦白粉，2g硫酸鈉混勻後分散過篩得到50目以下的粉狀水泥發泡劑24.5g。
實施例二在500ml燒杯中加入3g石蠟，3g黃油，加熱使之全部熔化，停止加熱，然後加入6g凡立水，同時加入24.5g鋁粉並攪拌混勻，室溫放置36h後，加入磷酸氫鈉3g、活性碳28g，混勻後分散過篩得粉狀水泥發泡劑67.5g。
實施例三在100ml燒杯中加入4g凡士林，加熱使之全部熔化，停止加熱，放入10g鋁粉攪拌混勻，然後加入8g矽微粉、2g鈦白粉、50g活性碳、22g木質素磺酸鈉、4g磷酸鈉再次混勻、分散過篩製得水泥發泡劑100g。
實施例四在100ml燒杯中加高真空油脂1g、矽油2g，加熱使之全部熔化混合，停止加熱並放入9g鋁粉攪拌混勻，冷卻後加入10g矽微粉、20g活性碳，分散過篩得水泥發泡劑42g。
實施例五在500ml燒杯中加入2g石蠟、3g黃油、2.5g凡士林，加熱使之全部熔化，停止加熱，放入17.5g鋁粉進行攪拌後，冷卻至室溫，加13g石英粉、34g木質素磺酸鈣、27.5g活性碳、0.5g硫酸鈉混勻，分散過篩得水泥發泡劑100g。
實施例六在500ml燒杯中加入石蠟3g、矽油3g，加熱使之全部熔化，再加入1g凡立水攪拌混勻，然後加18g鋁粉與包封材料混勻，冷卻24h後加入木質素磺酸鈉25g，分散過篩，得到水泥發泡劑50g。
實施例七在500ml燒杯中加入6g凡士林，2g高溫石蠟，加熱使之熔化，停止加熱，放入25g鋁粉進行攪拌，然後加入10.5g矽微粉、3.5g磷酸鈉、25g木質素磺酸鈉、28g活性碳再次混勻，分散過篩得100g水泥發泡劑。
實施例八稱取由實施例一、三、四、七製得的一定量的水泥發泡劑，使其實際鋁粉含量均為0.1g，然後分別與100gG級油井水泥，50ml水混合配成水泥漿，在40℃和60℃恆溫水浴中用排水集氣法檢測延時發氣性能，其結果如下表

權利要求
1.一種以鋁粉、包封劑和助劑組成的油氣井固井用水泥發泡劑，其特徵在於a.所用包封劑為石臘、黃油、矽油、矽脂、凡士林、瀝青、凡立水、高真空油脂等非極性有機化合物中的一種或幾種的混和物；b.所用助劑為活性碳、木質素磺酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、鈦白粉、矽微粉、石英粉等物質中的一種或幾種的混和物；c.發泡劑中各組份的重量組成為鋁粉55～85%(以鋁粉和包封劑總重為基準)；包封劑15～45%(以鋁粉和包封劑總重為基準)；助劑為鋁粉與包封劑總重的0～6倍。
2.權利要求1所述的水泥發泡劑的製備方法，其特徵在於a.將規定量的鋁粉和包封劑加熱至熔融後停止加熱，混勻;b.自然冷卻後加入規定量的助劑並混勻;c.分散過篩即得產品。
3.權利要求1所述的水泥發泡劑的用途，其特徵是將其添加於油氣井固井水泥中可補償水泥漿固化過程中靜液柱壓力的降低，防止環空氣竄。
全文摘要
本發明公開了一種油氣井固井用水泥發泡劑及其製備方法。該水泥發泡劑由金屬鋁粉、非極性有機化合物類包封劑及助劑組成，可在-20℃～40℃溫度範圍內長期存放，與其它固井水泥添加劑有良好配伍性，直接配漿在溫度低於40℃時基本不反應，而進入預定井段後包封劑逐漸熔離使得鋁粉與水泥漿反應產生均勻氣泡，從而補償水泥漿凝固過程中靜液柱壓力的降低。阻止環空氣竄發生。其製備方法採用熔融混合的無溶劑包封工藝，所需設備簡單。
文檔編號E21B33/10GK1046150SQ89105888
公開日1990年10月17日 申請日期1989年4月4日 優先權日1989年4月4日
發明者幸榮勇, 劉寧東, 季仲濤, 薜樹滿, 曾凡富, 胡家泉, 李德芬, 石成瑞, 周建平, 林強, 葉明英 申請人:化學工業部晨光化工研究院一分院, 地質礦產部西南石油地質局井下業大隊