專利名稱：一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油氣井鉆井領(lǐng)域所用的耐CO2腐蝕固井水泥體系，是一種特別適用于高含CO2油氣藏開采、CO2驅(qū)油、枯竭油氣藏CO2埋存等技術(shù)應(yīng)用中含高濃度CO2的油氣井固井的鋁酸鹽水泥基水泥體系。
背景技術(shù)：
目前，油氣井固井使用的水泥多為硅酸鹽水泥體系。近年來，固井硅酸鹽水泥石的CO2腐蝕問題倍受關(guān)注。這是因為地層中高濃度CO2的來源已經(jīng)不再只是石油和天然氣的伴生氣，還包括CO2驅(qū)油和CO2埋存等技術(shù)大量注入的CO2，這大大提高了地層中CO2的濃度。井下高溫、高壓和潮濕環(huán)境下，高濃度的CO2在短時間內(nèi)就會對硅酸鹽水泥石產(chǎn)生嚴重腐蝕，表現(xiàn)為水泥石的滲透率增大、強度降低等，使水泥石喪失封固性能，造成封固系統(tǒng)的封隔性能失效，進而導(dǎo)致油氣采收率降低、CO2埋存失敗等嚴重后果。所以，硅酸鹽水泥石已不能滿足含高濃度CO2地層中的油氣井長期封固的要求，需要研究新型的耐CO2腐蝕固井水泥體系來取代硅酸鹽水泥體系，以提高固井水泥石的耐CO2腐蝕性能，保證高含CO2油氣藏開采、CO2驅(qū)油和CO2埋存等技術(shù)的成功應(yīng)用。在過去幾十年中，隨著高含CO2油氣藏開采、CO2驅(qū)替技術(shù)和枯竭油氣藏CO2埋存等技術(shù)的研究和應(yīng)用，國內(nèi)外已相繼開展了耐CO2腐蝕固井水泥體系的研究，取得了一些成
果O文章“礦渣微粉在水泥中的效應(yīng)分析”涉及一種向硅酸鹽水泥中摻入一定量的微硅和漂珠制成的低密度耐CO2腐蝕硅酸鹽水泥體系，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。體系的耐腐蝕機理有兩點解釋微硅的火山灰作用改變了水泥石的相態(tài)組成，可與水化產(chǎn)物中的CH(Ca(OH)2)發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠， 大大減少了水泥石中的CH成分，增強了水泥石的抗CO2腐蝕腐蝕能力；同CH反應(yīng)剩余的微硅可以填充在混合固相堆積體的空隙及水泥石微裂縫中，改善水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化水泥石的孔徑分布，大大減少了較大孔隙，小孔隙增多，孔隙連通性變差，降低水泥石滲透率，不利于地層腐蝕性流體向水泥石的侵入，提高了水泥石的耐腐蝕性能。硅酸鹽水泥基耐CO2腐蝕固井水泥體系在一定程度上提高水泥石的耐CO2腐蝕性能，但由于決定水泥石耐CO2腐蝕性能的水化產(chǎn)物一水化硅酸鈣凝膠(CSH)仍會以一定的速率持續(xù)與CO2發(fā)生腐蝕反應(yīng)，長期應(yīng)用仍然存在很大風(fēng)險，所以硅酸鹽水泥基耐CO2腐蝕固井水泥體系不能滿足高含CO2油氣井長期封固的要求。文章 “Advanced Cement Systems Used to Improve Geothermal WellReliability in Java”涉及一種娃酸鹽水泥與高招水泥復(fù)配并通入一定量氮氣制得的低密度水泥漿體系，耐CO2腐蝕性能良好，但耐溫性能和抗污染性能都較差。專利“油氣井固井用耐二氧化碳腐蝕水泥體系”(公開號CN102559161A)涉及一種磷鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系，該體系具有良好的耐CO2腐蝕性能，但磷鋁酸鹽水泥熟料的礦物相主要是鋁酸鈣固溶體、磷酸鈣固溶體，水化生成的產(chǎn)物主要是磷灰石晶體礦物，水泥石抗壓強度最大僅可達到21MPa，長期用于高溫、高壓的油氣井環(huán)境下會有安全隱
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■/Q1、O本發(fā)明使用的鋁酸鹽水泥與專利“油氣井固井用耐二氧化碳腐蝕水泥體系”所使用的磷鋁酸鹽水泥礦物相組成物質(zhì)不同，水化產(chǎn)物亦不相同，是不同性質(zhì)的特種水泥。鋁酸鹽水泥在高溫下(> 500C )會發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變，強度倒縮嚴重，如用于固井工程中，需改善其高溫性能。本發(fā)明的鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系耐CO2腐蝕優(yōu)良，在高溫下養(yǎng)護的水泥石抗壓強度可達39. 8MPa，解決了單用鋁酸鹽水泥的強度倒縮問題，機械性能遠優(yōu)于磷鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有鋁酸鹽水泥高溫性能的不足，提供一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，該水泥體系的水泥石在高溫、高壓和高濃度CO2條件下具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能夠滿足高含CO2油氣井長期封固的要求，為勘探開發(fā)、高效生產(chǎn)和環(huán)境保護提供保障。為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其重量份比組成為鋁酸鹽水泥100份，水40份，磷酸鈉鹽8 12份，油井水泥消泡劑O. 4 O. 6份，緩凝劑O 3. 5份。

所述的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其重量份比組成優(yōu)選為鋁酸鹽水泥100份，水40份，磷酸鈉鹽10份，油井水泥消泡劑O. 5份，緩凝劑3份。上述的鋁酸鹽水泥礦物相主要是鋁酸一鈣(CA)，二鋁酸一鈣(CA2),鈣鋁黃長石(C2AS),鋁酸三鈣(C3A)以及微量的鐵鋁酸鹽、硫化物等。鋁酸鹽水泥優(yōu)選重量份比組成為鋁酸一鈣50 60份，二鋁酸一鈣10 15份，鈣鋁黃長石8 15份，和鋁酸三鈣3 5份。所述的磷酸鈉鹽為任意易溶性的磷酸鹽或其復(fù)合物，優(yōu)選磷酸鈉、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、磷酸二氫鈉中的一種或幾種。所述的油井水泥消泡劑為有機聚醚類消泡劑，如天津中油渤星工程科技股份有限公司生產(chǎn)的SWX-1型消泡劑，所述的緩凝劑為硅酸鈉、四硼酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉中的一種或幾種。向鋁酸鹽水泥中加入一定量的可溶性磷酸鹽，一方面解決了鋁酸鹽水泥高溫下的強度倒縮問題，另一方面減少易受CO2腐蝕礦物的生成并促進耐CO2腐蝕礦物的生成，優(yōu)化水泥石的礦物組成，加入消泡劑控制體系的泡沫數(shù)量并改善漿體分散性，在必要時加入緩凝劑延長水泥體系的稠化時間。緩凝劑不僅具有緩凝作用，還能改善水泥體系的流變性，增強了水泥漿的可泵性。本發(fā)明的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系具有以下三個方面的優(yōu)異性能(I)本發(fā)明的鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系在高溫、高壓和高濃度CO2條件下具有優(yōu)良的耐CO2腐蝕性能，用于油氣井固井可減緩地層高濃度CO2對水泥環(huán)的腐蝕，延長油氣井使用壽命。
(2)本發(fā)明的鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系優(yōu)化了鋁酸鹽水泥在高溫下的強度性能，水泥石3d抗壓強度可達39. 8MPa，可用于長期封固高濃度CO2侵蝕的油氣井。(3)本發(fā)明的鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系具有一定的觸變性能，既能夠?qū)β┦舆M行一定的封堵，又能夠減少氣竄的發(fā)生。這有利于固井施工作業(yè)的成功進行和提高固井質(zhì)量。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例進一步說明。實施例1一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系鋁酸鹽水泥100份，水40份，六偏磷酸鈉10份，油井水泥消泡劑O. 5份，無緩凝劑。水泥體系樣品號為1#。其中，鋁酸鹽水泥由鄭州仲發(fā)特種水泥熔料有限公司生產(chǎn)，型號是CA-50，未測試六偏磷酸鈉對鋁酸鹽水泥的影響，此體系不加緩凝劑。實施例2一種固井用鋁酸·鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系鋁酸鹽水泥100份，水40份，六偏磷酸鈉10份，油井水泥消泡劑O. 5份，硅酸鈉3份。水泥體系樣品號為Z1#。此體系的同實施例1對比，為了測試緩凝劑對1#體系抗壓強度的影響。對比例I水泥體系配方鋁酸鹽水泥100份，水40份，油井水泥消泡劑O. 5份。水泥體系樣品號為2#。此體系的同實施例1對比，為了測試六偏磷酸鈉對鋁酸鹽水泥抗壓強度的影響。對比例2水泥體系配方嘉華G級水泥100份，水44份，六偏磷酸鈉10份，油井水泥消泡劑O. 5份。水泥體系樣品號為3#。此體系同實施例1結(jié)合，對比了兩種水泥體系的耐二氧化碳腐蝕性能。性能測試1.高溫抗壓強度評價按油井水泥試驗方法標準GB/T19139-2003標準制備水泥漿，其中水分別以磷鋁酸鹽水泥總重量計按質(zhì)量百分比配比；然后將配制好的水泥漿倒入長寬高均為5cm的模具中，置于75°C水浴箱、常壓條件下養(yǎng)護，一定齡期后取出脫模，分別測量每種水泥漿配方其中I塊水泥石抗壓強度。測試結(jié)果見表I。實驗結(jié)果表明，本發(fā)明的鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系在高溫下具有較高的抗壓強度，同對比樣2#的鋁酸鹽水泥相比，1#水泥體系配方的中后期抗壓強度并未出現(xiàn)倒縮。本發(fā)明鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系的高溫抗壓強度評價表11#水泥體系與2#水泥體系的抗壓強度對比
權(quán)利要求
1.一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其重量份比組成為鋁酸鹽水泥100份，水40份，磷酸鈉鹽8 12份，油井水泥消泡劑O. 4 O. 6份，緩凝劑O 3. 5份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其特征是， 其重量份比組成為鋁酸鹽水泥100份，水40份，磷酸鈉鹽10份，油井水泥消泡劑O. 5份， 緩凝劑3份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其特征是， 鋁酸鹽水泥重量份比組成為鋁酸一鈣50 60份，二鋁酸一鈣10 15份，鈣鋁黃長石8 15份，和鋁酸三鈣3 5份。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其特征是， 所述的磷酸鈉鹽為磷酸鈉、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、磷酸二氫鈉中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其特征是， 所述的油井水泥消泡劑為一種有機硅乳液消泡劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其特征是， 所述的緩凝劑為硅酸鈉、四硼酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固井用鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系，其重量份比組成為鋁酸鹽水泥100份，水40份，磷酸鈉鹽8～12份，油井水泥消泡劑0.4～0.6份，緩凝劑0～3.5份。本發(fā)明的鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系在高溫、高壓和高濃度CO2條件下具有優(yōu)良的耐CO2腐蝕性能，在高溫下有較好的強度性能，水泥石3d抗壓強度可達39.8MPa，可用于長期封固高濃度CO2侵蝕的油氣井，既能夠?qū)β┦舆M行一定的封堵，又能夠減少氣竄的發(fā)生。
文檔編號C09K8/467GK103045215SQ201310030129
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者步玉環(huán), 馬聰, 郭辛陽, 郭勝來, 王銀東 申請人:中國石油大學(xué)(華東)