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
技術領域：
本發明涉及一種油氣井鉆井領域所用的耐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驅油、枯竭油氣藏CO2埋存等技術應用中含高濃度CO2的油氣井固井的鋁酸鹽水泥基水泥體系。
背景技術：
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腐蝕問題倍受關注。這是因為地層中高濃度CO2的來源已經不再只是石油和天然氣的伴生氣，還包括CO2驅油和CO2埋存等技術大量注入的CO2，這大大提高了地層中CO2的濃度。井下高溫、高壓和潮濕環境下，高濃度的CO2在短時間內就會對硅酸鹽水泥石產生嚴重腐蝕，表現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，造成封固系統的封隔性能失效，進而導致油氣采收率降低、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驅油和CO2埋存等技術的成功應用。在過去幾十年中，隨著高含CO2油氣藏開采、CO2驅替技術和枯竭油氣藏CO2埋存等技術的研究和應用，國內外已相繼開展了耐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，現場應用效果良好。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組成，可與水化產物中的CH(Ca(OH)2)發生反應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構，優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腐蝕性能的水化產物一水化硅酸鈣凝膠(CSH)仍會以一定的速率持續與CO2發生腐蝕反應，長期應用仍然存在很大風險，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、高壓的油氣井環境下會有安全隱
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■/Q1、O本發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不同，水化產物亦不相同，是不同性質的特種水泥。鋁酸鹽水泥在高溫下(> 500C )會發生晶相轉變，強度倒縮嚴重，如用于固井工程中，需改善其高溫性能。本發明的鋁酸鹽水泥基耐二氧化碳腐蝕水泥體系耐CO2腐蝕優良，在高溫下養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，機械性能遠優于磷鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系。
發明內容
本發明的目的是解決現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、高效生產和環境保護提供保障。為達到上述目的，本發明所采用的技術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合物，優選磷酸鈉、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的SWX-1型消泡劑，所述的緩凝劑為硅酸鈉、四硼酸鈉、木質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，優化水泥石的礦物組成，加入消泡劑控制體系的泡沫數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異性能(I)本發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對水泥環的腐蝕，延長油氣井使用壽命。
(2)本發明的鋁酸鹽水泥基耐CO2腐蝕水泥體系優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，既能夠對漏失層進行一定的封堵，又能夠減少氣竄的發生。這有利于固井施工作業的成功進行和提高固井質量。
具體實施例方式下面結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特種水泥熔料有限公司生產，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。測試結果見表I。實驗結果表明，本發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倒縮。本發明鋁酸鹽水泥基耐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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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、木質素磺酸鈉中的一種或幾種。
全文摘要
本發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，既能夠對漏失層進行一定的封堵，又能夠減少氣竄的發生。
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 優先權日2013年1月28日
發明者步玉環, 馬聰, 郭辛陽, 郭勝來, 王銀東 申請人:中國石油大學(華東)