甲基羥乙基纖維素作為水泥添加劑的用途
【專利摘要】甲基羥乙基纖維素可以在井處理中的水泥漿料中用作添加劑，以防止或者降低氣體竄槽的發(fā)生。除了充當氣體控制添加劑之外，甲基羥乙基纖維素在固井過程中控制流體損失，最小化自由流體和穩(wěn)定泡沫。
【專利說明】甲基羥乙基纖維素作為水泥添加劑的用途
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及甲基羥乙基纖維素(MHEC)作為添加劑用于水泥組合物的用途。MHEC可以作為多用途添加劑，用于防止和/或控制氣體竄槽(gas channeling),控制流體損失，使得自由流體最小，改進漿料穩(wěn)定性和/或穩(wěn)定泡沫。
【背景技術】
[0002]在建造打進地下地層的井的過程中，典型地使用旋轉(zhuǎn)鉆機來鉆透地下地層以形成井筒。一旦已經(jīng)鉆成了井筒，則將管道或者套管向下放入該井筒中。將膠結(jié)漿料和驅(qū)替液(如鉆探泥或者水)向下泵入該管道或者套管內(nèi)部，并且穿過管道或者套管外部和井筒之間的環(huán)形空間向上回到管道或者套管外面。然后使得該膠結(jié)漿料凝固和硬化。
[0003]該膠結(jié)方法的主要作用是限制地下地層之間流體的移動以及連接和支撐套管。另外，水泥有助于保護套管防止腐蝕，通過快速密封地層來防止井噴，保護套管防止深井鉆探中的沖擊負荷，密封掉井漏(lost circulation)或者漏失層(thief zone)和在打算放棄的井中形成堵塞。膠結(jié)操作進一步提供地下地層的油層隔離(zonal isolation)和有助于防止井筒的坍塌或者侵蝕。除了將它們用于油氣井之外，膠結(jié)漿料還可以用于地熱井、水井、注入井、處置井和存儲井中的水泥管道或套管。
[0004]除了將井筒的具體區(qū)域與井筒的其他區(qū)域選擇性隔離之外，膠結(jié)漿料可以進一步用于其他目的。例如，水泥可以用于補救操作中來修復套管和/或?qū)崿F(xiàn)地層隔離以及密封掉孔眼，修復套管泄露(包括來自套管損壞區(qū)域的泄露)，堵塞回或者密封掉井筒的下部區(qū)域等。
[0005]用于這些應用的膠結(jié)漿料包含水硬活性水泥，其由于水合反應而凝固和形成壓縮強度。該凝固的水泥的物理性能與 水合過程中形成的鈣-硅酸鹽-水合物的X射線無定形結(jié)構有關。例如，常規(guī)的波特蘭水泥(Portland cement)形成了例如娃酸三韓、娃酸二鈣、鐵酸四鈣鋁水合物的聯(lián)鎖網(wǎng)絡，散布有硫酸鈣和氫氧化鈣晶體。這些晶體互連以形成聯(lián)鎖結(jié)構，其提供了撓曲強度和回彈度二者。
[0006]水泥組合物中的氣體竄槽是油氣工業(yè)中的一個常見問題。當水泥漿料首先置于油井或氣井的環(huán)隙中時，是液壓流體施加流體靜壓到井的側(cè)面上。初始時水泥組合物的流體靜壓足夠大，以保持在原位儲層內(nèi)自然存在的氣體。但是隨著水泥組合物漿料的凝固，它經(jīng)歷從液體變成固體的過渡階段。在這個過渡階段中，水泥組合物施加到井的流體靜壓越來越小。正是在這個過渡階段，水泥組合物易于受到進入水泥殼中的地層氣體的影響。進入水泥殼的氣體產(chǎn)生了填充有氣體的通路。當水泥硬化時，該通路在硬化的水泥組合物中變成槽。水泥組合物中的竄槽削弱了結(jié)構。
[0007]固井中的另一常見問題是來自于膠結(jié)漿料進入包圍井環(huán)隙的地層中的多孔低壓區(qū)中的液態(tài)流體損失。流體(液體和/或氣體)損失是不期望的，因為它會導致膠結(jié)漿料脫水。另外，它會導致形成水泥固體的厚濾餅。這樣的濾餅會堵塞井筒。另外，流體損失會損壞敏感的地層。因此，期望最小的流體損失，從而提供更好的油層隔離和使得流體侵入導致的地層損壞最小。
[0008]控制輕質(zhì)水泥中的氣體(特別是在低溫下)也是一個存在多年的工業(yè)難題，因為通常使用或者采用的添加劑體系更適于較重的或者較高密度的水泥。
[0009]用于控制從衆(zhòng)料向多孔可滲透地層的流體損失和氣侵(gas migration)的常用添加劑包括羥乙基纖維素(HEC)、羧甲基羥乙基纖維素(CMHEC)、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸(AMPS)、聚乙烯亞胺、苯乙烯丁二烯橡膠乳液和聚乙烯醇。此外，微粒添加劑(如硅灰(silica fume))可以與這些添加劑組合用于制造低透過性的水泥組合物。但是，這種材料在具有水泥密度高和水與水泥比率低的水泥組合物中效果最佳。水泥密度越低和水與水泥比率越高，將氣侵降低到可接受的水平和將竄槽保持最小所需的水溶性或者成膜添加劑的量越大。因此，水泥密度越低，所需的傳統(tǒng)添加劑的量越大。這個量增加到對于低密度水泥組合物來說成本過高的點。
[0010]因此，尋求用于控制流體損失和氣侵的替代添加劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]甲基羥乙基纖維素(MHEC)可以用于固井，包括油井、氣井、水井、注入井、處置井、存儲井和地熱井。將MHEC用于水泥漿料防止和/或降低了氣體竄槽的發(fā)生。另外，MHEC控制流體損失，使得自由流體最小，改進衆(zhòng)料穩(wěn)定性和穩(wěn)定泡沫。
[0012]在一個實施方案中，MHEC在水泥漿料中用作氣體控制劑。
[0013]在一個實施方案中，MHEC在水泥漿料中用作自由流體控制劑或者低密度膠結(jié)漿料的增量劑。
[0014]在另一實施方案中，MHEC在水泥漿料中用作泡沫穩(wěn)定劑。
[0015]在另一實施方案中，MHEC在水泥漿料中用于延遲對于漿料增稠時間的影響。
[0016]在另一實施方案中，MHEC在水泥漿料中用于賦予多種效果和因此充當了多用途添加劑。因此，MHEC可以代替水泥漿料中常規(guī)存在的幾種添加劑。因此，最佳的膠結(jié)漿料放置入井筒中可以通過在水泥漿料中使用多用途添加劑(如MHEC)來完成。
[0017]MHEC可以以干燥形式、懸浮于油基攜帶液中的干燥形式或者混入水基介質(zhì)中的干燥形式加入到水泥漿料中。
[0018]將MHEC用于水泥漿料中提供水泥體系的經(jīng)濟合理的設計，降低水泥漿料中添加劑組合物之間的潛在不相容性和簡化油田中的操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更完全地理解在本發(fā)明詳細說明中提及的附圖，提供每個圖的簡要說明，其中:
[0020]圖1顯示了含有甲基羥乙基纖維素(MHEC)的膠結(jié)漿料的氣體模型測試結(jié)果；和
[0021]圖2顯示了含有羥乙基纖維素(HEC)的膠結(jié)漿料的氣體模型測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0022]MHEC可以用于水泥混合物⑴以防止固井過程中氣體竄槽和/或氣侵的發(fā)生；
(2)作為降密度增量劑；(3)以控制流體損失；(4)以最小化或者限制自由流體和改進漿料穩(wěn)定性和/或(5)以穩(wěn)定水泥漿料中的泡沫。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)MHEC在高到約180° F的溫度能夠控制氣體竄槽，最小化自由流體，改進衆(zhòng)料穩(wěn)定性和穩(wěn)定泡沫。
[0023]膠結(jié)漿料的密度可以小于或者等于17.0磅/加侖(ppg)和典型地小于或等于
15.0。在另一實施方案中，水泥衆(zhòng)料可以是超低密度衆(zhòng)料,典型地是約13.0ppg至約6.0ppg或更低。
[0024]當由水泥柱施加的流體靜壓衰減到低于含油或氣儲層的孔隙壓力時，發(fā)生氣體竄槽。水泥柱中的壓力衰減歸因于由水合引起的和來自到可滲透地層的流體損失的水泥體積損失。這些效應導致了水泥是自持性的和因此不能傳輸全流體流體靜壓。氣侵會嚴重損害水泥殼的水硬完整性和會導致地表處由于缺乏油層隔離造成的安全問題。通過在水泥混合物中使用MHEC而降低和/或最小化氣體竄槽。
[0025]因為井筒中的氣侵會在多種井下壓力環(huán)境中發(fā)生，因此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以使用MHEC來降低水泥漿料的密度。經(jīng)常需要降低水泥漿料密度以將漿料置于井中，而不超過地層壓裂壓力。因此，水泥混合物中的MHEC可以充當水泥增量劑和幫助降低漿料密度，由此允許使用較低密度的漿料。MHEC允許加入水，而不損害體系的穩(wěn)定性和自由流體控制。
[0026]MHEC進一步控制流體損失，這在控制水泥組合物的粘度和增稠時間中是重要的。當水泥濾出液(水泥組合物的流體相)滲入到地層的可滲透壁中時，會從水泥組合物中失去流體。當水泥濾出液移動到可滲透壁中時，固體層沉積到該壁上。在不同的壓力下，水泥漿料將濾出液失去到可滲透地層中。來自漿料的濾出液損失會影響放置水泥的能力，這歸因于漿料脫水和隨后的增粘。流體損失(內(nèi)部歸因于水合，或者外部歸因于流體損失)降低了水泥將全部流體靜壓傳遞到這樣的點的能力，在該點水泥變成自持性的并且不能控制地層孔隙壓力。當這種情況發(fā)生時，水泥易于受到氣體或者其他流體向套管和地層之間的環(huán)隙中移動的影響。
[0027]漿料中的MHEC最小化自由流體，這改進了漿料穩(wěn)定性。自由流體是水，其在水泥組合物置于井筒中后與之分離。自由流體傾向于在水泥柱內(nèi)向上移動，這是因為自由流體不如水泥組合物中的粒子致密。最小化水泥組合物中的自由流體使得水泥組合物柱頂部的密度等于或者接近于底部的密度，因此該柱是均質(zhì)的，而自由流體導致水泥組合物柱頂上較輕和底部非常重。
[0028]上層水爆發(fā)是已經(jīng)從水泥漿料中爆發(fā)的自由流體。用MHEC控制漿料上層水爆發(fā)，由此限制地層流體滲透穿過水泥殼和產(chǎn)生竄槽的可能的通路，特別是在偏離條件下更是如此。
[0029]當發(fā)泡劑和氣體(如氮氣)引入到水泥中時，漿料中存在的MHEC能夠進一步充當穩(wěn)定劑。這些氣體有時候加入到含有表面活性劑或者發(fā)泡劑的水泥組合物中，以產(chǎn)生泡沫，其進一步降低了所述體系的密度。所產(chǎn)生的泡沫主要是彼此緊密接近的一連串氣泡。這些材料傾向于是不穩(wěn)定的和聚集成明顯更大的氣泡并最終破裂。MHEC穩(wěn)定了泡沫，將泡沫氣泡保持在大致相同的直徑和產(chǎn)生均質(zhì)得多的泡沫。
[0030]適用于膠結(jié)漿料的膠結(jié)材料包括水硬性材料，例如水硬性水泥、礦渣和水硬性水泥與礦渣的共混物(礦渣水泥(slagment))，這是本領域公知的。術語“水硬性水泥”指的是由于水合而硬化或者凝固的任何無機水泥。作為此處使用的，術語“水硬活性”指的是膠結(jié)材料的性能，其用或者不用另外的活化而允許該材料以類似于水硬性水泥的方式凝固 。水硬活性膠結(jié)材料也可以具有少量增量劑，例如膨潤土、硬浙青和膠結(jié)材料(其沒有使用任何可測量的沙子或聚集材料，或者混合有粒狀填料如沙子、重質(zhì)碳酸鈣等)。也可以使用強度增強劑(如二氧化硅粉末或石英粉)。水硬性水泥例如包括波特蘭水泥、高鋁水泥、火山灰水泥、飛灰水泥等。因此，例如在API SpeclO(第I版，1982年)中所列出的“A-Η”種類的任何油井類型的水泥均是合適的水硬性水泥。另外，膠結(jié)材料可以包括石英砂/粉和/或增重劑(包括赤鐵礦或者重晶石)。
[0031]將混合水與干燥的水泥組合物一起使用，以產(chǎn)生合適稠度的流體可泵送的漿料。水泥工業(yè)中已知的API SpeclO,第二版，1984年6月，描述了一種核準的設備和方法,用于以Bearden為稠度單位(Be)測量水泥漿料的稠度。可泵送的漿料應當處于約2_20Bc和優(yōu)選約5-llBc的測量范圍內(nèi)。比約5Bc稀薄的漿料將傾向于具有更大的粒子沉降和自由流體產(chǎn)生。比約20Bc稠的漿料變得越來越難以混合和泵送。
[0032]取決于具體的漿料和打算使用的條件，用于本發(fā)明的漿料中的混合水的范圍為基于水泥的干重計約30-150重量％，和優(yōu)選約35-90重量％。
[0033]本發(fā)明的膠結(jié)漿料可以進一步包含用于氣井或者油井固井的常規(guī)添加劑，例如懸浮劑或者觸變劑、強度降低添加劑、滲透性降低劑、增重材料和抗沉降劑等。
[0034]漿料和MHEC的組合產(chǎn)生的漿料表現(xiàn)出低流體損失、最小的自由流體、優(yōu)異的固體支持和出乎意料的氣侵控制。低流體損失是在可滲透介質(zhì)上存在差壓的情況下，通過建立低滲透性濾餅來完成的。使用API流體損失測試，用于輕質(zhì)水泥的低流體損失小于500cc/30分鐘。使用API流體損失測試，具有大于約14磅/加侖密度的水泥的低流體損失小于約50cc/30分鐘。
[0035]加入到水泥漿料中以產(chǎn)生此處所述的氣密設計的MHEC量可以基于具體井的參數(shù)(例如溫度和壓力)來確定。在一 個實施方案中，約0.05-約1.50%水泥重量(BWOC)的MHEC被用于漿料中。
[0036]對于具體井的具體溫度和壓力參數(shù)，可以通過進行在此描述并引入作為參考的一系列測試來確定MHEC優(yōu)選的量。首先，為了使用本發(fā)明的多功能添加劑來產(chǎn)生氣密設計，必需加入足夠的添加劑，從而對于低密度水泥組合物將API流體損失降低到低于約500cm3/30分鐘的速率，或者對于高密度水泥組合物降低到約50cm3/30分鐘的速率。用于確定API流體損失的測試可以在API Recommended PracticelOB,第22版，1997年12月中找到，并且在此引入作為參考。
[0037]理想地，也加入足夠的MHEC以最小化氣密設計的自由流體含量到低于約0.2mL。用于確定水泥的自由流體含量的測試可以在APIRecommended PracticelOB,第22版，1997年12月中找到，并且在此引入作為參考。必需加入足量的添加劑，以使得氣密設計表現(xiàn)出最小的沉積作用。用于確定沉積作用的測試可以在API Recommended PracticelOB,第22版，1997年12月中找到，并且在此引入作為參考。如API Recommended PracticelOB，第22版，1997年12月中所述，對于氣體控制設計來說，頂部樣品和底部樣品之間的最大的期望密度差應當不大于0.2Lb/gal。一旦確定了添加劑的具體量，將產(chǎn)生:API流體損失水平低于約500cc/30分鐘的速率；氣密設計的自由流體含量低于約0.2mL，和最小的沉積作用，可以進行此處所述的氣體流動模型測試來確定流體損失、過渡時間和抗氣體侵入的滲透性。
[0038]漿料可以進一步包含緩凝劑以延遲水泥組合物的凝固時間。當水泥組合物暴露于高的地下溫度時，這種緩凝劑特別有用。除了能夠延遲水泥組合物的凝固時間之外，緩凝劑還用于延長水泥組合物混合和置入井中之后水泥組合物保持可泵送的時間。當存在時，緩凝劑的存在量可以是約0.1-約5%的BWOC。合適的緩凝劑包括:葡庚糖酸鹽，如葡庚糖酸鈉、葡庚糖酸鈣和葡庚糖酸鎂；木素磺酸鹽，如木素磺酸鈉和木素磺酸鈣鈉；葡糖酸葡糖酸鹽，如葡糖酸鈉、葡糖酸鈣和葡糖酸鈣鈉；膦酸鹽，如EDTA膦酸的鈉鹽；糖，如蔗糖；羥基羧酸，如檸檬酸；等等，以及它們的共混物。
[0039]MHEC(和任選的膠結(jié)添加劑)可以通過本領域技術人員已知的任何方法加入到水泥組合物中。將本發(fā)明的添加劑加入到水泥中的一種優(yōu)選的方法是通過液體添加劑體系。水基和油基添加劑可以通過將添加劑注入或者置于膠結(jié)單元的驅(qū)替槽中而加入到水泥組合物中。可以允許添加劑加入混合水中，分散和然后用于與水泥混合。另外一種優(yōu)選的方法是在水泥批量設施將它們與水泥干混而加入干燥形式的本發(fā)明的添加劑。然后，干燥水泥和添加劑的共混物可以用于形成漿料。
[0040]MHEC從根本上不同于其他通常使用的添加劑，因為它控制了環(huán)隙氣體。但是，它可以嚴格用作流體損失添加劑或者用作增量劑。例如，MHEC可以用作降密度增量劑，因為它允許使用大量的水，由此降低水泥組合物的密度。此外，MHEC可以嚴格用于控制水泥組合物的流體損失，其是水泥漿料組合物中任何氣侵控制現(xiàn)象或者方法的組成部分。因為MHEC最小化自由流體和改進漿料穩(wěn)定性(在對抗氣侵中的重要參數(shù))，因此它作為多用途水泥特別有用。它的眾多功能全部貢獻為控制氣侵的能力。當在水泥混合物中使用MHEC時，不需要分別添加增量劑、流體損失添加劑和自由流體控制劑。
[0041]下面的實施例是本發(fā)明一些實施方案的示例。考慮到這里進行的說明，處于這里的權利要求書范圍內(nèi)的其他實施方案對本領域技術人員來說是顯而易見的。這意味著說明書以及實施例應當被認為僅僅是示例性的，并且本發(fā)明的范圍和主旨是通過后面的權利要求書來表明的。
[0042]除非有相反指示，實施例中所述的全部百分比以重量單位給出。
[0043]實施例
[0044]實施例1-13。所需密度的膠結(jié)衆(zhòng)料在室溫下,通過混合純Joppa Class H波特蘭水泥，任選地混合有飛灰，以及新鮮的自來水來制備。向該漿料中加入甲基羥乙基纖維素(MHEC)和任選的作為緩凝劑的木素磺酸鈉(“SLS”)。(還使用來自三個供應商之一的HEC代替MHEC，制備了對比漿料)。將所形成的漿料通過不時攪拌來保持攪動狀態(tài)。該漿料的自由流體含量根據(jù)API Recommended PracticelOB-2,第一版,2005年7月中的程序來確定。流體損失的量在指定溫度下，根據(jù)API Recommended PracticelOB,第22版，1997年12月的程序來測量，其在此引入作為參考。標準API粘度讀數(shù)在Fann35粘度計上，在120° F、160° F或170° F進行。結(jié)果示于表1中:
[0045]表1
[0046]
【權利要求】
1.一種膠結(jié)井筒中的管或者套管的方法，其包括: (a)向井筒中引入包含甲基羥乙基纖維素(MHEC)的膠結(jié)漿料，其中MHEC在膠結(jié)漿料中的存在量足以降低或者防止在膠結(jié)管或者套管過程中在井筒中發(fā)生氣體竄槽；和 (b)使?jié){料硬化成固體物質(zhì)。
2.權利要求1的方法，其中膠結(jié)漿料的密度小于或者等于約17ppg。
3.權利要求2的方法，其中膠結(jié)漿料的密度小于或者等于約13.0ppg。
4.權利要求1的方法，其中膠結(jié)漿料中MHEC的量是按水泥重量計約0.05-約1.50%。
5.權利要求1的方法，其中膠結(jié)漿料的流體損失量小于約500cm3/30分鐘，APISpeclOb0
6.權利要求1的方法，其中膠結(jié)漿料的自由流體含量小于或者等于約0.2mL, APISpeclObo
7.權利要求1的方法，其中在將MHEC引入膠結(jié)漿料之前，將MHEC懸浮于油中。
8.一種膠結(jié)井筒中的管或者套管的方法，其包括向井筒中引入包含甲基羥乙基纖維素(MHEC)的膠結(jié)漿料，其中MHEC在膠結(jié)漿料中的存在量對如下的至少一個是足夠的: (a)降低或者防止在膠結(jié)過程中井筒中發(fā)生氣體竄槽； (b)控制膠結(jié)過程中的流體損失； (c)最小化膠結(jié)過程中的自由流體；或者 (d)改進膠結(jié)過程中的漿料穩(wěn)定性。
9.權利要求8的方法，其中膠結(jié)漿料的流體損失量小于約500cm3/30分鐘，APISpeclOb0
10.權利要求8的方法，其中膠結(jié)漿料的自由流體含量小于或者等于約0.2mL, APISpeclObo
11.權利要求8的方法，其中膠結(jié)漿料的密度小于或者等于約17ppg。
12.權利要求11的方法，其中膠結(jié)漿料的密度小于或者等于約13.0ppg。
13.權利要求8的方法，其中膠結(jié)漿料中MHEC的量是按水泥重量計約0.05-約1.50%。
14.一種在氣井或者油井中膠結(jié)和控制膠結(jié)過程中流體損失的方法，該方法包括: 向井中泵入包含水、水泥和MHEC的膠結(jié)漿料；和 使?jié){料硬化成固體物質(zhì)。
15.權利要求14的方法，其中膠結(jié)漿料的流體損失量小于約500cm3/30分鐘，APISpeclOb0
16.權利要求14的方法，其中膠結(jié)漿料的自由流體含量小于或者等于約0.2mL, APISpeclObo
17.權利要求14的方法，其中膠結(jié)漿料中MHEC的量是按水泥重量計約0.05-約1.50%。
18.權利要求14的方法，其中膠結(jié)漿料中的水泥是波特蘭水泥。
19.一種降低固井過程中氣體竄槽發(fā)生的方法，其包括向井中引入包含波特蘭水泥和甲基乙基羥基纖維素(MHEC)的膠結(jié)漿料。
20.權利要求19的方法，其中膠結(jié)漿料中MHEC的量是按水泥重量計約0.05-約1.50%。
【文檔編號】C09K8/493GK103476729SQ201280018998
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年4月10日 優(yōu)先權日:2011年4月19日
【發(fā)明者】W·S·布雷, A·布蘭德爾 申請人:貝克休斯公司