甲基羟乙基纤维素作为水泥添加剂的用途
【专利摘要】甲基羟乙基纤维素可以在井处理中的水泥浆料中用作添加剂，以防止或者降低气体窜槽的发生。除了充当气体控制添加剂之外，甲基羟乙基纤维素在固井过程中控制流体损失，最小化自由流体和稳定泡沫。
【专利说明】甲基羟乙基纤维素作为水泥添加剂的用途
【技术领域】
[0001]本发明涉及甲基羟乙基纤维素(MHEC)作为添加剂用于水泥组合物的用途。MHEC可以作为多用途添加剂，用于防止和/或控制气体窜槽(gas channeling),控制流体损失，使得自由流体最小，改进浆料稳定性和/或稳定泡沫。
【背景技术】
[0002]在建造打进地下地层的井的过程中，典型地使用旋转钻机来钻透地下地层以形成井筒。一旦已经钻成了井筒，则将管道或者套管向下放入该井筒中。将胶结浆料和驱替液(如钻探泥或者水)向下泵入该管道或者套管内部，并且穿过管道或者套管外部和井筒之间的环形空间向上回到管道或者套管外面。然后使得该胶结浆料凝固和硬化。
[0003]该胶结方法的主要作用是限制地下地层之间流体的移动以及连接和支撑套管。另外，水泥有助于保护套管防止腐蚀，通过快速密封地层来防止井喷，保护套管防止深井钻探中的冲击负荷，密封掉井漏(lost circulation)或者漏失层(thief zone)和在打算放弃的井中形成堵塞。胶结操作进一步提供地下地层的油层隔离(zonal isolation)和有助于防止井筒的坍塌或者侵蚀。除了将它们用于油气井之外，胶结浆料还可以用于地热井、水井、注入井、处置井和存储井中的水泥管道或套管。
[0004]除了将井筒的具体区域与井筒的其他区域选择性隔离之外，胶结浆料可以进一步用于其他目的。例如，水泥可以用于补救操作中来修复套管和/或实现地层隔离以及密封掉孔眼，修复套管泄露(包括来自套管损坏区域的泄露)，堵塞回或者密封掉井筒的下部区域等。
[0005]用于这些应用的胶结浆料包含水硬活性水泥，其由于水合反应而凝固和形成压缩强度。该凝固的水泥的物理性能与 水合过程中形成的钙-硅酸盐-水合物的X射线无定形结构有关。例如，常规的波特兰水泥(Portland cement)形成了例如娃酸三韩、娃酸二钙、铁酸四钙铝水合物的联锁网络，散布有硫酸钙和氢氧化钙晶体。这些晶体互连以形成联锁结构，其提供了挠曲强度和回弹度二者。
[0006]水泥组合物中的气体窜槽是油气工业中的一个常见问题。当水泥浆料首先置于油井或气井的环隙中时，是液压流体施加流体静压到井的侧面上。初始时水泥组合物的流体静压足够大，以保持在原位储层内自然存在的气体。但是随着水泥组合物浆料的凝固，它经历从液体变成固体的过渡阶段。在这个过渡阶段中，水泥组合物施加到井的流体静压越来越小。正是在这个过渡阶段，水泥组合物易于受到进入水泥壳中的地层气体的影响。进入水泥壳的气体产生了填充有气体的通路。当水泥硬化时，该通路在硬化的水泥组合物中变成槽。水泥组合物中的窜槽削弱了结构。
[0007]固井中的另一常见问题是来自于胶结浆料进入包围井环隙的地层中的多孔低压区中的液态流体损失。流体(液体和/或气体)损失是不期望的，因为它会导致胶结浆料脱水。另外，它会导致形成水泥固体的厚滤饼。这样的滤饼会堵塞井筒。另外，流体损失会损坏敏感的地层。因此，期望最小的流体损失，从而提供更好的油层隔离和使得流体侵入导致的地层损坏最小。
[0008]控制轻质水泥中的气体(特别是在低温下)也是一个存在多年的工业难题，因为通常使用或者采用的添加剂体系更适于较重的或者较高密度的水泥。
[0009]用于控制从衆料向多孔可渗透地层的流体损失和气侵(gas migration)的常用添加剂包括羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸(AMPS)、聚乙烯亚胺、苯乙烯丁二烯橡胶乳液和聚乙烯醇。此外，微粒添加剂(如硅灰(silica fume))可以与这些添加剂组合用于制造低透过性的水泥组合物。但是，这种材料在具有水泥密度高和水与水泥比率低的水泥组合物中效果最佳。水泥密度越低和水与水泥比率越高，将气侵降低到可接受的水平和将窜槽保持最小所需的水溶性或者成膜添加剂的量越大。因此，水泥密度越低，所需的传统添加剂的量越大。这个量增加到对于低密度水泥组合物来说成本过高的点。
[0010]因此，寻求用于控制流体损失和气侵的替代添加剂。
【发明内容】
[0011]甲基羟乙基纤维素(MHEC)可以用于固井，包括油井、气井、水井、注入井、处置井、存储井和地热井。将MHEC用于水泥浆料防止和/或降低了气体窜槽的发生。另外，MHEC控制流体损失，使得自由流体最小，改进衆料稳定性和稳定泡沫。
[0012]在一个实施方案中，MHEC在水泥浆料中用作气体控制剂。
[0013]在一个实施方案中，MHEC在水泥浆料中用作自由流体控制剂或者低密度胶结浆料的增量剂。
[0014]在另一实施方案中，MHEC在水泥浆料中用作泡沫稳定剂。
[0015]在另一实施方案中，MHEC在水泥浆料中用于延迟对于浆料增稠时间的影响。
[0016]在另一实施方案中，MHEC在水泥浆料中用于赋予多种效果和因此充当了多用途添加剂。因此，MHEC可以代替水泥浆料中常规存在的几种添加剂。因此，最佳的胶结浆料放置入井筒中可以通过在水泥浆料中使用多用途添加剂(如MHEC)来完成。
[0017]MHEC可以以干燥形式、悬浮于油基携带液中的干燥形式或者混入水基介质中的干燥形式加入到水泥浆料中。
[0018]将MHEC用于水泥浆料中提供水泥体系的经济合理的设计，降低水泥浆料中添加剂组合物之间的潜在不相容性和简化油田中的操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了更完全地理解在本发明详细说明中提及的附图，提供每个图的简要说明，其中:
[0020]图1显示了含有甲基羟乙基纤维素(MHEC)的胶结浆料的气体模型测试结果；和
[0021]图2显示了含有羟乙基纤维素(HEC)的胶结浆料的气体模型测试结果。
【具体实施方式】
[0022]MHEC可以用于水泥混合物⑴以防止固井过程中气体窜槽和/或气侵的发生；
(2)作为降密度增量剂；(3)以控制流体损失；(4)以最小化或者限制自由流体和改进浆料稳定性和/或(5)以稳定水泥浆料中的泡沫。例如，已经发现MHEC在高到约180° F的温度能够控制气体窜槽，最小化自由流体，改进衆料稳定性和稳定泡沫。
[0023]胶结浆料的密度可以小于或者等于17.0磅/加仑(ppg)和典型地小于或等于
15.0。在另一实施方案中，水泥衆料可以是超低密度衆料,典型地是约13.0ppg至约6.0ppg或更低。
[0024]当由水泥柱施加的流体静压衰减到低于含油或气储层的孔隙压力时，发生气体窜槽。水泥柱中的压力衰减归因于由水合引起的和来自到可渗透地层的流体损失的水泥体积损失。这些效应导致了水泥是自持性的和因此不能传输全流体流体静压。气侵会严重损害水泥壳的水硬完整性和会导致地表处由于缺乏油层隔离造成的安全问题。通过在水泥混合物中使用MHEC而降低和/或最小化气体窜槽。
[0025]因为井筒中的气侵会在多种井下压力环境中发生，因此已经发现可以使用MHEC来降低水泥浆料的密度。经常需要降低水泥浆料密度以将浆料置于井中，而不超过地层压裂压力。因此，水泥混合物中的MHEC可以充当水泥增量剂和帮助降低浆料密度，由此允许使用较低密度的浆料。MHEC允许加入水，而不损害体系的稳定性和自由流体控制。
[0026]MHEC进一步控制流体损失，这在控制水泥组合物的粘度和增稠时间中是重要的。当水泥滤出液(水泥组合物的流体相)渗入到地层的可渗透壁中时，会从水泥组合物中失去流体。当水泥滤出液移动到可渗透壁中时，固体层沉积到该壁上。在不同的压力下，水泥浆料将滤出液失去到可渗透地层中。来自浆料的滤出液损失会影响放置水泥的能力，这归因于浆料脱水和随后的增粘。流体损失(内部归因于水合，或者外部归因于流体损失)降低了水泥将全部流体静压传递到这样的点的能力，在该点水泥变成自持性的并且不能控制地层孔隙压力。当这种情况发生时，水泥易于受到气体或者其他流体向套管和地层之间的环隙中移动的影响。
[0027]浆料中的MHEC最小化自由流体，这改进了浆料稳定性。自由流体是水，其在水泥组合物置于井筒中后与之分离。自由流体倾向于在水泥柱内向上移动，这是因为自由流体不如水泥组合物中的粒子致密。最小化水泥组合物中的自由流体使得水泥组合物柱顶部的密度等于或者接近于底部的密度，因此该柱是均质的，而自由流体导致水泥组合物柱顶上较轻和底部非常重。
[0028]上层水爆发是已经从水泥浆料中爆发的自由流体。用MHEC控制浆料上层水爆发，由此限制地层流体渗透穿过水泥壳和产生窜槽的可能的通路，特别是在偏离条件下更是如此。
[0029]当发泡剂和气体(如氮气)引入到水泥中时，浆料中存在的MHEC能够进一步充当稳定剂。这些气体有时候加入到含有表面活性剂或者发泡剂的水泥组合物中，以产生泡沫，其进一步降低了所述体系的密度。所产生的泡沫主要是彼此紧密接近的一连串气泡。这些材料倾向于是不稳定的和聚集成明显更大的气泡并最终破裂。MHEC稳定了泡沫，将泡沫气泡保持在大致相同的直径和产生均质得多的泡沫。
[0030]适用于胶结浆料的胶结材料包括水硬性材料，例如水硬性水泥、矿渣和水硬性水泥与矿渣的共混物(矿渣水泥(slagment))，这是本领域公知的。术语“水硬性水泥”指的是由于水合而硬化或者凝固的任何无机水泥。作为此处使用的，术语“水硬活性”指的是胶结材料的性能，其用或者不用另外的活化而允许该材料以类似于水硬性水泥的方式凝固 。水硬活性胶结材料也可以具有少量增量剂，例如膨润土、硬浙青和胶结材料(其没有使用任何可测量的沙子或聚集材料，或者混合有粒状填料如沙子、重质碳酸钙等)。也可以使用强度增强剂(如二氧化硅粉末或石英粉)。水硬性水泥例如包括波特兰水泥、高铝水泥、火山灰水泥、飞灰水泥等。因此，例如在API SpeclO(第I版，1982年)中所列出的“A-Η”种类的任何油井类型的水泥均是合适的水硬性水泥。另外，胶结材料可以包括石英砂/粉和/或增重剂(包括赤铁矿或者重晶石)。
[0031]将混合水与干燥的水泥组合物一起使用，以产生合适稠度的流体可泵送的浆料。水泥工业中已知的API SpeclO,第二版，1984年6月，描述了一种核准的设备和方法,用于以Bearden为稠度单位(Be)测量水泥浆料的稠度。可泵送的浆料应当处于约2_20Bc和优选约5-llBc的测量范围内。比约5Bc稀薄的浆料将倾向于具有更大的粒子沉降和自由流体产生。比约20Bc稠的浆料变得越来越难以混合和泵送。
[0032]取决于具体的浆料和打算使用的条件，用于本发明的浆料中的混合水的范围为基于水泥的干重计约30-150重量％，和优选约35-90重量％。
[0033]本发明的胶结浆料可以进一步包含用于气井或者油井固井的常规添加剂，例如悬浮剂或者触变剂、强度降低添加剂、渗透性降低剂、增重材料和抗沉降剂等。
[0034]浆料和MHEC的组合产生的浆料表现出低流体损失、最小的自由流体、优异的固体支持和出乎意料的气侵控制。低流体损失是在可渗透介质上存在差压的情况下，通过建立低渗透性滤饼来完成的。使用API流体损失测试，用于轻质水泥的低流体损失小于500cc/30分钟。使用API流体损失测试，具有大于约14磅/加仑密度的水泥的低流体损失小于约50cc/30分钟。
[0035]加入到水泥浆料中以产生此处所述的气密设计的MHEC量可以基于具体井的参数(例如温度和压力)来确定。在一 个实施方案中，约0.05-约1.50%水泥重量(BWOC)的MHEC被用于浆料中。
[0036]对于具体井的具体温度和压力参数，可以通过进行在此描述并引入作为参考的一系列测试来确定MHEC优选的量。首先，为了使用本发明的多功能添加剂来产生气密设计，必需加入足够的添加剂，从而对于低密度水泥组合物将API流体损失降低到低于约500cm3/30分钟的速率，或者对于高密度水泥组合物降低到约50cm3/30分钟的速率。用于确定API流体损失的测试可以在API Recommended PracticelOB,第22版，1997年12月中找到，并且在此引入作为参考。
[0037]理想地，也加入足够的MHEC以最小化气密设计的自由流体含量到低于约0.2mL。用于确定水泥的自由流体含量的测试可以在APIRecommended PracticelOB,第22版，1997年12月中找到，并且在此引入作为参考。必需加入足量的添加剂，以使得气密设计表现出最小的沉积作用。用于确定沉积作用的测试可以在API Recommended PracticelOB,第22版，1997年12月中找到，并且在此引入作为参考。如API Recommended PracticelOB，第22版，1997年12月中所述，对于气体控制设计来说，顶部样品和底部样品之间的最大的期望密度差应当不大于0.2Lb/gal。一旦确定了添加剂的具体量，将产生:API流体损失水平低于约500cc/30分钟的速率；气密设计的自由流体含量低于约0.2mL，和最小的沉积作用，可以进行此处所述的气体流动模型测试来确定流体损失、过渡时间和抗气体侵入的渗透性。
[0038]浆料可以进一步包含缓凝剂以延迟水泥组合物的凝固时间。当水泥组合物暴露于高的地下温度时，这种缓凝剂特别有用。除了能够延迟水泥组合物的凝固时间之外，缓凝剂还用于延长水泥组合物混合和置入井中之后水泥组合物保持可泵送的时间。当存在时，缓凝剂的存在量可以是约0.1-约5%的BWOC。合适的缓凝剂包括:葡庚糖酸盐，如葡庚糖酸钠、葡庚糖酸钙和葡庚糖酸镁；木素磺酸盐，如木素磺酸钠和木素磺酸钙钠；葡糖酸葡糖酸盐，如葡糖酸钠、葡糖酸钙和葡糖酸钙钠；膦酸盐，如EDTA膦酸的钠盐；糖，如蔗糖；羟基羧酸，如柠檬酸；等等，以及它们的共混物。
[0039]MHEC(和任选的胶结添加剂)可以通过本领域技术人员已知的任何方法加入到水泥组合物中。将本发明的添加剂加入到水泥中的一种优选的方法是通过液体添加剂体系。水基和油基添加剂可以通过将添加剂注入或者置于胶结单元的驱替槽中而加入到水泥组合物中。可以允许添加剂加入混合水中，分散和然后用于与水泥混合。另外一种优选的方法是在水泥批量设施将它们与水泥干混而加入干燥形式的本发明的添加剂。然后，干燥水泥和添加剂的共混物可以用于形成浆料。
[0040]MHEC从根本上不同于其他通常使用的添加剂，因为它控制了环隙气体。但是，它可以严格用作流体损失添加剂或者用作增量剂。例如，MHEC可以用作降密度增量剂，因为它允许使用大量的水，由此降低水泥组合物的密度。此外，MHEC可以严格用于控制水泥组合物的流体损失，其是水泥浆料组合物中任何气侵控制现象或者方法的组成部分。因为MHEC最小化自由流体和改进浆料稳定性(在对抗气侵中的重要参数)，因此它作为多用途水泥特别有用。它的众多功能全部贡献为控制气侵的能力。当在水泥混合物中使用MHEC时，不需要分别添加增量剂、流体损失添加剂和自由流体控制剂。
[0041]下面的实施例是本发明一些实施方案的示例。考虑到这里进行的说明，处于这里的权利要求书范围内的其他实施方案对本领域技术人员来说是显而易见的。这意味着说明书以及实施例应当被认为仅仅是示例性的，并且本发明的范围和主旨是通过后面的权利要求书来表明的。
[0042]除非有相反指示，实施例中所述的全部百分比以重量单位给出。
[0043]实施例
[0044]实施例1-13。所需密度的胶结衆料在室温下,通过混合纯Joppa Class H波特兰水泥，任选地混合有飞灰，以及新鲜的自来水来制备。向该浆料中加入甲基羟乙基纤维素(MHEC)和任选的作为缓凝剂的木素磺酸钠(“SLS”)。(还使用来自三个供应商之一的HEC代替MHEC，制备了对比浆料)。将所形成的浆料通过不时搅拌来保持搅动状态。该浆料的自由流体含量根据API Recommended PracticelOB-2,第一版,2005年7月中的程序来确定。流体损失的量在指定温度下，根据API Recommended PracticelOB,第22版，1997年12月的程序来测量，其在此引入作为参考。标准API粘度读数在Fann35粘度计上，在120° F、160° F或170° F进行。结果示于表1中:
[0045]表1
[0046]
【权利要求】
1.一种胶结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羟乙基纤维素(MHEC)的胶结浆料，其中MHEC在胶结浆料中的存在量足以降低或者防止在胶结管或者套管过程中在井筒中发生气体窜槽；和 (b)使浆料硬化成固体物质。
2.权利要求1的方法，其中胶结浆料的密度小于或者等于约17ppg。
3.权利要求2的方法，其中胶结浆料的密度小于或者等于约13.0ppg。
4.权利要求1的方法，其中胶结浆料中MHEC的量是按水泥重量计约0.05-约1.50%。
5.权利要求1的方法，其中胶结浆料的流体损失量小于约500cm3/30分钟，APISpeclOb0
6.权利要求1的方法，其中胶结浆料的自由流体含量小于或者等于约0.2mL, APISpeclObo
7.权利要求1的方法，其中在将MHEC引入胶结浆料之前，将MHEC悬浮于油中。
8.一种胶结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羟乙基纤维素(MHEC)的胶结浆料，其中MHEC在胶结浆料中的存在量对如下的至少一个是足够的: (a)降低或者防止在胶结过程中井筒中发生气体窜槽； (b)控制胶结过程中的流体损失； (c)最小化胶结过程中的自由流体；或者 (d)改进胶结过程中的浆料稳定性。
9.权利要求8的方法，其中胶结浆料的流体损失量小于约500cm3/30分钟，APISpeclOb0
10.权利要求8的方法，其中胶结浆料的自由流体含量小于或者等于约0.2mL, APISpeclObo
11.权利要求8的方法，其中胶结浆料的密度小于或者等于约17ppg。
12.权利要求11的方法，其中胶结浆料的密度小于或者等于约13.0ppg。
13.权利要求8的方法，其中胶结浆料中MHEC的量是按水泥重量计约0.05-约1.50%。
14.一种在气井或者油井中胶结和控制胶结过程中流体损失的方法，该方法包括: 向井中泵入包含水、水泥和MHEC的胶结浆料；和 使浆料硬化成固体物质。
15.权利要求14的方法，其中胶结浆料的流体损失量小于约500cm3/30分钟，APISpeclOb0
16.权利要求14的方法，其中胶结浆料的自由流体含量小于或者等于约0.2mL, APISpeclObo
17.权利要求14的方法，其中胶结浆料中MHEC的量是按水泥重量计约0.05-约1.50%。
18.权利要求14的方法，其中胶结浆料中的水泥是波特兰水泥。
19.一种降低固井过程中气体窜槽发生的方法，其包括向井中引入包含波特兰水泥和甲基乙基羟基纤维素(MHEC)的胶结浆料。
20.权利要求19的方法，其中胶结浆料中MHEC的量是按水泥重量计约0.05-约1.50%。
【文档编号】C09K8/493GK103476729SQ201280018998
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年4月10日 优先权日:2011年4月19日
【发明者】W·S·布雷, A·布兰德尔 申请人:贝克休斯公司