专利名称：：油井处理和建造的方法油井处理和建造的方法
技术领域：
：本发明涉及油井(well)建造以及油井永久封堵和废弃的方法以及与所述方法相关的改进，具体而言涉及地热井和用于烃类提取的油井的建造方法以及永久封堵和废弃方法以及与所述方法相关的改进，还涉及用于所述方法的水泥、水泥组合物和水泥添加剂。在建造油井时，在进行钻井之后，将筒状金属管、套管或衬管放在井筒中，并用水泥填充管外壁与井筒内壁之间的空间。以这种方法，将不同的区域隔开，并防止流体如水、气或油沿井筒漏出。水泥还用于油井的永久封堵和废弃。例如在E.B.Nelson编辑的"WellCementing",SchlumbergerEducationalServices,SugarLand,Texas,USA,1990中，对井下固井(downholecementing)进行了描述。非常希望油井建造或者封堵和废弃中所用的水泥保持其机械完整性并保持与套管或衬管以及井筒内壁的粘结。井下常用的水泥通常包含石英粉，例如约35%bwoc(以水泥重量计)的石英粉/硅酸盐水泥(Portlandcement)混合物，以得到所需的井下机械性质，例如以后暴露于较高温度时的抗压强度。然而，已知使用含石英粉的水泥在某些条件下如凝固启动塞(kick-offplug)等时在较低的井下温度会造成一些问题。在所述条件下，井位处要求大量不同的干水泥，由此造成后勤难题(logisticchallenge)。在油井的使用期限内，套管/衬管所经受的温度和压力始终在变化，由于水泥可能自然产生收缩，从而影响水泥的粘结。通过例如压力试验、开采、注入/增注(injection/stimulation)、修井等，在油井的使用期限内发生温度和压力的循环。还已知凝固硅酸盐水泥暴露于二氧化碳将导致水泥腐蚀。凝固水泥的孔越多，腐蚀速度越快且油层隔离(zonalisolation)的损失越大。特别是在温度和压力高或期望经历高度循环的井下位置，和/或在将暴露于二氧化碳的井下位置，可能采用复杂的水泥体系。这些复杂且昂贵的水泥体系可包括使用大量不同的添加剂、特种设备、许多不同的水泥共混物、额外的操作人员等。因而需要下述水泥组合物其在井下使用时显示出足够的长期性能，同时，可例如在高压/高温、低压/低温、二氧化碳环境中，作为堵漏材料、封堵和废弃材料、启动塞材料等用于尽可能多的相关固井应用。我们已经发现，可通过将粉状细晶岩作为组分包含在要应用于井下的水泥中，来实现这些改进的性能。因而从一方面来看本发明提供油井建造或处理(treatment)的方法，该方法包括沿井筒向下引入可凝固水泥组合物，其特征在于所述组合物包含粉状细晶岩。添加到油井水泥中的碳纤维可用于影响所述油井水泥的几个重要性质。这些性质中最重要的是与凝固水泥相关的那些，但在流体状态下，水泥中的碳纤维还可提高水泥的减少向岩层的失水量(fluidloss)的能力。在固井操作期间，失水量通常是个问题，这是因为水泥的密度通常大于其所取代的钻井液的密度。在一些情况下，碳纤维可桥接导致失水的小裂紋，从而在^由耳又才喿作(pumpingoperation)期间减少失水。更重要的是凝固水泥的性质，这是因为碳纤维将影响例如抗压强度、抗拉强度以及粘结至套管/岩层等性质。抗压强度是重要的，但更重要的是碳纤维将赋予凝固水泥增大的抗拉强度。油井中的温度和压力循环对于凝固水泥尤为关键，这是因为温度和压力循环导致套管/管膨胀/收缩。已知套管的这种运动将导致凝固水泥失效，从而造成沿井筒的弱油层隔离。可通过在油井水泥中同时使用碳纤维和细晶岩，来控制用于最佳油层隔离的最关键机械性质。因而，本发明的另一方面提供油井建造或处理的方法，该方法包括沿井筒向下引入可凝固水泥组合物，其特征在于所述组合物包含粉状细晶岩和-碳纤维。用于本发明的合适的石友纤维包括购自DevoidAMTAS,N-6030LangevSg,Norway的碳纤维。碳纤维的长度优选为0.1cm~10.0cm，更优选为0.3cm~2.5cm,特别优选为0.5cm~1.0cm。纤维的直径优选为1[im15拜，优选为3[im10|im,更优选为6[im~8|im,特另'J为7,。每立方米水泥混合物(即水泥加细晶岩，或者水泥加细晶岩加高炉矿渣)所添加的纤维量优选为0.1kg/m310kg/m3，更优选为0.3kg/m3~7kg/m3，特别优选为0.5kg/m3~5kg/m3。本申请所用的术语油井是指用于从地表以下提取流体的油井或用于流体的地下注入的油井。通常这种油井用于水或烃类(例如气(gas)或油(oil))的提取或者水、二氧化碳或烃类气体的注入，特别是用于二氧化碳的引入。本申请所用的可凝固是指所述组合物在施用之后能够经过或不经过干预(intervention)而在井下凝固。就此而言干预通常可包括在放置水泥组合物之后添加催化剂或pH调节剂。在所要求的干预包括添加其它材料如pH调节剂的情况下，在本申请中将所述组合物称作"非自凝固的"。纟田晶岩为花岗岩类矿物，例如在美国的Montpelier、Virginia、OwensValley、California,挪威的Finnvolldalen，以及日本，俄罗斯，意大利的Tuscany所发现的。细晶岩目前几乎专门作为助熔剂用于一次烧成瓷砖生产。细晶岩可商购自例如MaffeiNaturalResources,Italy和USSilicaCompany,WestVirginia,USA。通常细晶岩包含珪、镁、铁、钠、铝、钾、钬和钙，主要成分为珪和铝(以氧化物含量表示)，通常分别占60~85wt。/。和10~25wt%。本发明所用的细晶岩优选为高硅含量细晶岩(highsiliconcontentaplite)，例如硅含量(以氧化物含量表示)为至少68wt%,更优选至少70wt%，特别是至少75wt%。尤其优选硅含量(以氧化物含量表示)为约80wt。/。的产自挪威Finnvolldalen的细晶岩。将硅含量表示为氧化物含量，以这种方式表示元素含量是标准的地质学作法。因此例如USSilicaCompany提供的其细晶岩(产自Montpelier)的典型化学分析为Si0262.0%、Fe2030.18%、A120321.7%、Ti020.30%、CaO5.6%、MgO0.034%、Na205,5%、K2O2.90/0、P2050.22%和LOI(灼烧损失)0.1%。本发明所用粉状细晶岩的粒度优选小于200pm,更优选小于100pm,例如1100jum,更典型地10~100)im，例如50~100|im,特别是小于75|im。可通过筛分或使用粒度测量仪测量这里所指的粒度。当提及粒度小于某一值时，那么通常至少50体积％,优选至少80体积％为该粒度或更小的粒度。或者可采取例如粒度分析仪如库尔特粒度分析仪(Coulterparticlesizeanalyser)所测得的众数粒度(modeparticlesize)。可通过常规的岩石粉碎技术将粗细晶岩转变为更细的细晶岩，任选地随后进行筛分以分离出过大和/或过小的颗粒。按干固体物质计算(ondrysolidbasis),粉状细晶岩添加剂优选占至少10%bwoc(即"水泥重量"，即能够形成水泥的基本组成的重量)，更优选至少30%bwoc,尤其是至少35%bwoc,更加尤其是至少50%bwoc，例如高达400%bwoc，甚至以水泥重量计的更高浓度，更典型地高达200%bwoc,例如至少100%bwoc。通常，按干固体物质计算，细晶岩占可凝固水泥组合物的不大于85wt%，例如不大于65wt%,优选不大于60wt%,更优选不大于55wt%。这种高细晶岩含量水泥组合物本身是新颖的并形成本发明的另一个方面。从另一方面来看，本发明提供例如干粉混合物状或含水浆状水泥组合物，按干固体物质计算，该水泥组合物包含至少30%bwoc(例如30~400%bwoc)，^尤选至少35%bwoc,更净+另'Ji也至少50%bwoc,例》口40200%bwoc的粉状细晶岩。特别感兴趣的是含至少100%bwoc，例如125~200%bwoc细晶岩的组合物，这是因为所述组合物低温使用和高温使用都适用。目前不得不使用不同的水泥用于不同的深度和温度。在水泥中使用细粉状细晶岩也是新颖的并形成本发明的另一个方面。从这方面来看，本发明提供含细晶岩的水泥组合物，按干固体物质计算，所述水泥组合物含例如至少10%bwoc，优选至少30%bwoc，尤其是30400%bwoc的细晶岩，所述细晶岩的粒度小于200)im,优选小于100(im,例如50100(im,尤其是小于75fim。基本水泥成分，即本发明所用组合物中的水泥基，可为能够在井下使用的任何水泥，例如硅酸盐水泥或其它常规水泥。这种水泥成分可广泛获得并已对其进行了广泛的描述。尽管细晶岩是理解良好的地质学术语，但本申请应当强调的是，本发明可使用相对于二氧化硅具有相同或相似的减小水泥收缩的作用的其它花岗岩类岩石，代替形式上认作细晶岩的物质，并且尽管与使用认作细晶岩的范围内。除细晶岩之外，在本发明的水泥组合物中还可使用其它粉状硅酸盐，例如二氧化硅，特别是石英粉。通常非细晶岩硅酸盐与细晶岩的重量比为0:10090:10,更特别地2:9870:30,特别地10:卯30:70。当细晶岩含量相对较低时，除细晶岩之外使用非细晶岩硅酸盐是尤为优选的。如上所述，包含细晶岩的主要作用是减小凝固时的水泥收缩。在缺少细晶岩的情况下，收缩可高达4体积％。在含40。/。bwoc细晶岩的情况下，显示收缩减小到1.2体积％，在含50%bwoc细晶岩的情况下，收缩减小到0.7体积％(于150"C固化68小时之后所测得的)。这种低收缩水泥构成本发明的优选实施方案，并且在该实施方案中本发明含细晶岩的水泥在凝固时的收缩小于3体积％。所述收缩将优选小于2.5%，更优选小于2.0%，并最优选小于2%。本发明的水泥的另一个相当大的优势是所得凝固水泥组合物具有非常低的孔隙率和/或非常低的渗透率。降低的渗透性将减少任何流体或气体(例如C02)的侵入，并从而减少水泥腐蚀和气体或流体跨越水泥塞或墙的迁移。砂浆密度为1.90SG的凝固硅酸盐水泥(类似于实施例3中不含细晶岩的水泥组合物)的透水性为约0.0010mD(毫达西)，并且所述透水性随着密度的减小而增大。如果砂浆密度减小到1.44SG，那么透水性增大到约0.1380mD。APISpec.lO，第11.4节描述了如何进行所述渗透率试验并且是本领域技术人员所熟悉的。与不含细晶岩的等价物相比，本发明含细晶岩的水泥具有降低的渗透率。例如，与具有相同密度的硅酸盐水泥组合物相比，硅酸盐水泥中的细晶岩降低渗透率。通过该降低的渗透率减少导致水泥腐蚀和/或油层隔离损失的任何流体或气体侵入。在优选实施方案中，根据APISpec.lO,第11.4节，本发明含细晶岩的水泥凝固后的渗透率低于下述水泥不含细晶岩的情况下所制得的等效(equivalent)凝固水泥和/或含等量石英粉代替细晶岩组分的等效凝固水泥。在该实施方案中，密度为1.9SG的水泥的孔隙率通常不大于0.0005mD,优选不大于0.0003mD,并更优选不大于0.0002mD。将按照已知标准容易地进行这种绝对或比较试验。按照工业标准，将本发明的水泥组合物中的细晶岩(和粉状硅酸盐)含量定义为相对于基本水泥成分如硅酸盐水泥成分的干重量百分比，所述基本水泥成分即排除其它添加剂如着色剂、抗菌剂、有机聚合物、纤维(例如无机纤维如玻璃纤维或"岩棉"纤维)等之后的成分。除显著影响凝固水泥结构(例如负载)性质的添加剂如氧化硅之外，该其它添加剂相对于整个水泥組合物通常不大于10%wt.dsb，典型地小于5。/。wt。除这些添加剂之外，水泥组合物包括水泥基，即能够凝固形成水泥的物质，更具体而言包括无机水泥基。在本
技术领域：
，水泥基如硅酸盐水泥是公知的，无需在此进一步说明。例如在Lea，"TheChemistryofCementandConcrete",3rdEdition,EdwardArnold,OldWoking,UK,1970和Taylor,"CementChemistry",AcademicPress,London,UK,1990中对水泥进行了讨论。在本发明的具体实施方案中，可使用高炉矿渣(BFS)作为全部或部分(例如从接近0(如2%)到几乎100wt。/。(如90wto/。))水泥基。例如Saasen等在SPE28821,EuropeanPetroleumConference,London,UK,25-27October1994中讨论了BFS在井下固井应用中的用途。BFS特别可用作非自固化水泥组合物的基，所述非自固化水泥组合物即在采取进一步行动(例如添加pH调节剂，更具体而言碱性试剂)而引发凝固之前可原位放置的组合物。对于井下应用，非自固化水泥组合物与固化引发剂分开施用。例如，可在添加或投放(例如，可在加入水泥之前例如通过从金属管等的表面投放，将激活剂置于所需的位置)固化引发剂以例如将pH调至约9.0以上之前，将水泥组合物抽取到位。如果水泥基仅部分为BFS,例如余量为硅酸盐水泥，则可能无需使用激活剂，因为构成余量的材料可起到激活剂的作用。在水泥基全部或大部分为BFS的情况下(例如大于80%，特别是大于卯％,特别是基本上100%)，细晶岩的浓度可为任意非零的浓度但通常与上述比例相称。具体而言，本发明该实施方案中所用的细晶岩的量可为水泥基(BFS)的30重量％以上。对于用于可能遭遇高温的井下位置，目前最感兴趣的是BFS基水泥组合物；然而常规的BFS基水泥组合物仍存在所不期望的收缩问题，所述收缩问题通过根据本发明使用细晶岩得以解决。可凝固水泥组合物(含水的或干燥的)，特别是包括高炉矿渣和粉状细晶岩的非自凝固组合物构成本发明的另一个方面，所述高炉矿渣和粉状细晶岩为例如至少2%bwoc，更具体而言至少20%bwoc，特别是至少35%bwoc,更特别是至少40%bwoc等，例如高达200%bwoc或高达400%bwoc。从这方面来看，本发明提供可凝固水泥组合物(含水的或干燥的)，但具体而言提供非自凝固组合物，包括高炉矿渣和粉状细晶岩以及任选的碳纤维。从另一方面来看，本发明提供细晶岩在建造或处理地下流体提取或引入油井中的用途。从再一方面来看，本发明提供任选密封的流体提取或引入油井，所述油井包括井筒，该井筒中在至少一个深度具有环形井筒油井衬管(boreholewell-lining),所述油井衬管包括凝固水泥，所述凝固水泥使用含粉状细晶岩和任选的碳纤维的水泥组合物，特别是含本申请所述的水泥组合物制得。本发明的水泥组合物还可用于期望水泥收缩减小的其它地下固井应用，例如，用于封堵或填充岩石中的裂缝或用于其它地下体量(subterraneanvolume)如存卡者容量(storagevolume)、管或通道的力口4于。也可i人为这些应用构成本发明的一部分。可通过可凝固水泥组合物(例如非自凝固水泥组合物)井下应用所采用的本领域常规步骤和设备，在井下施用本发明的水泥组合物。将参考下述非限制性实施例进一步说明本发明的产品和工艺。实施例1含细晶岩的水泥组合物通过混合100重量份G级硅酸盐水泥(购自Norcem)和50重量份产自Finnvolldalen,Norway的4分状细晶岩(筛为75pm以下的粒度)(含Si0279.20%、MgO0.11%、Fe2030.20%、Na203.0%、A120311.10%、K203,90%、TiO20.02%、Ca01.29%、P2O50.1%),制得干水泥组合物。向该组合物添加62.01L/100kg淡水(freshwater)。于5000psi/150。C在高压/高温稠度计中固化所述混合物。所观察到的体积收缩为0.7%。于3000psi/150。C在超声水泥分析仪中测得的抗压强度(按照APIRecommendedPracticeforTestingWellCements,22ndEdition,1997)如以下表1所示表1<table><row><column>时间(时:分)</column><column>强度(psi)</column></row><row><column>1:43</column><column>50</column></row><row><column>2:50</column><column>500</column></row><row><column>24:00</column><column>3480</column></row><row><column>48:00</column><column>3260</column></row><table>实施例2不含细晶岩的水泥组合物(对比)通过向得自Norcem的G级-圭酸盐水泥添加45.55L/100kg淡水，制得水泥组合物。与实施例1中相同对该混合物进行固化和试验，显示出3.4%的体积收缩，抗压强度如以下表2所示表2<table><row><column>时间(时:分)</column><column>强度(psi)</column></row><row><column></column><column>1:502:3924:00</column><column>505003296</column></row><table>实施例3含细晶岩的水泥组合物与实施例1中相同制得干水泥组合物，不同的是使用40重量份细晶岩。将所述组合物与58.72L/kg淡水混合，并与实施例1中相同进行固化和试验。该组合物显示出1.2%的体积收缩，抗压强度如以下表3所示表3<table><row><column>时间(时:分)</column><column>强度(psi)</column></row><row><column></column><column>1:442:5224:0048:00</column><column>5050032272560</column></row><table>可采用常规的油井水泥应用设备在井下配制并应用实施例1和3的水泥组合物。实施例4破碎和收缩试一险制备表4所示的水泥组合物，并使用与实施例1中相同的超声水泥分析仪进行试验。表4<table>complextableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>*%对于二氧化石圭为bwoc,即相对于NorcemG#这些试验中所用的细晶岩为非均匀钻尘。其它试验中所用的细晶岩的粒度小于75pm。这些结果显示即使在低温下(例如在深水中使用传统水泥引发问题的温度)，仍可有利地使用较大量的特别是粒度小于75pm的细晶岩。实施例5碳纤维增强水泥可使用混有150%bwoc细晶岩(粒度小于75μm)、0.1~0.3%bwoc(例如0.2%bwoc"友纤维和94L/100kg淡水的NorcemG水泥，制备水泥组合物。所述碳纤维的纤维长度通常为5~50mm，例如1040mm。权利要求1.一种油井建造或处理的方法，该方法包括沿井筒向下引入可凝固水泥组合物，其特征在于所述组合物包含粉状细晶岩。2.—种水泥组合物，按干固体物质计算，其包含至少30%水泥重量(bwoc)的粉状细晶岩。3.权利要求2所述的组合物，按千固体物质计算，其包含至少100%bwoc的粉状细晶岩。4.权利要求2和3中任一项所述的组合物，按干固体物质计算，其包含高达400%的bwoc粉状细晶岩。5.权利要求24中任一项所述的水泥组合物，其包含粒度小于200pm的细晶岩。6.权利要求25中任一项所述的组合物，其包含粒度小于100pm的细晶岩。7.权利要求26中任一项所述的水泥组合物，其包括含硅酸盐水泥的水泥基。8.—种可凝固水泥组合物，其包含高炉矿渣和粉状细晶岩。9.权利要求28中任一项所述的水泥组合物，其中所述细晶岩的含硅量以氧化物含量计为至少68wt%。10.权利要求29中任一项所述的水泥组合物，其还包含非细晶岩硅酸盐，其中非细晶岩硅酸盐与细晶岩的重量比为2:9870:30。11.权利要求210中任一项所述的水泥组合物，其中所述凝固水泥组合物凝固时的收缩小于3体积％。12.由权利要求211中任一项所述的水泥组合物形成的凝固水泥，其中所述凝固水泥的根据APISpec.10，第11.4节的渗透率小于相同条件下由不含细晶岩的等效水泥组合物形成的等效凝固水泥的渗透率。13.由权利要求211中任一项所述的水泥组合物形成的凝固水泥，其中所述凝固水泥的根据APISpec.10,第11.4节的渗透率小于相同条件下由含石英粉代替细晶岩的等效水泥组合物形成的等效凝固水泥的渗透率。14.权利要求l中所述的方法，其中所述水泥为权利要求211中任一项所述的水泥。15.权利要求l中所述的方法，其中所述可凝固水泥为非自凝固水泥，并且其中将激活剂与所述可凝固水泥分开引入所述井筒。16.细晶岩在建造或处理地下流体提取或？I入油井中的用途。17.权利要求16中所述的用途，其中所述细晶岩包含在权利要求211中任一项所述的水泥中。18.—种任选密封的流体提取或引入油井，所述油井包括井筒，该井筒在至少一个深度具有环形井筒油井衬管，所述油井衬管包括凝固水泥，所述凝固水泥使用含粉状细晶岩的水泥组合物制得。19.权利要求18中所述的油井，其中所述水泥组合物为权利要求211中4壬一项所述的水泥组合物。全文摘要一种油井建造或处理的方法，该方法包括沿井筒向下引入可凝固水泥组合物，其特征在于所述组合物包含粉状细晶岩。文档编号C09K8/467GK101203465SQ200680014248公开日2008年6月18日申请日期2006年4月26日优先权日2005年4月26日发明者阿里尔德·萨森,霍尔瓦·艾德,鲁纳·戈多伊申请人:斯塔托伊尔海德罗公司