专利名称：一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种油气井钻井领域所用的耐CO2腐蚀固井水泥体系，是一种特别适用于高含CO2油气藏开采、CO2驱油、枯竭油气藏CO2埋存等技术应用中含高浓度CO2的油气井固井的铝酸盐水泥基水泥体系。
背景技术：
目前，油气井固井使用的水泥多为硅酸盐水泥体系。近年来，固井硅酸盐水泥石的CO2腐蚀问题倍受关注。这是因为地层中高浓度CO2的来源已经不再只是石油和天然气的伴生气，还包括CO2驱油和CO2埋存等技术大量注入的CO2，这大大提高了地层中CO2的浓度。井下高温、高压和潮湿环境下，高浓度的CO2在短时间内就会对硅酸盐水泥石产生严重腐蚀，表现为水泥石的渗透率增大、强度降低等，使水泥石丧失封固性能，造成封固系统的封隔性能失效，进而导致油气采收率降低、CO2埋存失败等严重后果。所以，硅酸盐水泥石已不能满足含高浓度CO2地层中的油气井长期封固的要求，需要研究新型的耐CO2腐蚀固井水泥体系来取代硅酸盐水泥体系，以提高固井水泥石的耐CO2腐蚀性能，保证高含CO2油气藏开采、CO2驱油和CO2埋存等技术的成功应用。在过去几十年中，随着高含CO2油气藏开采、CO2驱替技术和枯竭油气藏CO2埋存等技术的研究和应用，国内外已相继开展了耐CO2腐蚀固井水泥体系的研究，取得了一些成
果O文章“矿渣微粉在水泥中的效应分析”涉及一种向硅酸盐水泥中掺入一定量的微硅和漂珠制成的低密度耐CO2腐蚀硅酸盐水泥体系，现场应用效果良好。体系的耐腐蚀机理有两点解释微硅的火山灰作用改变了水泥石的相态组成，可与水化产物中的CH(Ca(OH)2)发生反应生成水化硅酸钙凝胶， 大大减少了水泥石中的CH成分，增强了水泥石的抗CO2腐蚀腐蚀能力；同CH反应剩余的微硅可以填充在混合固相堆积体的空隙及水泥石微裂缝中，改善水泥石的微观结构，优化水泥石的孔径分布，大大减少了较大孔隙，小孔隙增多，孔隙连通性变差，降低水泥石渗透率，不利于地层腐蚀性流体向水泥石的侵入，提高了水泥石的耐腐蚀性能。硅酸盐水泥基耐CO2腐蚀固井水泥体系在一定程度上提高水泥石的耐CO2腐蚀性能，但由于决定水泥石耐CO2腐蚀性能的水化产物一水化硅酸钙凝胶(CSH)仍会以一定的速率持续与CO2发生腐蚀反应，长期应用仍然存在很大风险，所以硅酸盐水泥基耐CO2腐蚀固井水泥体系不能满足高含CO2油气井长期封固的要求。文章 “Advanced Cement Systems Used to Improve Geothermal WellReliability in Java”涉及一种娃酸盐水泥与高招水泥复配并通入一定量氮气制得的低密度水泥浆体系，耐CO2腐蚀性能良好，但耐温性能和抗污染性能都较差。专利“油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系”(公开号CN102559161A)涉及一种磷铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系，该体系具有良好的耐CO2腐蚀性能，但磷铝酸盐水泥熟料的矿物相主要是铝酸钙固溶体、磷酸钙固溶体，水化生成的产物主要是磷灰石晶体矿物，水泥石抗压强度最大仅可达到21MPa，长期用于高温、高压的油气井环境下会有安全隐
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■/Q1、O本发明使用的铝酸盐水泥与专利“油气井固井用耐二氧化碳腐蚀水泥体系”所使用的磷铝酸盐水泥矿物相组成物质不同，水化产物亦不相同，是不同性质的特种水泥。铝酸盐水泥在高温下(> 500C )会发生晶相转变，强度倒缩严重，如用于固井工程中，需改善其高温性能。本发明的铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系耐CO2腐蚀优良，在高温下养护的水泥石抗压强度可达39. 8MPa，解决了单用铝酸盐水泥的强度倒缩问题，机械性能远优于磷铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系。
发明内容
本发明的目的是解决现有铝酸盐水泥高温性能的不足，提供一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，该水泥体系的水泥石在高温、高压和高浓度CO2条件下具有优良的耐腐蚀性能，能够满足高含CO2油气井长期封固的要求，为勘探开发、高效生产和环境保护提供保障。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其重量份比组成为铝酸盐水泥100份，水40份，磷酸钠盐8 12份，油井水泥消泡剂O. 4 O. 6份，缓凝剂O 3. 5份。
所述的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其重量份比组成优选为铝酸盐水泥100份，水40份，磷酸钠盐10份，油井水泥消泡剂O. 5份，缓凝剂3份。上述的铝酸盐水泥矿物相主要是铝酸一钙(CA)，二铝酸一钙(CA2),钙铝黄长石(C2AS),铝酸三钙(C3A)以及微量的铁铝酸盐、硫化物等。铝酸盐水泥优选重量份比组成为铝酸一钙50 60份，二铝酸一钙10 15份，钙铝黄长石8 15份，和铝酸三钙3 5份。所述的磷酸钠盐为任意易溶性的磷酸盐或其复合物，优选磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸二氢钠中的一种或几种。所述的油井水泥消泡剂为有机聚醚类消泡剂，如天津中油渤星工程科技股份有限公司生产的SWX-1型消泡剂，所述的缓凝剂为硅酸钠、四硼酸钠、木质素磺酸钠中的一种或几种。向铝酸盐水泥中加入一定量的可溶性磷酸盐，一方面解决了铝酸盐水泥高温下的强度倒缩问题，另一方面减少易受CO2腐蚀矿物的生成并促进耐CO2腐蚀矿物的生成，优化水泥石的矿物组成，加入消泡剂控制体系的泡沫数量并改善浆体分散性，在必要时加入缓凝剂延长水泥体系的稠化时间。缓凝剂不仅具有缓凝作用，还能改善水泥体系的流变性，增强了水泥浆的可泵性。本发明的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系具有以下三个方面的优异性能(I)本发明的铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系在高温、高压和高浓度CO2条件下具有优良的耐CO2腐蚀性能，用于油气井固井可减缓地层高浓度CO2对水泥环的腐蚀，延长油气井使用寿命。
(2)本发明的铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系优化了铝酸盐水泥在高温下的强度性能，水泥石3d抗压强度可达39. 8MPa，可用于长期封固高浓度CO2侵蚀的油气井。(3)本发明的铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系具有一定的触变性能，既能够对漏失层进行一定的封堵，又能够减少气窜的发生。这有利于固井施工作业的成功进行和提高固井质量。
具体实施例方式下面结合实施例进一步说明。实施例1一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系铝酸盐水泥100份，水40份，六偏磷酸钠10份，油井水泥消泡剂O. 5份，无缓凝剂。水泥体系样品号为1#。其中，铝酸盐水泥由郑州仲发特种水泥熔料有限公司生产，型号是CA-50，未测试六偏磷酸钠对铝酸盐水泥的影响，此体系不加缓凝剂。实施例2一种固井用铝酸·盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系铝酸盐水泥100份，水40份，六偏磷酸钠10份，油井水泥消泡剂O. 5份，硅酸钠3份。水泥体系样品号为Z1#。此体系的同实施例1对比，为了测试缓凝剂对1#体系抗压强度的影响。对比例I水泥体系配方铝酸盐水泥100份，水40份，油井水泥消泡剂O. 5份。水泥体系样品号为2#。此体系的同实施例1对比，为了测试六偏磷酸钠对铝酸盐水泥抗压强度的影响。对比例2水泥体系配方嘉华G级水泥100份，水44份，六偏磷酸钠10份，油井水泥消泡剂O. 5份。水泥体系样品号为3#。此体系同实施例1结合，对比了两种水泥体系的耐二氧化碳腐蚀性能。性能测试1.高温抗压强度评价按油井水泥试验方法标准GB/T19139-2003标准制备水泥浆，其中水分别以磷铝酸盐水泥总重量计按质量百分比配比；然后将配制好的水泥浆倒入长宽高均为5cm的模具中，置于75°C水浴箱、常压条件下养护，一定龄期后取出脱模，分别测量每种水泥浆配方其中I块水泥石抗压强度。测试结果见表I。实验结果表明，本发明的铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系在高温下具有较高的抗压强度，同对比样2#的铝酸盐水泥相比，1#水泥体系配方的中后期抗压强度并未出现倒缩。本发明铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系的高温抗压强度评价表11#水泥体系与2#水泥体系的抗压强度对比
权利要求
1.一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其重量份比组成为铝酸盐水泥100份，水40份，磷酸钠盐8 12份，油井水泥消泡剂O. 4 O. 6份，缓凝剂O 3. 5份。
2.根据权利要求1所述的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征是， 其重量份比组成为铝酸盐水泥100份，水40份，磷酸钠盐10份，油井水泥消泡剂O. 5份， 缓凝剂3份。
3.根据权利要求1所述的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征是， 铝酸盐水泥重量份比组成为铝酸一钙50 60份，二铝酸一钙10 15份，钙铝黄长石8 15份，和铝酸三钙3 5份。
4.根据权利要求1所述的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征是， 所述的磷酸钠盐为磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸二氢钠中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征是， 所述的油井水泥消泡剂为一种有机硅乳液消泡剂。
6.根据权利要求1所述的固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其特征是， 所述的缓凝剂为硅酸钠、四硼酸钠、木质素磺酸钠中的一种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种固井用铝酸盐水泥基耐二氧化碳腐蚀水泥体系，其重量份比组成为铝酸盐水泥100份，水40份，磷酸钠盐8～12份，油井水泥消泡剂0.4～0.6份，缓凝剂0～3.5份。本发明的铝酸盐水泥基耐CO2腐蚀水泥体系在高温、高压和高浓度CO2条件下具有优良的耐CO2腐蚀性能，在高温下有较好的强度性能，水泥石3d抗压强度可达39.8MPa，可用于长期封固高浓度CO2侵蚀的油气井，既能够对漏失层进行一定的封堵，又能够减少气窜的发生。
文档编号C09K8/467GK103045215SQ201310030129
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者步玉环, 马聪, 郭辛阳, 郭胜来, 王银东 申请人:中国石油大学(华东)