在地下井中保持层位隔离的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于处理地下岩层的组合物和方法，特别是用于对其中存在硫化氢的 井进行固井和完井的组合物和方法。
【背景技术】
[0002] 本部分的内容仅提供与本发明相关的【背景技术】信息，并且可能不构成现有技术。
[0003] 在构造地下井过程中，在钻井期间和之后，将管状体放入井眼中是常见的。管状体 可以包含钻杆、套管、衬管、挠性管或它们的组合。管状体的目的是充当管道，通过所述管道 可以输送并收集来自井的期望流体。管状体通常由水泥环固定在井中。水泥环提供机械支 撑和被井穿透的区域或层之间的液压隔离。后一作用是重要的，因为这防止了可能导致污 染的在区域之间的液压连通。例如，水泥环阻挡来自油或气区域的流体进入地下水面并污 染饮用水。此外，为了优化井的生产效率，可以期望例如将产油区与产气区隔离。
[0004] 水泥环由于具有低渗透性而实现了液压隔离。此外，水泥环与管状体和井眼二者 之间的紧密结合对于防止泄漏是必要的。然而，随着时间的推移，水泥环会劣化，变成可渗 透的。或者，水泥环与管状体或井眼之间的结合可能会受到影响。劣化和分离（debonding) 的主要原因包括与构造运动相关的物理性应力、温度变化、套管内压力变化以及水泥的化 学劣化。
[0005] -些油田和气田具有其流体含有酸性气体（如二氧化碳和硫化氢）的地层。从层 位隔离（zonalisolation)的角度来看，这样的井可能是具有挑战性的。
[0006] 含有较高量硫化氢的油和气被称为"酸的（sour)"。据估计在美国15%至25%的 天然气可能含有硫化氢。在世界范围内，所述百分比可高达30%。硫化氢是一种有毒物质； 因此，防止它通过水泥环逸入含水层或到达地面是重要的。另外，硫化氢对钢具有腐蚀性， 保持能胜任的（competent)水泥环对于防止在井的寿命期间内套管劣化是必要的。
【发明内容】
[0007] 本发明通过描述以下组合物和方法而实现了改进，其中所述组合物甚至在硫化氢 环境中也可以形成持久的水泥环，通过所述方法可以制备所述组合物并将其施用在地下井 中。
[0008] 在一个方面中，实施方案涉及用于在具有其中存在硫化氢的井眼的地下井中保持 层位隔离的方法。将包含与硫化氢接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆 凝固和硬化。在水泥-基体或结合失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流 体。使所述材料膨胀，从而恢复层位隔离。
[0009] 在另一个方面中，实施方案涉及对具有其中存在硫化氢的井眼的地下井进行固井 的方法。将包含与硫化氢接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆凝固和硬 化。在水泥-基体或结合失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流体。使所 述材料膨胀，从而恢复层位隔离。
[0010] 在还有一个方面中，实施方案涉及对具有其中存在硫化氢的井眼的地下井进行完 井的方法。将包含与硫化氢接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆凝固和 硬化。在水泥-基体或结合失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流体。使 所述材料膨胀，从而恢复层位隔离。
[0011] 在另外一个方面中，实施方案涉及对具有井眼的地下井进行固井或完井的方法。 通过测试、分析或其它方式确定井眼包含硫化氢或将来可能包含硫化氢。将包含与硫化氢 接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆凝固和硬化。在水泥-基体或结合 失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流体。使所述材料膨胀，从而恢复层位 隔离。
【附图说明】
[0012] 图1示出了聚丙烯颗粒和天然橡胶/苯乙烯-丁二烯颗粒在氮气、纯H2S和含H2S 的储层流体的存在下的膨胀行为。
[0013] 图2是用来执行如实施例2中所述的测试的测试室的剖面图。
[0014] 图3是放置在测试室中的岩心夹持器的剖面图。
[0015] 图4是具有凝固水泥的样品的测试室的剖面图，其中通过张力破裂，在样品中制 造了平行于岩心轴的裂纹。
[0016] 图5示出了包含聚丙烯颗粒的有裂纹的水泥岩心减少含H2S的侵入气态储层流体 的流量的能力。
【具体实施方式】
[0017] 开始时，应该注意的是在任何此类实际实施方案的开发中，必须做出大量执行方 式（imp1ementation)-特定性决定以实现开发者的特定目标，例如遵守与系统相关的和与 商业相关的约束，这会使一个执行方式与另一个执行方式不同。此外，应该理解的是此类开 发努力可能是复杂的且耗时的，但是对于受益于本发明的本领域技术人员而言，这仍然是 常规任务。此外，本发明中所使用的/所公开的组合物除了包含所提及的那些以外还可以 包含一些其它成分。在
【发明内容】
部分和本【具体实施方式】部分中，除非在上下文中另有说明， 否则每个数值都应该如同被术语"约"所修饰那样读取一次（除非已经明确地表达如此修 饰），接着如同未被如此修饰那样再读取一次。此外，在
【发明内容】
部分和本【具体实施方式】部 分中，应该理解的是作为可用的或合适的等所列出或描述的浓度范围意欲表示，在所述范 围内的任何一个和每一个浓度（包括端点）都被认为是已经被陈述过的。例如，"从1至10 的范围"被读作表示沿着约1至约10的连续统（continnum)的每一个可能的数。因此，即 使明确确认在所述范围内的具体数据点或者甚至在所述范围内没有明确确认具体数据点， 或者提及仅几个具体的点，但是应该理解的是本申请的申请人了解并理解在所述范围内的 任何和所有数据点都被认为是已经被具体指定，并且申请人具备整个范围和所述范围内所 有点的知识。
[0018] 在包含硫化氢的环境中形成耐久水泥环的水泥体系将被工业积极接受。申请人已 经确定，包含在硫化氢的存在下膨胀的材料的水泥组合物将会应对工业挑战。当结合入水 泥组合物中时，所述硫化氢膨胀化合物可以使水泥环闭合可能出现的其自身的空隙和/或 裂纹。
[0019] 申请人已经确定，某些聚合物可以满足对所需的在硫化氢的存在下可膨胀的能力 的要求。这类聚合物可包括：天然橡胶，丁腈橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶，包含乙烯和/或丙 烯的聚合物或共聚物，丁基（异丁烯-异戊二烯）橡胶，氢化丁腈橡胶，丙烯腈-丁二烯共聚 物，或它们的组合。在一些实施方案中，这样的聚合物包括聚丙烯，天然橡胶和苯乙烯-丁 二烯橡胶的共混物，或它们的组合。在一些实施方案中，这样的聚合物是聚丙烯。在一些实 施方案中，这样的聚合物是天然橡胶和苯乙烯-丁二烯橡胶的共混物。
[0020] 在一个方面中，实施方案涉及用于在具有其中存在硫化氢的井眼的地下井中保持 层位隔离的方法。将包含与硫化氢接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆 凝固和硬化。在水泥-基体或结合失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流 体。使所述材料膨胀，从而恢复层位隔离。
[0021] 在另一个方面中，实施方案涉及对具有其中存在硫化氢的井眼的地下井进行固井 的方法。将包含与硫化氢接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆凝固和硬 化。在水泥-基体或结合失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流体。使所 述材料膨胀，从而恢复层位隔离。
[0022] 在还有一个方面中，实施方案涉及对具有其中存在硫化氢的井眼的地下井进行完 井的方法。将包含与硫化氢接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆凝固和 硬化。在水泥-基体或结合失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流体。使 所述材料膨胀，从而恢复层位隔离。
[0023] 在另外一个方面中，实施方案涉及对具有井眼的地下井进行固井或完井的方法。 通过测试、分析或其它方式确定井眼包含硫化氢或将来可能包含硫化氢。将包含与硫化氢 接触时膨胀的材料的水泥浆栗送入井眼。使所述水泥浆凝固和硬化。在水泥-基体或结合 失效的情况下，将凝固的水泥暴露于含硫化氢的井眼流体。使所述材料膨胀，从而恢复层位 隔离。
[0024] 对于所有方面，井眼穿透至少一个含有流体的储层，所述储层包含硫化氢浓度高 于每升流体约五摩尔的流体。硫化氢可以是超临界的、湿的、干的或者溶解在油或水中 的。硫化氢也可以由沥青烃类或重质烃类在热采井中蒸汽的存在下的解离（水热裂解）释 放。所述重质原油可含有有机硫化物（R-S-R'）、多硫化物（R-Sx-R'）、噻吩（thiofene)和 硫醇（R-S-H)。因此，本发明可应用于其中采用蒸汽辅助重力泄油（SAGD,steamassisted gravitydrainage)或周期注蒸汽增产法（CSS,cyclicsteamstimulation)的井。对于 css应用，可膨胀材料可以是熔点比注蒸汽温度高的热固性或热塑性材料。
[0025] 对于所有方面，材料可以包括：天然橡胶，丁腈橡胶，苯乙烯-丁二烯橡胶，包含乙 烯、丙烯或二者都有的聚合物或共聚物，丁基（异丁烯-异戊二烯）橡胶，氢化丁腈橡胶，丙 烯腈-丁二烯共聚物，或它们的组合。这样的聚合物可包括：聚丙烯，丁腈橡胶和苯乙烯-丁 二烯橡胶的共混物，或它们的组合。在一些实施方案中，这样的聚合物是聚丙烯。在一些 实施方案中，这样的聚合物是天然橡胶和苯乙烯-丁二烯橡胶的共混物。材料的浓度可为 约5%至50%，按水泥浆中固体的体积计，这也可以被称为"按共混物的体积计（BVOB,by volumeofblend)"。或者，所述范围可以是约10%至40%BV0B。为了获得最佳性能，材 料的粒径分布可以是平均粒径为约10μπι至约1000μπι。平均粒径也可以是约100μπι至 900μm〇
[0026] 本领域技术人员可以认识到，本发明的聚合物的用途与它们作为水泥增量剂（即 减少水泥的量或减小水泥浆密度）或作为改进水泥柔韧性的材料的用途是不同的。
[0027] 聚合物的杨氏模量可以为约1至4000MPa，或者所述聚合物的杨氏模量可以为约1 至2000MPa。聚合物的泊松比可以大于0. 4,或者聚合物的泊松比可以大于0. 45。
[0028] 对于所有方面，水泥可以另外包含一种或多种选自以下的成分：波特兰水泥、铝 酸钙水泥、飞灰、高炉矿渣、石灰-二氧化硅共混物、沸石、地质聚合物、索瑞尔水泥（Sorel cement)、化学结合磷酸盐陶瓷、聚合物树脂及它们的混合物。聚合物树脂可包括环氧树脂、 呋喃树脂、酚醛树脂及它们的组合。所述组合物应是可栗送的。本领域技术人员会认识到， 在固井的情况下，可栗送流体在固井操作期间以及在将所述组合物放置于井中所必要的时 间期间流体所暴露的温度下在100s1的剪切速率下具有低于约l〇〇〇mPa-S的粘度。而且， 管状体可包括一种或多种选自以下的构件：钻杆、套管、衬管和挠性管。此外，井眼可穿透至 少一个含有流体的储层，所述储层优选包含硫化氢浓度高于每升约五摩尔的流体。