专利名称：低密度、纤维增强水泥组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低密度、纤维增强的水泥组合物，尤其是涉及适于加固油井或气井或诸如此类的一种水泥组合物。
这种水泥组合物，当钻井如油井或气井时，钻探用流体，通常称为“泥浆”，循环通过钻具和井，并由钻孔的底部除去钻屑。这种流体还可以用于平衡在钻孔通经的地下岩层中流体的压力。流体对井中任意指定深度的钻孔壁所施加的压力取决于静压力，而静压力本身又取决于井的深度和流体的密度。某些地下岩层是高度渗透性的，当流体在岩层中的压力低时，例如由于岩层不很深或者流体因某种原因耗尽，这种情况就会出现，其中钻探泥浆的静压力大于岩层中的压力，来自钻孔的流体就会流入岩层中。由于因岩层中的钻探流体取代任何承载碳氢化合物的流体并妨碍有效的生产(尽管并不总是这种情况)，而且因过量的损失会导致钻管卡在钻孔中，必须替换所损失的流体，因此这种情况称为损失性循环，而且不希望出现。损失性循环通常可通过在钻探流体中含有流体损失性循环物质得到减轻。这些物质通常包含固体颗粒材料，在流体损失时，这些材料能在钻孔的断面或孔上搭桥，防止流体流入岩层所造成进一步的损失。
有时岩层是如此地多孔或不稳定，以致于不可能对钻探流体或水泥使用常规损失性循环材料以防止损失。在这种情况下，一种处置严重损失性循环问题的方法是，在靠近上述岩层的钻孔处放置一不透性水泥堵塞物，待水泥固化后再经岩层进行钻孔。尽管常规水泥浆经常被用来固化用于控制损失性循环的水泥堵塞物，但某些问题仍然会在岩层过软而不能支撑常规水泥浆的静压力时出现，但不会出现断裂、钻孔不稳和/或进一步损失的问题。在这样的情况下，就可以使用低密度的水泥浆，其实施例可在WO01/09056中找到。然而，低密度的水泥浆固化时经常不具足够的强度以支持其本身和钻孔。
适于各种用途的水泥中添加纤维状物质已得到证实。R.F.Zollo(水泥和混凝土复合物，19，1997，p107～122)发表了多种市售纤维增强混凝土系统的综论和各种系统如何工作的讨论。从那时起，已有许多发明用于改进这些材料性能。
US 5649568(1997年7月22日，WC.Allen等人，加利福尼亚联合石油公司)公开了微尺寸和常尺寸的玻璃纤维在包括广泛用于油田的G型水泥在内的各种水泥中的用途，以改良暴露于腐蚀性环境的水泥衬里的耐腐蚀性。已确定作为具有约10微米～70微米直径和长宽比为5～20∶1的微纤维。已确定作为约10-200微米直径和长宽比优选大于100的粗纤维。玻璃是优选的材料。使用量基于总固体重量为1.5-10％重量。优选组合物按固体物质总重量计还可含有5-50％重量的二氧化硅粉。
至少自1999年以来，玻璃纤维增强的油田水泥系统已可从市场上获得。这些系统典型地含有基于水泥重量低于1％重量的纤维，并且通常处于每加仑水泥浆大约12磅的中等密度。这些成本效果系统主要用于损失性循环控制的用途中。
US 5705233(1998年1月6日，F.S.Denes等人，Wisconsin Alumni研究基金会)认为，上述多种玻璃纤维复合物在水泥中通常发现的碱性条件下，对于老化和固化都是灵敏的。即使使用耐碱性玻璃纤维的复合物，长期贮存在有大气水分或有液体水的环境下也会变脆。因此他们研制出了一种改性聚烯烃纤维表面以提高该表面与水泥的相容性的方法。这一方法导致改进了粘合性和所得到的复合物的效能。处理过的纤维优选使用的含量低于1％体积或约0.5％重量。
根据Chatterji等人的US 6220354(2001年4月24日，J.Chatterji等人，Halibuton)，这普通概念适于采用轻质水泥的油田使用尤其是泡沫水泥。该专利认为，由聚酯、聚酰胺和玻璃制成的纤维在水合石灰存在下具有降解的缺点。发明者优选使用以能赋予纤维表面以亲水性的表面活性剂进行处理过的聚烯烃的纤维。原纤维形成的网状纤维似乎是优选的，其使用量基于水泥的重量计为0.1～0.25重量％。该系统具有抗压强度低的缺点，典型的低于1500psi，并具有高孔隙率。这使其减少作为控制损失性循环工具的想法。
US 6060163(2000年5月9日，A.Naaman，Michigan大学董事)讨论了能产生最大效益的纤维几何形状的优选方案。
因此，尽管研制出了适于许多不同用途的大量不同纤维增强的水泥系统，然而目前的认识表明为提高表面亲水性而改性的聚烯烃纤维是特别好的，尤其是用于轻质水泥系统。
Elmonein，Zaki和Al-Arda，讨论了适于损失性循环控制的在低密度水泥浆中的纤维的用途，见“在Abu Dhabi使用新的轻质泥浆和纤维组合物加固最深20英寸的套管”，ADIPEC-0940，第9届Abu Dhabi国际石油展览和会议，Abu Dhabi，U.A.E，2000年10月15-18日。
本发明的一个目的在于提供一种增强的低密度水泥浆，它在常规油田条件下能进行混合和泵送，甚至还能迅速构筑足够的结构物下落钻孔中以封住井孔，并防止进一步的损失。
本发明提供一种适于在钻探地下井的过程中，控制损失性循环用的纤维增强的低密度水泥系统，通常包含特定粒度性能的水泥颗粒混合物和耐碱性的纤维，如由高浓度氧化锆的玻璃组成的纤维或者由酚醛聚合物或其它聚合物系统组成的有机纤维。
本发明还提供一种具有低渗透性、低孔隙率、低浸蚀性和高强度的增强水泥浆，该泥浆适于长时间和在损失性循环场合下所遇到的条件下使用。
本发明进一步的目的在于提供一种连续的纤维网络，它可用于限制和另外稳定用于控制损失性循环场合下的水泥堵塞物。
本发明的泥浆具有0.9～1.3g/cm3的密度，并由固体部分和液体部分组成，其孔隙率(液体部分对固体部分的体积)为38％～50％，固体部分包括60％～90％(按体积计)的平均大小为20微米(μm)～350μm的轻质颗粒；10％～30％(按体积计)的平均粒径0.5μm～5μm的微水泥；0％～20％(体积计)卜特兰水泥，具有平均粒径为20μm～50μm的颗粒；0％～30％(体积计)的石膏；和至少一种存在量低于2％(重量计)、并长度低于6cm、长宽比大于10的耐碱性纤维。
包含耐碱性纤维使得固化水泥的机械强度高、耐浸蚀性得到改善，不会出现过去在水泥系统中所遇到的纤维降解问题。
对于本发明所使用的术语“纤维”还包含带状或片状的结构，这种结构所具有的性能与普通纤维的结构一样。所述材料可以包含许多不同的材料聚合物、天然结构物(地面生长的植物纤维)，然而全部都具有如上的耐碱性、长宽比和尺寸限度。纤维可以具有各种形状，例如多叶形、弧形、钩形、锥形、哑铃形。当纤维具有复杂结构时，只有纤维的外部需要耐碱性。可以采用在使用前涂有耐碱性材料的芯壳纤维。
优选水泥浆的孔隙率低于45％。
轻质颗粒的典型密度低于2g/cm3，优选低于0.8g/cm3。它们选自中空微球，尤其是硅铝酸盐微球或煤胞，合成材料如中空玻璃珠，更好的是钠-钙-硼硅酸盐玻璃的珠，陶瓷微球，例如硅铝酸盐型的，或者塑料材料珠如聚丙烯珠。
可以往泥浆中添加一种或者多种添加剂，如分散剂、防冻剂、保水剂、水泥固化促进剂或缓凝剂，以及泡沫稳定剂。
在一个实施方案中，泥浆的固体部分优选由直径为100μm～350μm的轻质颗粒和微水泥颗粒组成，轻质颗粒与微水泥的比例为70∶30～85∶15。混合物的固体部分也可以由平均直径为100μm～400μm的第一轻质颗粒50％～60％(按体积计)，平均直径为20μm～40μm的第二轻质颗粒30％～45％以及5％～20％的微水泥组成。
用于本发明中的纤维优选具有2mm～6cm的长度和6微米～200微米的直径。制成纤维的材料可以不同，但是必须是耐碱性的，并且与含水的水泥浆通常相容。这种纤维的实例是高氧化锆纤维和酚醛聚合物纤维。
落入本发明范围内的典型泥浆可以含有氧化硅铝微球(按混合物体积计为50％～60％)，微水泥(按混合物体积计为10～20％)和细的氧化硅铝微球(按混合物体积计为0％～30％)。纤维可以按每桶泥浆0.5～1.5磅的浓度加到泥浆中。纤维加到泥浆中后，立即混合泥浆。
可选择的是煤胞按混合物体积计为55％细煤胞按混合物体积计为30％微水泥按混合物体积计为15％纤维每bb1为0.5磅或者煤胞按混合物体积计为50％水泥按混合物体积计为40％飞灰按混合物体积计为10％。
附图
表明规定用于本发明实验泥浆的实验性试验装置的流程图。
为了检测某些纤维类型在堵塞1mm～～4mm不同尺寸钻孔的效果，建立了实验装置。装置是基于标准高温流体损失槽10，该槽装有内栅格板12。按附图所描绘的，该栅格板代替有效的过滤区，并且放置在该槽底14的上方20mm处。栅格板12制成有孔并且使用三块不同的栅格板。第一块栅格板由1mm直径的100个孔组成，其总孔隙空间为0.78cm2。其它两块分别由2mm直径的100个孔和由4mm直径的25个孔组成，两块板的总孔隙空间都为3.14cm2。槽的底盖14开有1.1cm直径的孔。
按流体损失实验进行检测，在栅格板上方的槽内放置385ml的泥浆。将金属板16放在泥浆的顶部。施加20巴的压力30分钟，再测量经筛板流出的泥浆量。可以逐渐地或者瞬时地施加0～20巴的压力。30分钟后通过收集的泥浆的量评价堵塞效果，以及堵塞栅格板的速度。检测是在室温下完成的。
该装置可观测到堵塞不同尺寸钻孔时所检测的不同纤维的效果，按照它们的类型材料、形状和长度，以及在泥浆中所用的浓度。
在如下的实验中说明本发明的效能和范围。
泥浆表明本发明使用了两种泥浆具有密度为15.8ppg(Std.)的标准水泥浆，和具有特定粒度性能并按WO01/09056所述为12.24pgg(LC)密度的低密度泥浆。
纤维使用的5种纤维(A-E)如下A直径约18μm、长3mm～18mm、密度1g/cm3的聚酰胺纤维；B直径约20μm、长10mm～14mm(平均12mm)、密度2.55g/cm3的纤维状玻璃纤维；C直径约21μm、长18mm～22mm、密度1.27g/cm3的诺沃洛伊德(novoloid)纤维；D直径约0.7μm、长11mm～13mm、密度0.9g/cm3的聚丙烯纤维；和E、直径约13μm、长4mm～8mm的聚酯纤维。
下表说明在Std.和LC泥浆的条件下采用纤维A-E所获得的结果栅格孔的直 泥浆 纤维类型 纤维浓度 按ml计收集 按ml计收集径(mm)(kg/m3) 的泥浆(0-20 的泥浆(0-20巴逐渐加压) 巴瞬时加压)1 Std 无- 全部全部1 Std C9.7 17 -1 Std B19.2125.5-1 Std D13 130 -1 LC 无- 全部全部1 LC C9.7 4.4 -1 LC B19.24-1 LC D13 10.2 -2 StdA6mm 13 6.9 26.92 StdA12mm 13 28.231.
2 LC A6mm 13 2 2.52 LC A12mm 13 - 0.94 StdA12mm 19.5全部全部4 StdA18mm 26 26.1234 LC A12mm 16.50.2 -4 LC A18mm 16.50.8 1.36 LC A18mm 16.50.5 全部在LC和Std泥浆的条件下，所有的纤维都能堵上1mm的栅格板，但使用LC泥浆有效得多。对于2mm和4mm较大的孔来说，A纤维在堵塞钻孔和防止泥浆流过栅格板工作情况良好，LC泥浆比Std泥浆效果更好且在更低纤维浓度下。
纤维E，在1mm和2mm的栅格板中工作的效果通常低于纤维A。
纤维A的效果随着浓度的增长而增长。
很清楚，按照所堵塞的钻孔的大小，纤维的长度起很重要的作用。纤维的长度越长，堵塞的孔越大。12mm和18mm的纤维A能堵住4mm的孔，但6mm的纤维A就堵不住。
当纤维具有长时间在钻孔上搭桥能力时，孔的堵塞就好些，这可以通过对比其逐渐或瞬时施加压力两种情况所得到的结果而进行评价。在C纤维情况下，当瞬时施加压力时，则无堵塞作用出现。
A纤维和LC泥浆组合比标准泥浆更有效，堵塞更快且流过栅格板的泥浆少。此外，可以使用较低的纤维浓度。这现象是由于LC泥浆的粒径分布和泥浆颗粒与纤维之间的相互反应而引起的。
权利要求
1.一种适于控制钻探地下井过程的损失性循环的纤维增强、低密度的水泥系统，通常含有特定颗粒性能的水泥颗粒混合物和耐碱性的纤维。
2.按权利要求1所述的系统，其中所述纤维含有高浓度二氧化锆的玻璃或者由酚醛聚合物或其它聚合体系组成的有机纤维。
3.一种水泥浆，具有0.9～1.3g/cm3的密度，并由孔隙率为38％～50％的固体部分和液体部分(液体部分对固体部分的体积比)组成，固体部分含有60％～90％(按体积计)的平均尺寸为20微米(μm)～350μm轻质颗粒；10％～30％(按体积计)的平均颗粒直径0.5μm～5μm的微水泥；0％～20％(按体积计)的卜特兰水泥，具有平均直径为20μm～50μm的颗粒；0％～30％(按体积计)的石膏；和至少一种存在量低于2％(按重量计)、长度低于6cm以及长宽比大于10的耐碱性的纤维。
4.按权利要求3所述的水泥浆，其中孔隙率低于45％。
5.按权利要求3或4所述的水泥浆，其中轻质颗粒具有低于2g/cm3的密度。
6.按权利要求5所述的水泥浆，其中轻质颗粒具有低于0.8g/cm3的密度。
7.按权利要求3-6中任一项所述的水泥浆，其中轻质ght材料选自中空微球、合成材料、陶瓷微球、或塑料材料珠。
8.按权利要求3-7中任一项所述的泥浆，还含有一种或多种添加剂，包括分散剂、防冻剂、保水剂、水泥固化促进剂或缓凝剂，以及泡沫稳定剂。
9.按权利要求3-8中任一项所述的泥浆，其中纤维具有2mm～6cm的长度和6微米～200微米的直径。
10.按权利要求3-9中任一项所述的泥浆，其中纤维以每桶泥浆0.5-1.5磅的浓度加入泥浆中。
11.一种控制钻井过程中的损失性循环的方法，该法包含在靠近损失性循环区域放置纤维增强的、低密度水泥系统的堵塞物，以用于控制钻探地下井过程中所产生的损失性循环，通常包括具有特定粒度性能的水泥颗粒混合物和耐碱性的纤维。
全文摘要
一种纤维增强的、低密度的水泥系统，适于控制钻探地下井过程中的损失性循环，通常包括具有特定粒度性能的水泥颗粒混合物和耐碱性的纤维，例如由具有高浓度氧化锆的玻璃或由酚醛聚合物或其它聚合系统组成的有机纤维组成的纤维。
文档编号C04B16/06GK1538943SQ02815435
公开日2004年10月20日 申请日期2002年7月15日 优先权日2001年8月6日
发明者让－菲利普·比德尔, 罗杰·卡德, 贝努特·维迪克, 维迪克, 卡德, 让-菲利普 比德尔 申请人:索菲泰克公司