[发明专利]在地下井中使用的加重剂

说明书

本发明涉及制备在地下井中使用的水泥浆料用加重剂。该加重剂尤其应用于为生产油气而钻探的井内。加重剂进一步在其他地下井中使用，例如水井和地热井。本发明进一步涉及制备前述加重剂的方法及其在地下井操作中的用途。

在钻探和完成地下井(下文简称为“井”)中，典型地使用钢的管道或套管作为井的衬里。将套管下降到井内的位置中。为了固定套管在井内的位置，将水泥浆料经位于套管内的管道泵送到井内。水泥浆料离开管道并受迫进入到在其内钻探井的套管和岩层之间的环形空间中。一旦在套管和岩层之间的环面内的适当的位置，使水泥固定，从而形成低渗透率的结实固体。水泥的一个目的是提供阻挡防止流体在岩层内从一个岩层经环形空腔迁移到另一个。这样使用水泥在本领域中称为“带状隔离”。进一步地，水泥一旦凝固，则防止流体从岩层向环形空腔向上流动到表面。另外，水泥起到额外的功能，例如提供套管机械支持，并防止套管被岩层内的流体腐蚀。

油井水泥所要求的性能随诸如油井类型，其深度，和油井在其内形成的岩层的性质与性能之类的因素而变化。另外，水泥所要求的性能还取决于岩层内保持的流体，尤其流体压力(在本领域中称为“孔压”)，流体温度和所存在的并从油井中产生的流体性质。在油井的规划阶段中，典型地测定水泥所要求的性能，并视需要通过水泥配方内包括的添加剂提供和/或变化这些性能。特别地，在水泥配方内包括添加剂，以改变诸如水泥凝固所花费的时间，水泥的压缩和/或拉伸强度，水泥配方的密度之类的性能。另外，在配方内包括添加剂，以改变水泥浆料的流变学。

可使用合适相对量的粉化水泥和水，制备密度最多约17磅/加仑(ppg)或比重(s.g.)约2.0的水泥浆料。浆料包括本领域众所周知的其他添加剂。通过在浆料内包括硅砂作为加重组分，实现密度最多约17.4ppg或2.09s.g.的较高密度的浆料。然而，常见的情况是，在油井内要求仍然更高密度的水泥浆料。例如，当在油井内要求的保持岩层和在其内的流体的流体静压超过使用前述浆料配方可能的压力时，要求具有较高密度的浆料。在这些情况下，已知使用高密度固体作为加重剂，以增加水泥浆料的密度。本领域已知的这些加重剂包括硫酸盐，例如硫酸钡(例如重晶石)，氧化物，例如氧化铁(例如赤铁矿)，铁钛氧化物(例如钛铁矿)和氧化锰(例如四氧化锰)。这些加重剂可商购且广泛地使用，尤其用于形成并完成油气井。

本发明尤其涉及在油井用水泥浆料中使用的加重剂，其中要求水泥浆料的密度大于仅仅水泥和水单独的组合能实现的密度。

为了用作加重剂能接受，高密度的固体材料应当满足一些要求。首先，在水泥浆料内包括加重剂不应当负面影响水泥配方的强度，当最终在油井内凝固时。进一步地，使用这些加重剂添加剂作为凝固延迟剂或凝固促进剂，加重剂的存在不应当影响水泥浆料的凝固时间到无法控制的程度，以实现凝固时间在所要求的极限内。加重剂不应当负面影响凝固过程中水泥的水合反应。

同样重要的是，加了加重剂的水泥浆料的流变学性能不会受到负面影响。特别地，加重剂不应当增加浆料的粘度超过可接受的极限，当以实现浆料必不可少的密度所要求的用量存在时。浆料粘度的增加本身导致浆料循环密度增加，当在向下钻井中使用时，这反过来会增加浆料在岩层上产生的流体静压。在极端的情况下，过大的流体静压可导致岩层断裂，从而导致水泥浆料损失到岩层自身内。这种水泥的损失可牺牲带状隔离和井眼的完整性。这些本身可导致控制油井的问题，附带的危险是安全和环境。带状隔离的损失可能要求在油井内进行补救性固井操作，这既昂贵，又耗时。

进一步地，存在加重剂不应当负面影响水泥浆料的稳定性，使得当水泥浆料是液体的同时，固体颗粒从浆料中沉降和/或生成游离水。这种不稳定性可牺牲固井操作，从而导致套管周围的环形空腔内不完美的固井。这反过来可导致增加任何钻探和/或生产操作的成本和复杂性。