[发明专利]泡沫水泥浆体系及组成

说明书

技术领域

本发明涉及化学充氮泡沫水泥固井技术，尤其涉及一种新型化学充氮泡沫水泥浆体系及其组成。具体地说，本发明是通过化学法在水泥浆中直接产生氮气从而制备性能稳定的泡沫低密度水泥浆。

背景技术

泡沫水泥浆是通过在水泥浆中充入气体，以表面活性剂或高分子物质等来提高泡沫稳定性，从而制备出稳定的、均匀的低密度三相粘稠流体，具有密度低、低渗透率、低失水、低导热率、可压缩性、独特的流变性能、适当的触变性和强度高等特点，能够有效地解决低压易漏地层、裂缝地层、高渗透性地层和溶洞地层的固井漏失问题，以及解决深水表层段固井窜流问题，提高热采井、水力压裂井的水泥环封隔完整性，其使用范围越来越广泛。

从1979年第一次泡沫水泥现场固井应用以来，泡沫水泥固井技术应用越来越广泛。上世纪八十年代，通过改进了泡沫发生器，并严格选择表面活性剂作为稳泡剂，使气体以互相分离的均匀气泡形式稳定地分散于整个体系中，制造出性能优良的泡沫水泥浆。1987～1988年，国内在新疆火烧山油田进行了4口技术套管固井和12口油层套管泡沫固井试验，行之有效地解决了低压易漏油气层尤其是地层压力系数小于1.0的油气井固井难题。经过多年的研究和应用，泡沫水泥技术不断发展和完善，在低压易漏地层固井、裂缝性漏失地层固井和深水防窜固井中应用非常广泛。现场制备泡沫水泥主要有两种方法：一种是机械充气法，另一种是化学充气法。机械充气法所需设备较多、工艺复杂，并且需要精心设计和计算机自动控制，现场实施难度较大，费用较高。而化学充气法则不需要繁多的设备和复杂的工艺流程，可将能产生氮气的发气剂直接加入油井水泥材料或水中，具有操作简单和成本低廉的优势，是泡沫水泥制备技术的发展趋势。

通过化学反应产生氮气的物质较多，如亚硝酸钠与氯化铵反应能产生氮气，该反应在产生氮气的同时，还伴随着较大的热量放出，在自生热压裂液、热化学驱油、油井井筒清蜡、油井地层解堵和地面设备清洗方面都有广泛的应用。但是，亚硝酸钠与氯化铵的反应只能在酸性或较高温度条件下才能发生，而化学充氮泡沫水泥浆的制备是在较低的环境温度或室温条件下，并且水泥浆是碱性介质环境，这两点都不利于亚硝酸钠与氯化铵反应。在高分子材料泡沫塑料的制备过程中也要用到发气剂物质，如偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、4，4`-氧代双苯磺酰肼、对甲苯磺酰肼、5-苯基四唑和三肼基三嗪等，但这些物质都必须在加热条件下，当温度达到其分解温度才分解产生氮气，不适合化学充氮泡沫水泥浆的制备是在较低环境温度或室温的条件，同时这些物质主要是偶氮类物质，其成本高，并且还具有毒性和易燃易爆等安全隐患，无法满足现场固井应用的经济、安全要求。文章“适用于长庆油田固井的超低密度泡沫水泥浆”（《钻井液与完井液》1997年第14卷第4期第27-28页）开展了化学充气法制备泡沫水泥浆技术研究，开发出化学发气剂FCA与FCB，FCA与FCB在水泥浆中发生化学反应产生氮气，同时加入稳泡剂FCF圈闭气体，从而形成互不连通的泡沫水泥浆，其泡沫水泥浆体系的配方为：G级油井水泥+40%漂珠+88%水+2.5%FCA+1%FCB+4%FCF，能够使水泥浆在地面的密度降低至0.86g/cm³。该化学充氮制备泡沫水泥浆技术首先是利用漂珠减轻材料将水泥浆密度降至一定范围，然后利用化学充氮的方法进一步将水泥浆密度降至1.0g/cm³以下。如果能提高发气剂的单位质量氮气产生率，研究出一种高效发气剂，即可在水泥浆中充入更多氮气，使水泥浆密度降至更低，通过在水泥浆中通过直接加入化学发气剂，就能够将常规水泥浆密度从1.90g/cm³降低至1.0g/cm³以下，这样不仅可以减少了漂珠用量，而且可大幅度降低泡沫水泥浆的成本，另一方面也避免了采用机械充气制备泡沫水泥浆的高成本，具有使用方便和成本低廉的优势。