[发明专利]铝热反应装料、形成三相岩-岩井屏障的方法及其形成的井屏障

说明书

本发明涉及一种包含氧化铋和铝的铝热反应装料、一种通过施用该铝热反应装料形成三相岩‑岩屏障的方法以及其形成的井屏障，该铝热反应装料适于以以下反应速率进行反应：对于30至100kg的铝热反应装料，从铝热反应装料初始反应到至少90％的铝热反应装料发生反应，示出8至15秒的反应时间。

技术领域

本发明涉及永久堵塞和废弃地下油气储藏井的方法和堵塞物。

背景技术

当石油和天然气储层(储库，reservoirs)对石油和天然气工业不再具有商业价值时，石油和天然气储层远非空的。因此，随着时间的推移，通入油气储层的开井可能会泄漏大量的油气。因此，政府法规要求石油和天然气运营商在放弃油田时将其通入储层的井永久堵塞。全世界每年钻探约40,000口油气井[参考文献1]。这最终导致大量井在废弃前需要永久堵塞。

油气井通常以顺次区段进行钻探，其中进入地下的每个连续区段的孔直径(borediameter)逐步减小。在钻井过程中，井孔通常填充钻井泥浆。钻完一段后，将外径略小于孔内径的钢管(通常称为套管)一直插入孔底部。然后将水泥粉和水(无砾石)的混合物泵入套管，向下泵入孔底，并进一步挤压到套管和孔壁之间的环形空间(annulus)中，以取代钻井泥浆并凝固成固体水泥(通常表示为作为套管水泥)，该固体水泥密封环形空间并在套管和孔之间形成牢固结合。套管水泥可以只在环形空间中向上延伸有限的距离，或者一直延伸到地面。如果套管水泥仅延伸一部分距离，则环形空间的其余部分通常会填充有钻井泥浆。

在一个孔段用套管和水泥完成堵塞之后，使用比前一个孔的直径略小的直径钻探下一个孔段，并进行相同的安装套管和水泥的程序。第二套管通常从井口一直延伸到孔底，产生第一套管内的管中管布置。在到达目标地层之前可以有几个连续的孔段，产生几个同轴的管中管套管，每个套管都有套管水泥，如图1中示意性示出的。套管水泥显示为灰色阴影区域。在这个实例中，其采用了三个同轴套管。在套管之间形成环形空间。通常将中心套管和下一个套管之间的第一个环形空间表示为A环形空间，将下一个环形空间表示为B环形空间等。对于生产井，通常有位于中心的生产油管，从井口向下延伸进入油气地层。套管水泥应密封井结构中的每个环形空间。

永久井屏障应延伸在井的整个截面范围内，并在垂直和水平方向上密封所有环形空间。多个立法都要求在永久堵塞井孔时形成至少两个井屏障。井屏障元件中使用的材料应表现出一系列特性，例如(但不限于)极低的渗透率、长期体积稳定性、对井下流体的化学和物理耐受性、非脆性以及与地层的充分结合。

因此，井的堵塞和废弃(PA)操作的初始阶段是评估和确定放置堵塞物的位置。该评估需考虑井的配置、深度、倾斜度、套管柱(case strings)、套管水泥、侧钻(sidetracks)、井孔的地层序列等因素，目的是在井中找到合适的位置来形成屏障。关键因素是找到屏障相容性地层，该地层也具有足够的盖层(冠岩，cap rock)特性[参考文献2，第19页]。

现有技术

波特兰水泥(硅酸盐水泥，Portland cement)目前是石油工业中用于层间隔离和永久弃井的主要屏障材料。然而，波特兰水泥在凝固时会稍微收缩，这会在井屏障和地层之间的界面处产生微环隙(micro-annuli)。还存在涉及当水泥施用于地层时，其脆性会出现蠕变、微孔隙的担忧，这会使气体迁移通过井屏障元件，并且在高温下会长期降解，这促使工程人员寻找波特兰水泥的替代材料[参考文献2，第110页]。

一种可供替代的屏障材料是金属/合金。低熔点金属如锑、铋和镓以及共晶合金已被建议用于永久性堵塞。其中，铋金属及其合金受到特别关注。铋是常温下易碎的脆性金属，25℃时密度为9.78g/cm³，熔点272℃，沸点1560℃，其固化时膨胀，并且其由于对氧和水稳定而相当耐腐蚀。