在井中使用的导电水泥配方和应用组成比例

本发明专利技术公开了一种用于固井的水泥组合物，所述水泥组合物包括：水硬水泥、水、碳纤维和石墨。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术广泛地涉及固井。更具体地，本专利技术涉及一种导电注水泥组分和将所述组 分充填在油井或气井内的方法。
技术介绍
油气井中的水泥充填在已钻地层与钢套管之间的环状间隙内。水泥的主要作用是 提供长期层间封隔和套管柱支撑件。必须在井的使用期间和井报废之后实现层间封隔。这 样，水泥在油井应用中已经使用了超过70年。水泥作为工程材料具有很大的通用性，这证 明了在宽密度范围内优越的压缩强度和拉伸强度、延展性、和灵活性...这些值基于设计 期间所选择的添加剂而变化。传统的水泥通常显示高电阻率，并且通常被认为是电流的良 好绝缘体。对于一些应用来说，这种特性可以是优点或者是缺点。例如，测量的水泥的干电 阻率值在6. 54X IO3-Il. 4X IO5 Ω . cm的范围内。颗粒和纤维导电材料的添加可以显著地提 高水泥组合物材料的电特性。在添加适当的导电材料的情况下，利用标准波特兰水泥或混 凝土组成已经实现了可接受的水泥电特性。已经对标准型I或其它建筑等级水泥执行了对 导电水泥组合物的多个先前的研究。另一方面，油井水泥被暴露给基于深度和岩性而增加的温度和压力条件。湿度条 件也从一口井到另一口井变化。水泥是多孔材料，并且已经发现多孔介质相对于温度遵守 Arps定律。在电阻测量时水泥孔隙度是重要的变量。在本论述中考虑应该两种类型的孔隙 度初始孔隙度和最终孔隙度。在初始或“浆料”孔隙度中，混合的水与水泥浆的比由总体 积的百分数来表示。最终或“凝固”孔隙度由凝固物质的孔隙/空隙体积与总体积的比值 来表示。基于早期的发现，凝固水泥的电阻率与最终连通孔隙度成正比。所述凝固水泥的 电阻率还取决于孔隙流体的离子特征。具有较高最终或“连接”孔隙度( 59. 5% )的扩 展水泥样品具有最好的被测试样品的电导率。当与低孔隙度水泥样品相比时，高孔隙度系 统的主要缺点在于机械特性和长期层间封隔特性的显著降低。因此，扩展系统认为不是一 种用于套管井地层电阻率测量的适当的长期的解决办法。为此，重要的是发展一种具有极好的电特性和与初始孔隙度或最终孔隙度无关的 低孔隙度油井水泥技术。
技术实现思路
本专利技术公开了一种用于固井的水泥组合物，所述水泥组合物包括水硬水泥、水、碳 纤维和石墨。本专利技术结合由将碳纤维和石墨添加到同一水泥组合物而获得的益处。通过将 纤维和颗粒合并到同一样品实现的协同作用产生一种具有提高电特性并且易于优化流变 能力的混合物浆。优选地，碳纤维的存在量不超过5kg每立方米，并且更优选地，碳纤维的存在量在 0. 5kg每立方米与2kg每立方米之间。优选地，石墨作为粗颗粒石墨的存在量按干混和的重量计算不超过50%，并且更优选地，石墨作为粗颗粒石墨的存在量按干混和的重量计算在20%与50%之间。在另一个实施例中，浆还包括炭黑导电填充剂，所述炭黑导电填充剂按干混和的 重量计算不超过1%。另一方面，公开了一种固井的方法，所述方法包括泵送包括水硬水泥、水、碳纤维 和石墨的水泥浆组合物的步骤。有利地，碳纤维的存在量按干混和的重量计算不超过50 %， 并且更有利地按干混和的重量计算在20%与50%之间。此外，有利地，石墨作为粗颗粒石 墨的存在量按干混和的重量计算不超过50%，并且更优选地，石墨作为粗颗粒石墨的存在 量按干混和的重量计算在20%与50%之间。优选地，所述方法包括钻井并且下套管的步骤，其中，固井的步骤将水泥施加在套 管与前一个套管和/或地层之间的环状空间内。此外，所述方法还包括以下步骤部署能够 测量通过套管的地层电阻率的工具；以及测量所述地层电阻率。由于新配方，水泥壳的电阻率将在地层电阻率以下降低至少1-2个数量级。这将 允许更多的信号通过水泥进入到地层内，并且提高穿透半径，以及增加测量值的精度和分 辨力。优选地，通过由斯伦贝谢提供的套管井地层电阻率仪(CHFR)实现地层电阻率的测量。另一方面，公开了一种测量方法，所述方法测量井的地层电阻率，其中，所述井包 括由碳纤维和石墨制成的水泥。此外，在本专利技术的另一方面中，本专利技术的浆可以用作井的阴极保护件。 附图说明以下通过附图了解本专利技术的进一步的实施例，其中图1显示用于电阻测量的实验装置；图2显示炭黑对水泥电阻率的影响；图3显示碳纤维对水泥电特性的影响；图4显示证明当将碳纤维添加到具有炭黑和粗石墨的水泥组合物时电导率的显 著提高的数据；图5显示纤维连通性与水泥组合物电特性之间的关系；图6显示粗颗粒石墨对水泥电阻率的影响；图7显示粗颗粒石墨对水泥电导率的影响和粗颗粒石墨与纤维石墨之间的协同 作用；以及图8显示剪切对碳纤维整体性和水泥组合物样品的电特性的影响。 具体实施例方式根据本专利技术，用于固井的水泥浆组合物包括水硬水泥、水、碳纤维和石墨。通常 所报道的用于改善凝固水泥的电特性的碳纤维等于或大于6mm.。可通过3mm和6mm纤维 实现类似的电特性，但是添加3mm纤维产生具有无法接受的流变特性的不可混合的水泥 浆。为此，在油井水泥应用中较长的纤维是优选的。石墨用作颗粒尺寸的平均直径大约为 70-500 μ m的粗颗粒石墨。与传统的没有纤维或石墨的水泥相比，包括碳纤维和颗粒石墨的波特兰水泥显示减小的电阻率。低浓度碳纤维产生用于电子流动的通过水泥基体的连接通路。较高纤维浓度稍微提高电导率，但是对水泥浆可混溶性/泵送性产生不利影响。 虽然需要较高的石墨颗粒浓度以提高电导率，但是可混溶性保持是可接受的。因此，本发 明被设计成用于显著地提高传统的水泥配方的电导率，从而与水泥组合物的密度和孔隙 度无关。已经通过预定浓度的碳纤维和粗颗粒石墨对具有不同孔隙度06-49% )和密度 (15. 2-16. 4ppg)的水泥组合物进行了试验。碳纤维的存在量不超a^g/m3，而粗颗粒石墨 的存在量不超过50% BWOB (按干混和的重量计算)。存在于混合物内的其它添加剂包括聚 氯乙烯降滤失剂(0. 2-0. 3% BffOB)、聚磺酸盐分散剂(0. 5-1. 5% BffOB)、不超过1. 0% BffOB 的炭黑导电填充剂、和各种缓凝剂(木质素磺酸盐、具有终端羧酸盐组的短链精制糖类、及 其它专有合成缓凝剂添加剂)。在一些配方中，砂子或诸如赤铁矿粉或重晶石的其它充填添 加剂可以用于优化水泥组合物浆在目的层上的充填期间的流变特性。通常，砂子浓度不会 超过40% BWOC(占水泥重量)。这样做是防止当井温度可能超过230° F时强度退化。对 于大多数配方来说，赤铁矿粉或重晶石不超过25% BffOB或BW0C。碳纤维( 24kg/m3)或颗粒石墨00-50% BffOB)可以提高水泥组合物电导率， 但是如以下示例中所示，有证据显示具有协同作用的两种成分的混合物能更好地促进电导率。实验装置有两类表征油井水泥中的电导率的电阻率测量电子和电解质。第一类测量起因 于电子通过导电相(即，碳纤维和颗粒石墨)的移动，而另一类测量起因于离子(即，K2+、 Ca2\Na+)在孔隙内的运动。因为在井下充填的水泥恒定地暴露给各种盐水，并且水分不容 易逸出水泥基体，因此这两种类型的电导率不容易消除相互影响。因此，在此研究中，在模 拟的井下温度(150° F)下将每一个样品恒定暴露于潮湿环境。在30天试验周期的周期间 隔内，从恒温浴移除每一个样品。擦本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于固井的水泥组合物，包括：水硬水泥、水、碳纤维和石墨。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2008.01.17 EP 08290053.1;2007.11.30 US 11/947,8811.一种用于固井的水泥组合物，包括水硬水泥、水、碳纤维和石墨。2.根据权利要求1所述的水泥组合物，其中，所述碳纤维的存在量不超过5kg每立方米。3.根据权利要求2所述的水泥组合物，其中，所述碳纤维的存在量在0.5kg每立方米与 2kg每立方米之间。4.根据权利要求1所述的水泥组合物，其中，所述石墨作为粗颗粒石墨的存在量按干 混和的重量计算不超过50%。5.根据权利要求4所述的水泥组合物，其中，所述粗颗粒石墨的存在量按干混和的重 量计算在20%...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·威廉姆斯，埃曼努尔·塞朗德，特里·达摩尔，米确尔·金特里，
申请(专利权)人：普拉德研究及开发股份有限公司，
类型：发明
国别省市：VG