專利名稱：在井中使用的導(dǎo)電水泥配方和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛地涉及固井。更具體地，本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電注水泥組分和將所述組 分充填在油井或氣井內(nèi)的方法。
背景技術(shù)：
油氣井中的水泥充填在已鉆地層與鋼套管之間的環(huán)狀間隙內(nèi)。水泥的主要作用是 提供長期層間封隔和套管柱支撐件。必須在井的使用期間和井報(bào)廢之后實(shí)現(xiàn)層間封隔。這 樣，水泥在油井應(yīng)用中已經(jīng)使用了超過70年。水泥作為工程材料具有很大的通用性，這證 明了在寬密度范圍內(nèi)優(yōu)越的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度、延展性、和靈活性...這些值基于設(shè)計(jì) 期間所選擇的添加劑而變化。傳統(tǒng)的水泥通常顯示高電阻率，并且通常被認(rèn)為是電流的良 好絕緣體。對于一些應(yīng)用來說，這種特性可以是優(yōu)點(diǎn)或者是缺點(diǎn)。例如，測量的水泥的干電 阻率值在6. 54X IO3-Il. 4X IO5 Ω . cm的范圍內(nèi)。顆粒和纖維導(dǎo)電材料的添加可以顯著地提 高水泥組合物材料的電特性。在添加適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料的情況下，利用標(biāo)準(zhǔn)波特蘭水泥或混 凝土組成已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可接受的水泥電特性。已經(jīng)對標(biāo)準(zhǔn)型I或其它建筑等級水泥執(zhí)行了對 導(dǎo)電水泥組合物的多個(gè)先前的研究。另一方面，油井水泥被暴露給基于深度和巖性而增加的溫度和壓力條件。濕度條 件也從一口井到另一口井變化。水泥是多孔材料，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)相對于溫度遵守 Arps定律。在電阻測量時(shí)水泥孔隙度是重要的變量。在本論述中考慮應(yīng)該兩種類型的孔隙 度初始孔隙度和最終孔隙度。在初始或“漿料”孔隙度中，混合的水與水泥漿的比由總體 積的百分?jǐn)?shù)來表示。最終或“凝固”孔隙度由凝固物質(zhì)的孔隙/空隙體積與總體積的比值 來表示。基于早期的發(fā)現(xiàn)，凝固水泥的電阻率與最終連通孔隙度成正比。所述凝固水泥的 電阻率還取決于孔隙流體的離子特征。具有較高最終或“連接”孔隙度( 59. 5% )的擴(kuò) 展水泥樣品具有最好的被測試樣品的電導(dǎo)率。當(dāng)與低孔隙度水泥樣品相比時(shí)，高孔隙度系 統(tǒng)的主要缺點(diǎn)在于機(jī)械特性和長期層間封隔特性的顯著降低。因此，擴(kuò)展系統(tǒng)認(rèn)為不是一 種用于套管井地層電阻率測量的適當(dāng)?shù)拈L期的解決辦法。為此，重要的是發(fā)展一種具有極好的電特性和與初始孔隙度或最終孔隙度無關(guān)的 低孔隙度油井水泥技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于固井的水泥組合物，所述水泥組合物包括水硬水泥、水、碳 纖維和石墨。本發(fā)明結(jié)合由將碳纖維和石墨添加到同一水泥組合物而獲得的益處。通過將 纖維和顆粒合并到同一樣品實(shí)現(xiàn)的協(xié)同作用產(chǎn)生一種具有提高電特性并且易于優(yōu)化流變 能力的混合物漿。優(yōu)選地，碳纖維的存在量不超過5kg每立方米，并且更優(yōu)選地，碳纖維的存在量在 0. 5kg每立方米與2kg每立方米之間。優(yōu)選地，石墨作為粗顆粒石墨的存在量按干混和的重量計(jì)算不超過50%，并且更優(yōu)選地，石墨作為粗顆粒石墨的存在量按干混和的重量計(jì)算在20%與50%之間。在另一個(gè)實(shí)施例中，漿還包括炭黑導(dǎo)電填充劑，所述炭黑導(dǎo)電填充劑按干混和的 重量計(jì)算不超過1%。另一方面，公開了一種固井的方法，所述方法包括泵送包括水硬水泥、水、碳纖維 和石墨的水泥漿組合物的步驟。有利地，碳纖維的存在量按干混和的重量計(jì)算不超過50 %， 并且更有利地按干混和的重量計(jì)算在20%與50%之間。此外，有利地，石墨作為粗顆粒石 墨的存在量按干混和的重量計(jì)算不超過50%，并且更優(yōu)選地，石墨作為粗顆粒石墨的存在 量按干混和的重量計(jì)算在20%與50%之間。優(yōu)選地，所述方法包括鉆井并且下套管的步驟，其中，固井的步驟將水泥施加在套 管與前一個(gè)套管和/或地層之間的環(huán)狀空間內(nèi)。此外，所述方法還包括以下步驟部署能夠 測量通過套管的地層電阻率的工具；以及測量所述地層電阻率。由于新配方，水泥殼的電阻率將在地層電阻率以下降低至少1-2個(gè)數(shù)量級。這將 允許更多的信號通過水泥進(jìn)入到地層內(nèi)，并且提高穿透半徑，以及增加測量值的精度和分 辨力。優(yōu)選地，通過由斯倫貝謝提供的套管井地層電阻率儀(CHFR)實(shí)現(xiàn)地層電阻率的測量。另一方面，公開了一種測量方法，所述方法測量井的地層電阻率，其中，所述井包 括由碳纖維和石墨制成的水泥。此外，在本發(fā)明的另一方面中，本發(fā)明的漿可以用作井的陰極保護(hù)件。


以下通過附圖了解本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，其中圖1顯示用于電阻測量的實(shí)驗(yàn)裝置；圖2顯示炭黑對水泥電阻率的影響；圖3顯示碳纖維對水泥電特性的影響；圖4顯示證明當(dāng)將碳纖維添加到具有炭黑和粗石墨的水泥組合物時(shí)電導(dǎo)率的顯 著提高的數(shù)據(jù)；圖5顯示纖維連通性與水泥組合物電特性之間的關(guān)系；圖6顯示粗顆粒石墨對水泥電阻率的影響；圖7顯示粗顆粒石墨對水泥電導(dǎo)率的影響和粗顆粒石墨與纖維石墨之間的協(xié)同 作用；以及圖8顯示剪切對碳纖維整體性和水泥組合物樣品的電特性的影響。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明，用于固井的水泥漿組合物包括水硬水泥、水、碳纖維和石墨。通常 所報(bào)道的用于改善凝固水泥的電特性的碳纖維等于或大于6mm.?？赏ㄟ^3mm和6mm纖維 實(shí)現(xiàn)類似的電特性，但是添加3mm纖維產(chǎn)生具有無法接受的流變特性的不可混合的水泥 漿。為此，在油井水泥應(yīng)用中較長的纖維是優(yōu)選的。石墨用作顆粒尺寸的平均直徑大約為 70-500 μ m的粗顆粒石墨。與傳統(tǒng)的沒有纖維或石墨的水泥相比，包括碳纖維和顆粒石墨的波特蘭水泥顯示減小的電阻率。低濃度碳纖維產(chǎn)生用于電子流動(dòng)的通過水泥基體的連接通路。較高纖維濃度稍微提高電導(dǎo)率，但是對水泥漿可混溶性/泵送性產(chǎn)生不利影響。 雖然需要較高的石墨顆粒濃度以提高電導(dǎo)率，但是可混溶性保持是可接受的。因此，本發(fā) 明被設(shè)計(jì)成用于顯著地提高傳統(tǒng)的水泥配方的電導(dǎo)率，從而與水泥組合物的密度和孔隙 度無關(guān)。已經(jīng)通過預(yù)定濃度的碳纖維和粗顆粒石墨對具有不同孔隙度06-49% )和密度 (15. 2-16. 4ppg)的水泥組合物進(jìn)行了試驗(yàn)。碳纖維的存在量不超a^g/m3，而粗顆粒石墨 的存在量不超過50% BWOB (按干混和的重量計(jì)算)。存在于混合物內(nèi)的其它添加劑包括聚 氯乙烯降濾失劑(0. 2-0. 3% BffOB)、聚磺酸鹽分散劑(0. 5-1. 5% BffOB)、不超過1. 0% BffOB 的炭黑導(dǎo)電填充劑、和各種緩凝劑(木質(zhì)素磺酸鹽、具有終端羧酸鹽組的短鏈精制糖類、及 其它專有合成緩凝劑添加劑)。在一些配方中，砂子或諸如赤鐵礦粉或重晶石的其它充填添 加劑可以用于優(yōu)化水泥組合物漿在目的層上的充填期間的流變特性。通常，砂子濃度不會(huì) 超過40% BWOC(占水泥重量)。這樣做是防止當(dāng)井溫度可能超過230° F時(shí)強(qiáng)度退化。對 于大多數(shù)配方來說，赤鐵礦粉或重晶石不超過25% BffOB或BW0C。碳纖維( 24kg/m3)或顆粒石墨00-50% BffOB)可以提高水泥組合物電導(dǎo)率， 但是如以下示例中所示，有證據(jù)顯示具有協(xié)同作用的兩種成分的混合物能更好地促進(jìn)電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)裝置有兩類表征油井水泥中的電導(dǎo)率的電阻率測量電子和電解質(zhì)。第一類測量起因 于電子通過導(dǎo)電相(即，碳纖維和顆粒石墨)的移動(dòng)，而另一類測量起因于離子(即，K2+、 Ca2\Na+)在孔隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樵诰鲁涮畹乃嗪愣ǖ乇┞督o各種鹽水，并且水分不容 易逸出水泥基體，因此這兩種類型的電導(dǎo)率不容易消除相互影響。因此，在此研究中，在模 擬的井下溫度(150° F)下將每一個(gè)樣品恒定暴露于潮濕環(huán)境。在30天試驗(yàn)周期的周期間 隔內(nèi)，從恒溫浴移除每一個(gè)樣品。擦去多余水分，并且允許單元與外界溫度平衡兩個(gè)小時(shí)。 電極連接到用于測量的RCL儀(如圖1所示)。因?yàn)闃悠泛兴植⑶覙O化效應(yīng)可能在樣 品-電極交界面處發(fā)生，因此使用可選的電信號。在電阻單元內(nèi)收集原始數(shù)據(jù)，并且通過以 下公式計(jì)算電阻率
1 S
權(quán)利要求
1.一種用于固井的水泥組合物，包括水硬水泥、水、碳纖維和石墨。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥組合物，其中，所述碳纖維的存在量不超過5kg每立方米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水泥組合物，其中，所述碳纖維的存在量在0.5kg每立方米與 2kg每立方米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水泥組合物，其中，所述石墨作為粗顆粒石墨的存在量按干 混和的重量計(jì)算不超過50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水泥組合物，其中，所述粗顆粒石墨的存在量按干混和的重 量計(jì)算在20%與50%之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的水泥組合物，還包括炭黑導(dǎo)電填充劑，所述炭黑 導(dǎo)電填充劑按干混和的重量計(jì)算不超過1%。
7.一種固井的方法，包括以下步驟泵送包括水硬水泥、水、碳纖維和石墨的水泥組合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括以下步驟鉆所述井，以及下套管，其中，固井的步驟將水泥施加到所述套管。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括以下步驟 部署能夠測量通過套管的地層電阻率的工具；以及 測量所述地層電阻率。
10.一種測量井的地層電阻率的方法，其中，在套管與地層之間的井環(huán)狀空間包括由碳 纖維和石墨制成的水泥。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述水泥組合物包括根據(jù)權(quán)利要 求1-9中任一項(xiàng)所述的組合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于固井的水泥組合物，所述水泥組合物包括水硬水泥、水、碳纖維和石墨。
文檔編號C04B28/02GK102124075SQ200880118466
公開日2011年7月13日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者埃曼努爾·塞朗德, 特里·達(dá)摩爾, 米確爾·金特里, 羅伯特·威廉姆斯 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司