CN101428995A - 水泥基智能堵漏材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型堵漏材料理论基础研究的技术领域，特别涉及一种基于智能材料和水泥的复合而设计的水泥基智能堵漏材料，以及它的制备方法。本发明的水泥基智能堵漏材料，是由缠绕成一定形状的丝状形状记忆合金、混在堵漏材料中的短切棉纤维、包敷在形状记忆合金和短切纤维上的水泥基堵漏材料组成。本发明的水泥基智能堵漏材料与普通堵漏材料相比，该材料具有智能化，可适用于不同温度的漏失层和不同尺寸的裂缝、孔隙等形状的漏失；封堵强度高，封堵后不反复；该材料流动性好，可从加料漏斗直接加入，简便施工。适用于裂缝性、溶洞性等恶性井漏。本发明的制备方法具有工艺简单，易于工业化生产的特点。

Description

水泥基智能堵漏材料及其制备方法

技术领域

本发明属于新型堵漏材料理论基础研究的技术领域，特别涉及一种基于智能材料和水泥的复合而设计的水泥基智能堵漏材料，以及它的制备方法。

背景技术

井漏是钻井、完井过程中常见的井下复杂情况之一，对勘探开发工作会造成极大的影响及巨大的经济损失，因此我们要及时采取有效措施进行堵漏，这就要求我们重视堵漏材料和堵漏工艺技术的开发研究和完善。

目前，大量各种类型的常规堵剂和新型堵剂在一定程度上取得了较好的应用效果，但用于处理严重井漏的却不多，而且仍限于以各种水泥及少部分化学剂和混合物堵剂最为常用，堵漏实践表明，裂缝、洞穴地层和大孔隙高渗透地层发生钻井液完全漏失最难处理。鉴于此，国内外钻井工作者也从化学角度出发，研制出了一些聚合物堵漏材料和配套堵漏工艺，但对付裂缝性、溶洞性漏失仍没有取得突破性的进展。以桥堵剂为主的其余大多数堵剂，一般只适合作泥浆体系的堵漏添加剂用，而且存在封堵强度低、封堵困难等问题。有人推测，不管未来有多少新型堵剂，以水泥为基础的胶凝堵剂，仍可能是将来相当长时期内用于处理严重井漏的重要手段。因此需要进一步加强对防漏堵漏基础理论的研究。

发明内容

本专利是针对严重井漏和特殊条件下的井漏而发明，其基本思想是利用智能材料能感知周围环境变化并能对此作出适当反应的特点，使其与普通的水泥基堵漏材料复合而设计成一种区别于常规堵漏材料的智能型堵漏材料，该种材料可以较好的处理恶性井漏和特殊条件下的井漏。

本专利采用智能材料形状记忆合金、短切纤维和普通的水泥基堵漏材料为基本用料，设计了一种新型堵漏材料——水泥基智能堵漏材料。该种堵漏材料具有智能化，封堵强度高，施工简便等特点，适用于裂缝性、溶洞性等恶性井漏。

本发明是通过以下方案实现的：

本发明公开了一种基于形状记忆合金和普通的水泥基堵漏材料而设计的水泥基智能堵漏材料，是由缠绕成一定形状的丝状形状记忆合金、混在堵漏材料中的短切棉纤维、包敷在形状记忆合金和短切纤维上的水泥基堵漏材料组成。

上述本发明的水泥基智能堵漏材料，所述的形状记忆合金占水泥基堵漏材料的体积百分比18％-35％，短切棉纤维占水泥基堵漏材料的重量百分比3％-4％。

上述本发明的水泥基智能堵漏材料，所述的形状记忆合金为为铜锌铝合金，所述的短切纤维为短切棉纤维，所述的水泥基堵漏材料为硅酸盐水泥。

上述本发明的水泥基智能堵漏材料，制成球状或近似球形的核壳结构，直径为5-15mm。

上述本发明的水泥基智能堵漏材料的制备方法，采用以下步骤：

(1)将丝状形状记忆合金缠绕成弹簧形；

(2)将短切纤维加入到水泥基堵漏材料中，混合均匀；

(3)形状记忆合金上涂敷上一薄层柠檬酸，放在混有短切纤维的水泥基堵漏材料中滚动，利用柠檬酸的粘性，使形状记忆合金包敷上短切纤维和水泥基堵漏材料。

本发明的水泥基智能型堵漏材料以形状记忆合金的形状记忆效应、超弹性为基础，利用短切纤维的搭接、缠绕性和普通水泥基堵漏材料的广泛应用性而提出并设计。同时考虑到堵漏材料应具有比较好的流动性和施工的简便性，把此智能堵漏材料设计成球形颗粒状。

本发明设计中的智能材料采用丝状铜锌铝形状记忆合金，是因为铜锌铝形状记忆合金性价比好，能满足堵漏过程所需要的力学性能，而丝状合金具有回复驱动力大，输出位移大的特点。

本发明的智能堵漏材料，其较佳的组成：普通的水泥基堵漏材料中混入3％-4％(质量)的短切棉纤维，形状记忆合金占18％-35％(体积比)；其较佳的结构：以合金为核心，使其包敷上水泥基堵漏材料，形成圆状或椭圆状的核壳结构。

以上是所设计的智能堵漏材料的堵漏过程。此种堵漏材料从广义上讲属于桥接堵漏材料，当堵漏材料到达漏失层时，形状记忆合金受漏失处温度和压力的影响，产生形变，同时把周围的水泥基普通堵漏材料分裂成形状和大小不同的颗粒状，产生形变的合金在漏失通道中起架桥和支撑作用，纤维在合金间起连接、封堵作用，水泥基普通堵漏材料主要是起填充作用，增加封堵强度，并通过自身膨胀、挤压变形堵塞合金和纤维堵漏材料封堵后剩下的孔隙空间，降低封堵渗透率，提高堵漏效果。

改变材料颗粒的粒度分布，堵漏材料可在不同尺寸的裂缝、孔隙通道中形成架桥和支撑，因此该种智能堵漏材料可适用于不同类型的井漏，尤其适用于裂缝性和溶洞性等恶性漏失。对孔隙通道或溶洞性等漏失，起封堵作用的堵漏材料尺寸必须小于漏失通道的开度，并大于漏失通道开度的1/3，这部分材料在漏失压差作用下可以进入漏失通道，在孔隙喉道处、裂缝变小或弯曲处通过架桥作用、捕集作用、沉积作用等产生封堵，而且随着时间增加，颗粒发生膨胀形变，封堵层的渗透性进一步降低，封堵强度增大，直至将漏层堵死。若利用该智能堵漏材料不能将漏失通道一次性堵死，那么可以在形状记忆合金和纤维搭接架桥的基础上，进一步灌浆堵漏架桥产生的空隙，那么该材料在漏失层处便起到了堵漏先锋的作用。对于裂缝型漏失通道来说，该堵漏材料中的记忆合金和纤维材料可将裂缝变为多个不连续的孔隙，便于颗粒材料充填封堵。

本发明的水泥基智能堵漏材料与普通堵漏材料相比，该材料具有智能化，通过控制温度和调整粒径分布，可适用于不同温度的漏失层和不同尺寸的裂缝、孔隙等形状的漏失，尤其适用于溶洞性等恶性漏失；产生封堵时，材料中的纤维与合金相互搭接，使封堵强度高，封堵后不反复；该材料属球形颗粒状，流动性好，可从加料漏斗直接加入，简便施工。具有智能化，封堵强度高，施工简便等特点，适用于裂缝性、溶洞性等恶性井漏。

本发明的制备方法具有工艺简单，易于工业化生产的特点。

附图说明：

附图1为本发明的水泥基智能堵漏材料的变形示意图。

附图2为本发明的短切纤维用量对总滤失量的影响示意图。

附图3为本发明的短切纤维用量对封堵强度的影响示意图。

附图4为本发明的形状记忆合金的体积分数对强度的影响示意图。

具体实施方式

实施例1

1、具体操作如下：

步骤一、把15g丝状铜锌铝合金设计并制备成一定的特殊形状。考虑到合金的变形量和变形的简易性，把丝状铜锌铝合金设计并缠绕成弹簧形状。

步骤二、1#称取0.5g棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

2#称取1.0g棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

3#称取1.5g棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

4#称取2.0g棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

5#称取2.5g棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

6#称取3.0g棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

步骤三、把弹簧状的合金上涂敷上一薄层柠檬酸，放在混有纤维的水泥基材料中滚动，利用柠檬酸的粘性，使合金包敷上水泥基材料。

通过上述步骤可以得到性能比较好的水泥基智能堵漏材料，步骤三中的柠檬酸与直接接触的少量水泥有化学反应，但经堵漏实验测试证明，对该种材料的堵漏性能影响较小。

2、测试结果(以裂缝性漏失为例)：

采用DLM-01型堵漏模拟装置模拟裂缝性漏失，按标准对该种堵漏材料进行堵漏实验，并与普通的水泥基堵漏材料作比较，试验结果见表1。

表1

注：t为堵漏时间，t₁为稳压时间；0#为普通的水泥基堵漏材料。

由表1中的数据可看出，用普通的水泥基堵漏材料封堵缝宽为1.5cm的裂缝性漏失，封堵效果很差，封堵失败；而用本发明设计的智能堵漏材料，封堵成功，封堵过程中钻井液总滤失量可控制在150ml内，封堵时间和稳压时间也较短，封堵效果很好。

该智能堵漏材料的堵漏时间在3.5min左右，波动范围较小，当纤维用量在2％-4％时，封堵时间最少，为3min，由此可得，纤维的用量对堵漏时间的影响不大；而纤维用量对堵漏过程中的总滤失量却有比较大的影响，见图2。

由图2可看出，总滤失量随纤维用量的增加先减小后增加，当纤维用量在4％时，滤失量最小为100ml。当纤维用量在1％-2％时，合金变形过程中，因纤维量少不能与合金很好的缠绕编织，使合金间搭接架桥的强度降低而使滤失量较大；当纤维用量在5％-6％时，因纤维量多使合金变形过程受阻，增加了堵漏时间，延迟了堵漏过程，致使滤失量增大。纤维用量在2％-3％时，滤失量降低较快；纤维用量在4％-5％时，滤失量增加较快。因此，纤维的较佳用量范围应是3％-4％。

采用高温高压模拟试验仪测试本发明的智能堵漏材料的封堵压差和封堵强度，试验结果见表2。

表2

注：0#为普通的水泥基堵漏材料。

由表2的实验数据可看出，本发明设计的智能堵漏材料相比较普通的水泥基堵漏材料，可在较小的压差下和较短的时间内形成封堵层，而且形成的时间不超过3min，当纤维用量在2％-4％时，在2.0MPa下2.5min内就可以形成有效封堵，智能堵漏材料中纤维的用量对封堵压差和时间影响较小。

普通的水泥基堵漏材料在5MPa/30min的条件下产生的封堵强度为6MPa，而本发明设计的智能堵漏材料的封堵强度却不低于15MPa，并且稳压后无反复漏失现象。智能堵漏材料中纤维的用量对封堵强度的影响见图3。

由图3可以看出，本发明设计的智能堵漏材料的强度相对于普通水泥基堵漏材料有一个质的飞跃。随纤维用量的增加，智能堵漏材料的封堵强度增加，这是因为纤维量越多，与合金间的相互缠绕、搭接架桥的作用越好，抗压强度就越高，以至于该材料的封堵强度越好。纤维用量在2％-5％时，随纤维用量的增加封堵强度增加迅速；当纤维用量大于5％时，封堵强度增加缓慢。

实施例2

1、具体操作如下：

步骤一、

1#称取20g丝状不锈钢合金并缠绕成弹簧形状，使其长度和直径均约为4mm。

2#称取20g丝状铝合金并缠绕成弹簧状，使其长度和直径均约为4mm。

3#称取20g丝状铜锌铝形状记忆合金并缠绕成弹簧状，使其长度和直径均约为4mm。

4#称取20g丝状钛镍形状记忆合金并缠绕成弹簧状，使其长度和直径均约为4mm。

步骤二、称取2.0g短切棉纤维，加入到50g普通水泥基堵漏材料中，搅拌使其混合均匀。

步骤三、把1#—4#的弹簧状合金上涂敷上一薄层柠檬酸，放在混有短切棉纤维的水泥基堵漏材料中滚动，利用柠檬酸的粘性，使弹簧状合金包敷上短切棉纤维和水泥基堵漏材料。

通过上述步骤可以制得直径约为7mm的球状水泥基智能堵漏材料，步骤三中的柠檬酸与直接接触的少量水泥有化学反应，但经堵漏实验测试证明，对该种材料的堵漏性能影响较小。

2、测试结果(以裂缝性漏失为例)：

采用DLM-01型堵漏模拟装置模拟裂缝性漏失，按标准对该种堵漏材料进行堵漏实验，试验结果见表3。

表3

注：t为堵漏时间，t₁为稳压时间。

由表3中的数据可看出，用不锈钢合金和铝合金所制备堵漏材料封堵缝宽为2cm的裂缝性漏失，封堵效果很差，封堵失败；而用铜锌铝和钛镍形状记忆合金所制备的堵漏材料，封堵成功，封堵过程中钻井液总滤失量较少，封堵时间和稳压时间也较短，封堵效果很好。这是因为堵漏材料进入裂缝性漏失处时，铜锌铝和钛镍合金受漏失处温度的影响产生形变，把周围的水泥基堵漏材料撑开，产生形变的合金在漏失通道中起架桥和支撑作用，纤维在合金间起连接、封堵作用，被撑开的水泥基堵漏材料则填充了合金和纤维堵漏材料封堵后剩下的孔隙空间，从而降低封堵渗透率，提高堵漏效果；而不锈钢合金和铝合金因为自身不具有形状记忆效应，所以进入漏失处时，堵漏材料无变化，以至于封堵效果差。

实施例3

依照上述步骤，用不同体积的形状记忆合金制备相同体积的水泥基智能堵漏材料，采用高温高压模拟试验仪测试其封堵压差和封堵强度，试验结果见表4。

表4

由表4的实验数据可看出，1#—9#堵漏材料均可以在较小的压差下和较短的时间内形成封堵层，体积比对封堵压差(MPa)/时间(min)的影响较小，但对稳压后的封堵强度影响较大(如图4)。由图4可以看出，封堵强度随形状记忆合金体积分数的增加先增加后降低，当体积分数在18％—35％时，封堵强度变化不大，在图4上表现为一平台。

综合以上各方面可看出，本发明设计的智能堵漏材料与普通堵漏材料相比具有封堵强度高，封堵效果好等特点，同时可以通过控制温度和调整粒径分布，使该材料适用于不同温度的漏失层和不同尺寸的裂缝、孔隙等形状的恶性漏失。本发明设计的智能堵漏材料的提出为研制开发新型的堵漏材料提供了坚强的理论基础，对堵漏工艺技术的发展有着重大的理论指导意义。

Claims (5)

1、一种水泥基智能堵漏材料，其特征在于：是由缠绕成一定形状的丝状形状记忆合金、混在堵漏材料中的短切棉纤维、包敷在形状记忆合金和短切纤维上的水泥基堵漏材料组成。

2、根据权利要求1所述的水泥基智能堵漏材料，其特征在于：所述的形状记忆合金占水泥基堵漏材料的体积百分比18％-35％，短切棉纤维占水泥基堵漏材料的重量百分比3％-4％。

3、根据权利要求1或2所述的水泥基智能堵漏材料，其特征在于：所述的形状记忆合金为为铜锌铝合金，所述的短切纤维为短切棉纤维，所述的水泥基堵漏材料为硅酸盐水泥。

4、根据权利要求1或2所述的水泥基智能堵漏材料，其特征在于：制成球状或近似球形的核壳结构，直径为5-15mm。

5、一种权利要求1或2所述的水泥基智能堵漏材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：

(1)将丝状形状记忆合金缠绕成弹簧形；

(2)将短切纤维加入到水泥基堵漏材料中，混合均匀；

(3)形状记忆合金上涂敷上一薄层柠檬酸，放在混有短切纤维的水泥基堵漏材料中滚动，利用柠檬酸的粘性，使形状记忆合金包敷上短切纤维和水泥基堵漏材料。

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