CN101586023B - 一种钻井用高强度预交联凝胶堵漏剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井用高强度预交联凝胶堵漏剂及其制备方法，原料组分为：丙烯酰胺单体12-20份，丙烯酸单体2-5份，阳离子单体3-6份，交联剂0.01-0.03份，引发剂0.03-0.06份，填充材料3-7份，其余为水；将丙烯酰胺单体、阳离子单体和交联剂加入水中溶解，加填充材料搅拌；再加入中和度为70％的丙烯酸氢氧化钠溶液，通氮气保护，充分搅拌；反应温度30-60℃时加入引发剂，反应3-5小时。本发明的预交联凝胶堵漏剂吸水膨胀速率较慢，保证堵漏剂进入漏层后自身体积还能持续膨胀，以便很好的封堵漏层；同时还具有抗挤压强度大、耐温耐矿化度能力强具有特点，适合于在钻井过程中进行堵漏。

Description

一种钻井用高强度预交联凝胶堵漏剂及其制备方法

技术领域

本发明属于石油钻井过程中的钻井用堵漏剂及其制备方法。

技术背景

井漏是石油钻井过程中危害最严重的复杂情况之一，耗费钻井时间，损失钻井液和堵漏材料，甚至引起卡钻、井喷、井塌等一系列复杂情况，导致井眼报废，而且还会对油层造成损害，造成重大经济损失。

在钻井堵漏作业中，桥接堵漏是目前较为普遍采用的堵漏方法，它具有成本低及施工方便等优点，但这些材料的也存在着明显的缺陷：一是堵漏过程中自身的可变形性较差，稍大于漏层孔隙裂缝或是与漏层孔隙裂缝形状不匹配的颗粒就不易进入，在漏层表面形成堆积，并未适当深入漏层；二是这些堵漏材料不具有膨胀性或只有微小的膨胀量，即使将漏层堵住，由于受波动压力或抽吸压力等外力的作用，很容易被返排出来。由于上述原因，使用这些材料处理井漏时，往往易造成堵漏效果不佳和堵漏后发生重复性漏失，因此，迫切需要寻找一种新型的堵漏材料。

预交联凝胶是近年来在国外石油行业研究、应用都很广泛的油田化学品，目前国内主要应用于采油作业进行堵水、调剖和调驱使用，对吸水后的凝胶抗挤压强度和吸水速率要求较低。而在石油钻井堵漏作业中，由于压差大，要求预交联凝胶的抗挤压强度大，否则在高压差的作用下，进入漏层的预交联凝胶颗粒易进入深部地层或剪切破碎，导致堵漏作业失败。同时，为了达到最佳的堵漏效果，堵漏用预交联凝胶不仅应具有一定的强度、而且要呈弹性而非塑性状态(类似橡胶而非塑料)，易使其能够适应不同形状的漏失通道，解决漏层对堵漏材料的选择效应；其初始吸水膨胀速率要慢，进入漏层后自身体积还能持续膨胀，使其具有一定的扩张充填和内部挤紧压实的双重作用，以便很好的封堵漏层。

高强度预交联凝胶堵漏剂堵漏机理为：

(1)弹性颗粒的架桥充填作用。由于高强度预交联凝胶堵漏剂吸水后形成弹性的凝胶颗粒，具有一定的粒径分布，在地层孔道中通过架桥充填作用起到较好的封堵作用。

(2)弹性颗粒的挤压变形及扩张充填作用。由于高强度预交联凝胶堵漏剂吸水后形成的凝胶颗粒具有很高的弹塑性和韧性，在一定的外力作用下，能挤压变形而进入较小孔道内，进入后通过其弹性作用进一步挤压充填，从而进一步改善堵漏效果。

(3)延迟膨胀封堵作用。高强度预交联凝胶堵漏剂初始吸水膨胀速率较慢，进入漏层后自身体积还能持续膨胀，具有遇水延迟膨胀特性，进入漏层后，受漏失通道尺寸的限制，堵漏剂体积无法增大，因此，形成的水化膨胀应力直接作用在其周围岩石和堵漏材料上，使“封堵层”更加致密紧凑，与裂缝间摩擦阻力进一步加强，增强了“封堵层”在正向或负向压差作用下的抗突破能力，提高地层承压能力，在一定程度上拓展了安全密度窗口。

(4)强力吸附提高封堵强度。由于高强度预交联凝胶堵漏剂中含有一定的阳离子基团，阳离子基团能与带负电的岩石表面产生较强的静电吸附作用，特别是碎石与凝胶紧密吸附结合在一起，进一步提高了封堵强度。

高强度预交联凝胶堵漏剂的上述特点，克服了常规桥接堵漏材料只能通过架桥充填封堵漏层的缺陷，适应范围更广，封堵能力强。在实际应用过程中，在漏层孔隙或裂缝尺寸未知的情况下，可使用较大尺寸的高强度预交联凝胶堵漏剂颗粒堵漏，对尺寸大于高强度预交联凝胶堵漏剂颗粒直径的较大孔隙或裂缝，堵漏剂可通过架桥充填起到封堵作用；对尺寸小于堵漏剂颗粒直径的较小孔隙或裂缝，颗粒可通过挤压变形及扩张充填起到封堵作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高强度预交联凝胶堵漏剂及其制备方法。本发明的产品堵漏速度快、封堵范围广、对漏层孔隙或裂缝尺寸依赖性弱，该堵漏剂遇水后吸水膨胀，具有抗挤压强度高、弹性好和初始吸水膨胀速率慢等优点，适合于在钻井过程中进行堵漏。

本发明的技术方案如下：

一种高强度预交联凝胶堵漏剂，以100质量份计，原料的组分为：丙烯酰胺单体12-20份，丙烯酸单体2-5份，阳离子单体3-6份，交联剂0.01-0.03份，引发剂0.03-0.06份，填充材料3-7份，其余为水；按以下方法制得：

将丙烯酰胺单体、阳离子单体和交联剂加入水中溶解，加入填充材料，搅拌均匀；再加入中和度为70％的丙烯酸氢氧化钠溶液，通氮气保护，充分搅拌20-30min；调温至反应温度30-60℃时加入引发剂，停止通氮和搅拌，反应3-5小时。

所说的阳离子单体是二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

所说的交联剂是N，N′-亚甲基双丙烯酰胺。

所说的引发剂是过硫酸铵或过硫酸钾。

所说的填充材料是淀粉或膨润土。

一种高强度预交联凝胶堵漏剂的制备方法，步骤如下：

(1)将丙烯酰胺单体、阳离子单体和交联剂加入水中，充分溶解，然后加入填充材料，搅拌均匀；

(2)用20％的氢氧化钠溶液中和丙烯酸，中和至中和度为70％；

(3)将步骤(2)配好的丙烯酸溶液加入到步骤(1)配好的液体中，然后加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的反应器中，通氮气保护，充分搅拌20-30min；调温至反应温度30-60℃，加入引发剂，停止通氮和搅拌，反应3-5小时；将产物取出，105℃下干燥，粉碎可得颗粒状高强度预交联凝胶堵漏剂。

本发明的堵漏剂适合于在钻井过程中进行堵漏，可用于高矿化度堵漏液和不同井深的漏层。

应用方法：根据需要选择6-8％wt的膨润土浆为堵漏基浆，基浆粘度和切力要适当，漏斗粘度一般控制在30-50s为宜。在地面配浆罐连续搅拌条件下，通过加重漏斗加入本发明的高强度预交联凝胶堵漏剂5～10％wt(基于基浆重量)。若漏速超过20m³/h，可考虑复配3-5％的复合堵漏剂(棉耔壳、核桃壳、云母等材料的混合物)。配制量应以漏速大小、漏失通道形状和段长以及井眼尺寸等综合确定，通常范围为20～50m³。将钻杆(应采用光钻杆或带大水眼的钻具)下至漏层顶部20-50m位置，立即泵入已配好的堵漏浆至漏失层段，注入量以能全部覆盖漏层段并加2～10m³，然后静止堵漏8h。

本发明的高强度预交联凝胶具有以下特点：1、吸水膨胀速率较慢，0.5h膨胀倍数3-7倍，最终膨胀倍数25-35倍，此特性有利于堵漏浆的配制与泵送，同时保证堵漏剂进入漏层后自身体积还能持续膨胀，以便很好的封堵漏层；2、抗挤压强度大，粒径4-5mm的凝胶颗粒通过2mm裂缝的抗挤压强度约为0.5MPa，而目前油田常用的预交联凝胶抗挤压强度一般不超过0.3MPa，较高的抗挤压强度有利于预交联凝胶颗粒在近井壁地带对漏层产生有效封堵，防止其易进入深部地层或剪切破碎而导致堵漏作业失败；3、耐温耐矿化度能力强，高强度预交联凝胶在常温～150℃温度范围内稳定存在，具有较高的热稳定性能，且其性能不受矿化度影响，可用于高矿化度堵漏液，并适用于不同井深的漏层。

本发明的高强度预交联凝胶作为堵漏剂使用具有以下显著优点：

(1)封堵速度快，堵漏成功率高。高强度预交联凝胶堵漏剂产品为形状不规则的颗粒状固体，可通过架桥充填作用、挤压变形及扩张充填封堵作用、延迟膨胀封堵作用和强力吸附作用等多种作用机理，在孔隙、裂缝和溶洞中快速产生封堵，在漏失通道中形成具有较高强度的封堵层，达到堵漏的目的。

(2)封堵层承压能力强，不易出现重复漏失。高强度预交联凝胶堵漏剂初始吸水膨胀速率较慢，进入漏层后自身体积还能持续膨胀，具有遇水延迟膨胀特性，进入漏层后，受漏失通道尺寸的限制，堵漏剂体积无法增大，因此，形成的水化膨胀应力直接作用在其周围岩石和堵漏材料上，使“封堵层”更加致密紧凑，与裂缝间摩擦阻力进一步加强，增强了“封堵层”在正向或负向压差作用下的抗突破能力，提高地层承压能力，在一定程度上拓展了安全密度窗口。漏层一旦被堵住，在后续的钻井过程中不易再出现漏失现象。

(3)适用温度和矿化度范围广。高强度预交联凝胶堵漏剂在常温～150℃温度范围内稳定存在，具有较高的热稳定性能，可使用于不同井深的漏层；高强度预交联凝胶堵漏剂性能不受矿化度影响，可用于高矿化度盐水钻井液或堵漏液。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但是不应该认为本发明被下面特定例子所限定。各实施例中组分的含量以重量份表示。

实施例1.

将20份丙烯酰胺、4份二甲基二烯丙基氯化铵(阳离子单体)和0.01份N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)加入水中，充分溶解，然后加入6份膨润土，搅拌均匀后加入2份中和度为70％的丙烯酸。将上述反应液加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的反应器中，通氮气保护，充分搅拌20min，调至所需的反应温度60℃，加入0.03份引发剂过硫酸铵，停止通氮和搅拌，反应5小时；将产物取出，105℃下干燥，粉碎可得颗粒状高强度预交联凝胶堵漏剂。

实施例2.

将15份丙烯酰胺、5份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(阳离子单体)和0.02份N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)加入水中，充分溶解，然后加入5份淀粉，搅拌均匀后再加入3份中和度为70％的丙烯酸。将上述反应液加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的反应器中，通氮气保护，充分搅拌20min，调至所需的反应温度40℃，加入0.06份引发剂过硫酸钾，停止通氮和搅拌，反应3.5小时；将产物取出，105℃下干燥，粉碎可得颗粒状高强度预交联凝胶堵漏剂。

实施例3.

将12份丙烯酰胺、3份丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(阳离子单体)和0.03份N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)加入水中，充分溶解，然后加入3份膨润土，搅拌均匀后再加入4份中和度为70％的丙烯酸。将上述反应液加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的反应器中，通氮气保护，充分搅拌20min，调至所需的反应温度50℃，加入0.05份引发剂过硫酸铵，停止通氮和搅拌，反应4小时；将产物取出，105℃下干燥，粉碎可得颗粒状高强度预交联凝胶堵漏剂。

取上述实验方法制备的产品，进行相关性能评价，有关实验数据如下：

1、吸水性能

称取一定质量的产品置于烧杯中，加入一定体积蒸馏水、静置，用筛网过滤、再静置，最后称其质量。吸水倍数＝(吸水后质量-吸水前质量)/吸水前质量。

表1  实施例1-3产品在不同矿化度中的吸水倍数(24h)

吸水树脂	蒸馏水	氯化钠溶液(5％)	氯化钙溶液(2％)
				实施例1(20℃)	25.00	21.24	18.33
实施例2(20℃)	31.00	25.71	19.52
				实施例3(20℃)	34.33	26.54	23.18

表2  实施例1-3的产品吸水倍数随时间的变化关系(20℃)

时间/min	实施例1产品的吸水倍数	实施例2产品的吸水倍数	实施例3产品的吸水倍数
				10	2.06	3.33	3.00
30	3.82	6.00	6.34
				60	6.18	9.67	11.00
90	8.53	12.67	15.00
				120	10.29	15.67	17.67
180	12.94	19.67	21.00

时间/min	实施例1产品的吸水倍数	实施例2产品的吸水倍数	实施例3产品的吸水倍数
				240	15.59	22.33	24.33
360	19.12	25.33	28.00
				600	22.06	28.33	31.00
1440	25.00	31.00	34.33

由表1和表2可知，研制的高强度预交联凝胶堵漏剂吸水膨胀速率较慢，0.5h吸水倍数为3-7倍，最终膨胀倍数25-35倍，且具有较好的抗盐能力。此特性有利于堵漏浆的配制与泵送，同时保证堵漏剂进入漏层后自身体积还能持续膨胀，以便很好的封堵漏层

2、抗挤压强度

将充分吸水后的高强度预交联凝胶堵漏剂(粒径4-5mm)放入下部有裂缝(裂缝宽度2mm)的不锈钢圆筒容器中，然后通过加压孔通入氮气加压，推动圆筒容器中的活塞下行，活塞推动高强度预交联凝胶堵漏剂下行，下行到一定程度，延迟膨胀型堵漏剂由于受到裂缝块端面的阻碍而开始受压，当压力增大到高强度预交联凝胶堵漏剂的最大抗挤压强度时，高强度预交联凝胶堵漏剂从裂缝中被挤出，此时的压力定义为高强度预交联凝胶堵漏剂的抗挤压强度。

表3  高强度预交联凝胶堵漏剂抗挤压强度的比较

由表3可以看出，研制的高强度预交联凝胶堵漏剂具抗挤压强度大于0.45MPa，具有较好的抗挤压性能。

3、耐温性能

将高强度预交联凝胶堵漏剂分别置于20℃、40℃、60℃和80℃的蒸馏水中，研究产品在不同温度下的吸水倍数和抗挤压强度，实验结果见表4。

表4  高强度预交联凝胶堵漏剂抗温性能

由表4可以看出，研制的高强度预交联凝胶堵漏剂具有良好的抗温性能，在实验的温度范围内，其性能受温度影响不大。

Claims (6)

1.一种预交联凝胶堵漏剂，其特征在于，以100质量份计，原料的组分为：丙烯酰胺单体12-20份，丙烯酸单体2-5份，阳离子单体3-6份，交联剂0.01-0.03份，引发剂0.03-0.06份，填充材料3-7份，其余为水；按以下方法制得：

(1)将丙烯酰胺单体、阳离子单体和交联剂加入水中，充分溶解，然后加入填充材料，搅拌均匀；

(2)用20％的氢氧化钠溶液中和丙烯酸，中和至中和度为70％；

(3)将步骤(2)配好的丙烯酸溶液加入到步骤(1)配好的液体中，然后加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的反应器中，通氮气保护，充分搅拌20-30min；调温至反应温度30-60℃，加入引发剂，停止通氮和搅拌，反应3-5小时；将产物取出，105℃下干燥，粉碎可得颗粒状高强度预交联凝胶堵漏剂。

2.如权利要求1所述的预交联凝胶堵漏剂，其特征在于，所述阳离子单体是二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

3.如权利要求1所述的预交联凝胶堵漏剂，其特征在于，所述交联剂是N，N′-亚甲基双丙烯酰胺。

4.如权利要求1所述的预交联凝胶堵漏剂，其特征在于，所述引发剂是过硫酸铵或过硫酸钾。

5.如权利要求1所述的预交联凝胶堵漏剂，其特征在于，所述填充材料是淀粉或膨润土。

6.一种权利要求1所述预交联凝胶堵漏剂的制备方法，步骤如下：

(1)将丙烯酰胺单体、阳离子单体和交联剂加入水中，充分溶解，然后加入填充材料，搅拌均匀；

(2)用20％的氢氧化钠溶液中和丙烯酸，中和至中和度为70％；

(3)将步骤(2)配好的丙烯酸溶液加入到步骤(1)配好的液体中，然后加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计的反应器中，通氮气保护，充分搅拌20-30min；调温至反应温度30-60℃，加入引发剂，停止通氮和搅拌，反应3-5小时；将产物取出，105℃下干燥，粉碎可得颗粒状高强度预交联凝胶堵漏剂。