CN101899291B

CN101899291B - 一种水平井堵水用环空化学封隔器材料

Info

Publication number: CN101899291B
Application number: CN2009100857502A
Authority: CN
Inventors: 魏发林; 刘玉章; 李宜坤; 熊春明
Original assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101899291A

Abstract

本发明涉及一种水平井堵水环空化学封隔器材料，按重量份由触变控制剂10～30份；结构增强剂0.1～10份；强度控制剂5～20份；交联剂助剂0.01～1份；水100份；触变控制剂为铝-铁混层金属氢氧化物、铝-镁混层金属氢氧化物、钠质蒙脱土中的一种或几种；结构增强剂为二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵、二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵、酰胺型双子季铵盐表面活性剂中的一种或几种；强度控制剂为聚丙烯酰胺、间苯酚或聚氧乙烯醚中含双键、亚甲基或苯基官能团中的一种或几种的聚合物；交联助剂由N-羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按照1∶0.1～5的质量比组成；可在1～6小时内胶凝，胶凝强度上升100～1000倍。

Description

一种水平井堵水用环空化学封隔器材料

技术领域

本发明涉及一种用于水平井堵水的材料，可在割缝筛管与井壁间的水平环空形成高强度不渗透的化学封隔段塞，起到环空化学封隔器(Annular Cement Packer)的作用。

背景技术

水平井已成为石油工业开发过程中加快产能建设速度、提高采油效率、增加可采储量的重要技术手段，但出水问题严重影响了其整体开发效果，如塔里木油田目前13.6％左右的水平井因高含水关井，冀东油田投产水平井综合含水已高达95％以上。吉林、辽河、大港也不同程度存在该问题。但由于水平井特殊的井身结构及完井方式，水平井堵水技术的研究成为函待解决的难题。

国内水平井多采用管外无封隔的割缝筛管方式完井，该条件下，流体在井筒中的流动通道有两种：割缝筛管内部、割缝筛管与井壁间的水平环空。堵剂要定向注入产水段(或裂缝)必须封堵这两个流动通道。前者可以借助管内封隔器或跨式封隔器，而割缝衬管与井壁间环空的封堵则无法借助机械方式，需借助特殊材料来完成，这就是所谓的环空化学封隔器(ACP)材料。

该材料需满足以下要求：

(1)可顺利由地面经施工管柱泵入跨式封隔器的位置，并由环空进入到割缝筛管与井壁间的水平环空；

(2)进入水平环空后的瞬间，该体系需能避免“重力坍落”及“回吐”，以完全填充整个环空，形成具有一定结构强度的完整的ACP段塞；

(3)填充在水平环空的完整ACP段塞，需能在所处的油藏条件下发生胶凝作用，形成不渗透的高强度化学封隔层。

为满足要求(1)，材料需要具有剪切变稀的非牛顿流体特性，这样才能适应矿场工艺需要，在高剪切下可以流动，具有可泵注性；为满足要求(2)，材料同时又必须具有低剪切状态下瞬间能形成网状结构的特性即触变性，以最大程度避免“重力坍落”及“回吐”。结构恢复时间越快，触变结构强度越高，对水平环空的充填越充分，形成的环空化学封隔器段塞的质量也就越好。因此，材料必须具有高的触变特性；为满足要求(3)，材料的胶凝时间必须可控，胶凝时间应该大于材料由底面进入水平环空、施工管柱上提并反洗结束所需要的总时间，从而保证工艺安全。

目前国外主要局限于常规凝胶材料、触变水泥，国内无相关研究。有机凝胶材料本身无强的触变特性，对“重力坍落”、“返吐”等不利现象避免即材料自支撑能力的提高主要依靠降低材料与环空内液体的密度差、或/及通过有机材料在地面预交联，从而提高体系的体相粘度来实现。依靠外界因素提高材料自支撑能力，容易因地下因素复杂等原因，导致工艺可控性差，预交联作用则容易受到高剪切的影响；无机触变水泥的开发中强调了触变的概念。但触变水泥材料本身重力作用强，结构恢复速度在几百秒左右，且存在一定的工艺风险，在触变性、工艺安全性上仍无法满足要求，国外室内模拟以填充90％的环空即为工艺成功。

因此，需要开发结构恢复时间在十几秒甚至几秒内的胶凝材料，使其在进入环空后，体相粘度瞬间迅速升高，从而保证填充效果。

发明内容

本发明的目的在于合成制备一种具有高触变特性、胶凝可控且工艺安全的非牛顿体系。该体系适用于不同温度的油藏条件，不受矿化度限制，对于温度40～90℃的油藏条件，可实现直接封堵出水段或辅助后续地层堵剂的注入；对于＞90℃的高温油藏，可作为临时环空封隔器使用，辅助后续地层堵剂的注入的用于水平井堵水用环空化学封隔器材料。

本发明以强度控制剂、触变控制剂为主要组份，配合结构增强剂合成制备了一种新的具有高触变特性，且可受控胶凝的非牛顿体系。

发明以体系的触变结构恢复速度、触变结构强度、胶凝强度、胶凝时间为主要指标，公开了使体系具有高触变能力且具有可控胶凝特性的ACP材料的合成配制方法。

按重量份由下列成份组成：

(1)触变控制剂：10～30份；

(2)结构增强剂：0.1～10份

(3)强度控制剂：5～20份；

(4)交联剂助剂：0.01～1份；

(5)水： 100份；

所说的触变控制剂为铝-铁混层金属氢氧化物、铝-镁混层金属氢氧化物、钠质蒙脱土中的一种或几种。

所说的结构增强剂为二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵、二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵、酰胺型双子季铵盐表面活性剂中的一种或几种。

所说的强度控制剂为聚丙烯酰胺、丙烯酰胺、间苯酚、聚氧乙烯醚中含双键、亚甲基或苯基官能团中的一种或几种的聚合物。

所说的交联助剂由N-羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按照1∶(0.1～5)重量比组成。

其制备方法如下：

(1)触变控制剂、结构增强剂加入水中，常温下搅拌溶解、，静止放置反应12小时，合成触变控制组分；

(2)强度控制剂、交联助剂加入合成的触变控制组分中，搅拌均匀，即形成ACP材料。

以上方法制备的ACP材料，具备了剪切变稀，静止后瞬间体相粘度迅速升高，即结构迅速增强的特性，提供了整个ACP材料的“骨架”，为强度控制剂在整个水平环空的存在提供了“平台”；分布于其中的ACP材料在油藏温度下，发生胶凝作用，进而提高整个“骨架”的强度，形成高强的胶凝段塞，实现环空化学封隔器的作用，封堵水层或者辅助后续地层堵剂的注入。

ACP材料的幂律指数为0.14～0.30，最终触变结构强度为0.3～1.0Kpa左右，剪切后静止5～30秒时触变结构强度即可迅速恢复；此外，材料可1～6小时内受控胶凝，由具有一定结构强度的触变体成为高强的粘弹固体，强度提高100～1000倍左右。仿真水平井筒(1m)模拟实验证实，ACP材料进入水平环空后，避免了常规材料的“重力坍落”现象，可完整填充环空。

(1)触变性质

测定ACP材料的粘度～剪切速率，研究材料网络结构的破坏情况；然后静止，利用动态法测定弹性模量～恢复时间关系，研究网络结构在被破坏后的重新恢复情况。

作为对比，实验同时分别研究了常规触变材料即铝镁混层金属氢氧化物体系(MMH)、三乙醇胺钛/羧甲基改性纤维素体系(Ti/HEC)的触变行为。如图1、图2。

从三种材料的幂律指数看，ACP材料远远低于Ti/HEC及MMH，具有良好的注入特性；从材料结构恢复速度看，ACP材料在剪切停止后，受破坏的结构更易于恢复；从触变恢复后的结构强度看，ACP材料远远高于其它两个体系，如剪切后20s时，MMH、Ti/HEC的弹性模量分别为37.43、17.76Pa，而ACP材料的相应值则高达207.3Pa。

(2)可控胶凝特性

配制含不同浓度交联助剂的ACP材料，一定温度下放置。依交联助剂浓度的变化，ACP材料可在1～6小时内胶凝，由触变流体成为高强粘弹固体，胶凝强度可大幅上升100～1000倍左右。

附图说明

图1ACP材料的

关系以及剪切时的状态

图2ACP材料的材料的G’～t关系以及静止恢复瞬间的状态

图3工艺模型示意图

具体实施方式

实施例1

按重量份，将铝-铁混层金属氢氧化物30份、二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵10份加入100份水中，常温下搅拌溶解、，静止放置反应12小时，合成触变控制组分；然后，将聚丙烯酰胺20份、N-羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按照1∶0.1～5重量配比0.5份加入合成的触变控制组分中，搅拌均匀，形成ACP材料。

该ACP材料的幂律指数为0.14，最终触变结构强度为0.83Kpa，剪切后静止5秒左右触变结构强度即可迅速恢复；并可在6小时左右由具有一定结构强度的触变体成为高强的粘弹固体，强度达到790.0KPa。

依据实际井筒尺寸制备1米长的工艺模型(图3)。将合成制备的ACP材料染色后注入水平环空，观察其是否可以完全占据水平空间，有效防止重力坍落现象。

工艺模拟实验显示，ACP材料具有良好的注入性，进入环空后，可最终形成完整的ACP段塞，占据整个环空，未出现“重力坍落”现象，体现出了材料的高触变特性。模型条件下，所形成的ACP胶凝段塞轴向持压强度大于0.8MPa/m。其性能充分满足工艺需要。

实施例2

按重量份，将铝-镁混层金属氢氧化物10份、二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵1份加入100份水中，常温下搅拌溶解、，静止放置反应12小时，合成触变控制组分；然后，将聚氧乙烯醚5份、N-羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按照1∶0.1～5重量配比0.1份加入合成的触变控制组分中，搅拌均匀，形成ACP材料。

该ACP材料的幂律指数为0.20，最终触变结构强度为0.58Kpa，剪切后18秒左右触变结构强度即可迅速恢复；4.5小时内由具有一定结构强度的触变体成为高强的粘弹固体，强度达到207.4KPa。

依据实际井筒尺寸制备1米长的工艺模型(图3)。将合成制备的ACP材料染色后注入水平环空，观察其触变以及胶凝特性。

工艺模拟实验显示，ACP材料具有良好的注入性，进入环空后，可形成完整的ACP段塞，占据整个环空，未出现“重力坍落”现象。模型条件下，所形成的ACP胶凝段塞轴向持压强度大于0.56MPa/m。其性能满足工艺需要。

实施例3

按重量份，将钠质蒙脱土20份、酰胺型双子季铵盐5份加入100份水中，常温下搅拌溶解、，静止放置反应12小时，合成触变控制组分；然后，将丙烯酰胺15份、N-羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按照1∶0.1～5重量配比1份加入合成的触变控制组分中，搅拌均匀，形成ACP材料。

该ACP材料的幂律指数为0.30，最终触变结构强度为0.32Kpa，剪切后30秒左右触变结构强度即可迅速恢复，1小时内继续由具有一定结构强度的触变体成为高强的粘弹固体，强度达到30.7KPa。

工艺模拟实验证实，ACP材料具有良好的注入性，进入环空后，可形成完整的ACP段塞，占据整个环空，未出现明显的“重力坍落”现象。模型条件下，所形成的ACP胶凝段塞轴向持压强度大于0.38MPa/m，其性能可基本满足工艺需要。

Claims

1.一种水平井堵水环空化学封隔器材料，其特征在于：按重量份由

下列成份组成：

(1)触变控制剂：10～30份

(2)结构增强剂：0.1～10份

(3)强度控制剂：5～20份

(4)交联剂助剂：0.01～1份

(5)水100份

所说的触变控制剂为铝-铁混层金属氢氧化物、铝-镁混层金属氢氧化物、钠质蒙脱土中的一种或几种；

所说的结构增强剂为二溴代-二(二甲基十二烷基)乙二铵、酰胺型双子季铵盐表面活性剂中的一种或几种；

所说的强度控制剂为聚丙烯酰胺、间苯酚或聚氧乙烯醚中含双键、亚甲基或苯基官能团中的一种或几种的聚合物；

所说的交联剂助剂由N-羟甲基丙烯酰胺和叔丁基过氧化物按照1∶0.1～5的质量比例组成；

其合成制备方法如下：

(1)触变控制剂、结构增强剂加入水中，常温下搅拌溶解反应后，静止放置12小时，合成触变控制组分；

(2)强度控制剂、交联助剂加入合成的触变控制组分中，搅拌均匀。