CN103834375A - 一种基于磁流变液的油气井暂堵剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁流变液的油气井暂堵剂及其制备方法与应用，该暂堵剂是以经表面修饰剂修饰的羰基铁粉为磁性颗粒，白油为载液组成的。本发明还提供上述暂堵剂的制备方法与应用。本发明的暂堵剂稳定性较好，环境友好，制备原料低廉，制备工艺简易，适于工业化生产，可用于油气田开发生产作业过程中的暂堵场合。

Description

一种基于磁流变液的油气井暂堵剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种应用磁流变液于油气田开发中，作为油气井作业过程中的暂堵剂，属于材料制备技术领域。

背景技术

在油气田开发过程中，油气井井下作业是一项常见的工作。在井下作业某些情况下需要向地层或裂缝注入暂堵剂，用于封隔井筒和储层或裂缝。

在某些浅层低压气井进行修井及挖潜改造作业时，常需要在井筒内灌满压井液，利用压井液产生的静水液柱压力，防止地层流体向井筒内流动。而这些老井因长期开采处于低压状态，若采用常规井下作业方式进行修井及挖潜改造，压井液极易漏失进入地层，从而导致地层中黏土膨胀和颗粒运移，堵塞孔隙，降低渗透率，造成储层重度污染伤害，使得气井产量大幅度降低。液体胶塞作为一种暂堵剂能够有效地将压井液与产层隔离，阻止压井液漏入地层。作业后胶塞能够及时破胶，破胶液通过地层压力返排至地面。

压裂井一般在生产一段时间后，产量下降，为维持产量，需要进行重复压裂。重复压裂改造过程中，向老裂缝注入暂堵剂是一项重要环节。缝内转向压裂工艺主要是借助于缝内暂堵剂的加入和压裂施工参数的综合控制，在主裂缝内形成桥堵，产生升压效果，形成高压环境，摆脱地应力对裂缝方向的控制，实现裂缝转向，形成新的支裂缝。压出新缝后，老缝中暂堵剂破胶返排，老缝和新缝同时工作，以实现更大的产量。还有很多其他的作业过程中需要暂堵工艺，如转向酸化等。

中国专利文献CN103361040A（申请号：201310338600.4）公开了一种暂堵剂及其制备方法，所述可降解暂堵剂的原料配方如下：25%-48%玉米淀粉、20%-35%蒸馏水、25%-32%电解质、4%-10%碱性溶液、2%-5%分散剂、0.5%-1%引发剂和0.1%-0.5%交联剂；本发明暂堵剂65℃下遇水，高度膨胀，24小时在2万ppm氯化钠水溶液，质量膨胀倍数可达50倍，颗粒形态完好具有强韧性和保水性，进入地层后24小时颗粒具有一定的封堵能力，加入1%降解剂过硫酸铵溶液，48-72小时后颗粒可完全降解。但是，上述该暂堵剂需要加入引发剂和交联剂引发反应才起作用，而且使用后还需要降解，环境性能不佳。

现有的在各个方面应用的暂堵剂大多数是有一定抗温和抗压能力、具有足够黏度和韧性的非牛顿交联植物胶流体。这种暂堵剂作业完后需要的破胶返排，然而破胶液中有许多不溶物，他们的存在会严重损害储层或裂缝的渗透率，造成产量下降，作业效果变差。所以开发一种暂堵原理不同，对储层伤害小，暂堵效果好的的暂堵剂势在必行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁流变液的油气井暂堵剂及其制备方法与应用。

术语说明

白油：本发明所述的白油为工业白油，又称矿物油，通常是通过蒸馏方法从石油中提炼出的基础油，常规市购产品。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于磁流变液的油气井暂堵剂，是以经表面修饰剂修饰的羰基铁粉为磁性颗粒，白油为载液组成的；所述的羰基铁粉的固相浓度为50～70wt%，所述的表面修饰剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠或吐温80（Tween80）；所述的表面修饰剂与羰基铁粉的质量比为（0.03～0.1）：1。

根据本发明，优选的，所述的羰基铁粉的粒径范围为4～6μm，夯实密度为4.5g/cm³，固相浓度为60wt%。

根据本发明，优选的，所述的白油的密度0.82g/cm³，20℃温度下的动力粘度为3～5mm²/s。

根据本发明，优选的，表面活性剂的浓度为4wt%。

本发明上述基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备方法，步骤如下：

（1）按羰基铁粉与水的质量体积比为1～2g/ml混合，加入表面活性剂进行改性，表面活性剂与羰基铁粉质量之比为0.03～0.1，在40～60℃温度并搅拌条件下，表面化学改性0.5～2h，得混合液；

（2）静置混合液，固体颗粒沉降完全后，移去上清液；将固体颗粒于50～70℃真空干燥4～6h，研磨至粒径范围为4～6μm，得研磨颗粒；

（3）将研磨颗粒按固相浓度为50～70wt%与白油混合，搅拌分散5～10h，即得基于磁流变液的油气井暂堵剂。

根据本发明，优选的，步骤（1）中羰基铁粉与水的质量体积比为1.3～1.4g/ml，表面活性剂与羰基铁粉的质量比为0.06～0.07，表面化学改性温度为50℃，搅拌的速率为500r/min。

根据本发明，优选的，步骤（2）中真空干燥温度为60℃，真空度为0.01MPa，干燥时间5h。

根据本发明，优选的，步骤（3）中研磨颗粒按固相浓度为60wt%与白油混合，搅拌速率为500r/min，搅拌5h。

根据本发明，上述基于磁流变液的油气井智能暂堵剂，应用于油气井的暂堵。

根据本发明，所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂的应用步骤如下：

（1）将螺线管线圈固定贴在油管的外壁，下入井内，至暂堵地层中部；螺线管通过电缆与地面的电源连接；

（2）通过油管向目标暂堵地层或裂缝中注入基于磁流变液的油气井暂堵剂；当暂堵剂到达预定暂堵位置后，接通电源，通电螺线管在预定暂堵位置产生一外加磁场，基于磁流变液的油气井暂堵剂发生固化，实现暂堵；进行井下施工作业；

（3）施工完成后，关闭电源，去除磁场，基于磁流变液的油气井暂堵剂在地层与井筒的压差作用下流入井筒；循环洗井液将基于磁流变液的油气井暂堵剂返排至地面，收集盛于容器中；利用加热或磁力吸引方法实现羰基铁粉颗粒沉淀，与载液分离；移去载液，实现羰基铁粉的回收。

根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的外加磁场的强度为1000～2000Gs。

本发明的原理如下：

1、磁流变液的制备原理：

将羰基铁粉颗粒稳定分散在载液中是制备的关键。羰基铁粉颗粒密度大，与一般液体密度差较大，易于沉降，又因为粒径小，界面自由能大，易于团聚。为了使磁流变液具有一定的稳定性，选择有一定粘度和化学稳定性的工业白油作为载液。为了降低体系界面自由能，对羰基铁粉表面进行了预处理，吸附一层表面活性剂，使之与载液之间具有良好的亲和性。综合结果使磁流变液这种不稳定体系在一定的时间尺度（施工作业时间）内性质不发改变。

2、暂堵剂的暂堵原理：

在零磁场作用下，暂堵剂中磁性羰基铁粉粒子均匀地分散在基液中，其流变特性主要受载液决定。一般载液为牛顿流体，所以暂堵剂表现为牛顿流体或近似牛顿流体。宏观表现为无屈服应力或微小的屈服应力，表观粘度较小，易于输送运移。

暂堵剂到达预定位置后，施加一稳恒磁场后，分散的磁性羰基铁粉粒子可以假设为单个磁偶极子，暂堵剂即为磁流变液，在磁场力的定向约束作用下，和磁场强度相适应的程度上，沿着磁场方向形成有序排列的磁偶极子长链，如图1所示。暂堵剂中磁偶极子长链微结构的形成会突然显示出非牛顿流体的流变特性。宏观特征表现为较大的屈服应力和剪切稀化特性，可以用拟塑性宾汉流型来近似表示，本构方程为：

τ=τ_y+KDⁿ

式中，τ_y为屈服应力，Pa；K，稠度系数，Pa·Sⁿ⁺¹；D，剪切速度，s^-1；幂指数n<1（反映剪切稀化）。和普通的非牛顿流体不同，磁流变液的τ_y，K，n都为外磁场H的函数。

由于在磁场作用下，磁流变液变现为较大的屈服应力τ_y。只有当剪切应力大于τ_y时，液体才会流动；若剪切应力低于τ_y，则磁流变液就表现为固体性质，只发生弹性变形。τ_y是流体本身和外加磁场的函数，G.Bossis等人建立一个模型来分析磁流变液的屈服应力：

${\mathrm{\&tau;}}_y=\sqrt{6}\mathrm{\&phi;}{\mathrm{\&mu;}}_0{M}_s^{1/2}{H}^{3/2}$

式中，μ₀为载液磁导率，N/A²；M_s为固相微粒的饱和磁化强度，A/m；Φ为磁流变液中铁粉颗粒的体积分数；H为施加在磁流变液上的磁场强度，A/m。当施加的磁场越强，磁流变液的屈服应力越大。

假设地层或压裂裂缝介质为毛细管模型，岩石的孔隙相当于由n根半径为r毛细管构成的毛管束。当磁流变液在毛管束中流动时，根据宾汉流体的渗流规律，可得到使液体流动的启动压力梯度与屈服应力之间的关系：

$\left|\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dL}}\right|=\frac{2{\mathrm{\&tau;}}_y}{\stackrel{\&OverBar;}{r_0}}$

式中，

为平均毛管半径，m。

图2为本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂暂堵压裂裂缝的示意图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备工艺比较简单，原材料来源广泛，廉价，易于实现工业化生产。

2.本发明的暂堵工艺简单，只需要施加一外加磁场，可实现磁流变液毫秒内在所需暂堵位置产生封堵效应，而且去除磁场后，磁流变液可以恢复低粘度牛顿流型状态，易于返排至地面。

3.本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂返排无需外加破胶剂，无不溶物，颗粒粒径在微米范围，不会堵塞地层孔道，造成渗透率下降，所以对储层或裂缝伤害极小。

4.本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂的流变性能能够通过外加磁场的改变达到想要的状态，可实现智能调整磁流变液的流动状态，可以将它用于封堵大孔道。

5.本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂中羰基铁粉和载液白油毒性低，生物相容性好，对环境的污染影响小。

6.本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂在施工完毕后返排至地面，可以通过磁力回收部分羰基铁粉再重复利用。

附图说明

图1为本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂受到拉伸作用的磁偶极子链示意图。

图2为本发明基于磁流变液的油气井暂堵剂暂堵压裂裂缝的原理示意图，图a为暂堵压裂裂缝的局部放大图。其中，1、油管，2、套管，3、封隔器，4、螺线管，5、压裂裂缝，6、地层，7、磁场，8、岩石孔喉，9、基于磁流变液的油气井暂堵剂。

图3为本发明实施例1制备的基于磁流变液的油气井暂堵剂的在1000Gs稳恒磁场下的剪切应力-剪切速度（τ-D）曲线。

图4本发明实施例1制备的基于磁流变液的油气井暂堵剂中羰基铁粉经表面修饰后的扫描电镜照片（SEM）。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例中所用原料均为常规市购产品。

实施例1

基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备，步骤如下：

（1）将124g羰基铁粉加入92ml去离子水中，加入带有水浴加热的三颈瓶中，加入7.4g十二烷基苯磺酸钠；保持水浴温度50℃，在转速500r/min机械搅拌1h，得混合液；

（2）静置混合液，固体颗粒沉降完全后，移去上清液；将固体颗粒放于真空干燥箱中，50℃干燥5h，真空度0.01MPa；干燥完全后取出固体颗粒，用研钵研磨至粒径为4～6μm，得研磨颗粒；

（3）将研磨颗粒按固相浓度为50wt%与白油混合，在500r/min下搅拌5h，分散均匀，即得基于磁流变液的油气井暂堵剂。

实施例2

基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备，步骤如下：

（1）将140g羰基铁粉加入104ml去离子水中，加入带有水浴加热的三颈瓶中，加入10g十二烷基硫酸钠；保持水浴温度50℃，在转速500r/min机械搅拌2h，得混合液；

（2）静置混合液，固体颗粒沉降完全后，移去上清液；将固体颗粒放于真空干燥箱中，50℃干燥5h，真空度0.01MPa；干燥完全后取出固体颗粒，用研钵研磨至粒径为4～6μm，得研磨颗粒；

（3）将研磨颗粒按固相浓度为60wt%与白油混合，在500r/min下搅拌7h，分散均匀，即得基于磁流变液的油气井暂堵剂。

实施例3

基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备，步骤如下：

（1）将100g羰基铁粉加入73ml去离子水中，加入带有水浴加热的三颈瓶中，加入6gTween80；保持水浴温度50℃，在转速500r/min机械搅拌1h，得混合液；

（2）静置混合液，固体颗粒沉降完全后，移去上清液；将固体颗粒放于真空干燥箱中，50℃干燥5h，真空度0.01MPa；干燥完全后取出固体颗粒，用研钵研磨至粒径为4～6μm，得研磨颗粒；

（3）将研磨颗粒按固相浓度为70wt%，在500r/min下搅拌5h，分散均匀，即得基于磁流变液的油气井暂堵剂。

实施例4

基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备，步骤同实施例1，不同的是步骤（1）中保持水浴温度40℃。

实施例5

基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备，步骤同实施例3，不同的是步骤（3）中搅拌时间10h。

应用例1

对一口油井低渗层位进行重复压裂作业，地层压力10MPa，地层破裂压力40MPa，老裂缝高10m，缝宽5mm，支撑剂填充裂缝平均孔喉半径0.1mm。施加在井筒附近的磁场为1000Gs，此时实施例1中制备的磁流变液屈服应力在1.1kPa左右。

可知暂堵剂要封堵30MPa的压力差，需要的磁流变液的段塞长度为：

$l=\frac{\mathrm{\&Delta;p}\stackrel{\&OverBar;}{r_0}}{2{\mathrm{\&tau;}}_y}=\frac{30\&times;{10}^6\&times;0.1\&times;{10}^{-3}}{2\&times;1.1\&times;{10}^3}=1.36m$

则暂堵所需要的磁流变液的体积为：

V=2hwl=2×10×0.005×1.36=0.136m³

将实施例1制备的基于磁流变液的油气井暂堵剂，应用于油气井的暂堵，步骤如下：

（1）将螺线管4线圈固定贴在油管1的外壁，下入井内，至暂堵地层6中部；螺线管4通过电缆与地面的电源连接；

（2）通过油管1向目标暂堵地层6或压裂裂缝5中注入基于磁流变液的油气井暂堵剂9；当基于磁流变液的油气井暂堵剂9到达预定暂堵位置后，接通电源，通电螺线管4在预定暂堵位置产生一外加磁场7（大小为1000～1100Gs），基于磁流变液的油气井暂堵剂9发生固化，实现暂堵；进行井下施工作业；

（3）施工完成后，关闭电源，去除磁场7，基于磁流变液的油气井暂堵剂9在地层6与井筒的压差作用下流入井筒；循环洗井液将基于磁流变液的油气井暂堵剂9返排至地面，收集盛于容器中；利用加热或磁力吸引方法实现羰基铁粉颗粒沉淀，与载液分离；移去载液，实现羰基铁粉的回收。

Claims (10)

1.一种基于磁流变液的油气井暂堵剂，该暂堵剂是以经表面修饰剂修饰的羰基铁粉为磁性颗粒，白油为载液组成的；所述的羰基铁粉的固相浓度为50～70wt%，所述的表面修饰剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠或吐温80；所述的表面修饰剂与羰基铁粉的质量比为（0.03～0.1）：1。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂，其特征在于所述的羰基铁粉的粒径范围为4～6μm，夯实密度为4.5g/cm³，固相浓度为60wt%。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂，其特征在于所述的白油的密度0.82g/cm³，20℃温度下的动力粘度为3～5mm²/s。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂，其特征在于表面活性剂的浓度为4wt%。

5.一种权利要求1～4任一项所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备方法，步骤如下：

（1）按羰基铁粉与水的质量体积比为1～2g/ml混合，加入表面活性剂进行改性，表面活性剂与羰基铁粉质量之比为0.03～0.1，在40～60℃温度并搅拌条件下，表面化学改性0.5～2h，得混合液；

（2）静置混合液，固体颗粒沉降完全后，移去上清液；将固体颗粒于50～70℃真空干燥4～6h，研磨至粒径范围为4～6μm，得研磨颗粒；

（3）将研磨颗粒按固相浓度为50～70wt%与白油混合，搅拌分散5～10h，即得基于磁流变液的油气井暂堵剂。

6.根据权利要求5所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备方法，其特征在于步骤（1）中羰基铁粉与水的质量体积比为1.3～1.4g/ml，表面活性剂与羰基铁粉的质量比为0.06～0.07，表面化学改性温度为50℃，搅拌的速率为500r/min。

7.根据权利要求5所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备方法，其特征在于步骤（2）中真空干燥温度为60℃，真空度为0.01MPa，干燥时间5h。

8.根据权利要求5所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂的制备方法，其特征在于步骤（3）中研磨颗粒按固相浓度为60wt%与白油混合，搅拌速率为500r/min，搅拌5h。

9.权利要求1～4任一项所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂应用于油气井的暂堵，应用步骤如下：

（1）将螺线管线圈固定贴在油管的外壁，下入井内，至暂堵地层中部；螺线管通过电缆与地面的电源连接；

（2）通过油管向目标暂堵地层或裂缝中注入基于磁流变液的油气井暂堵剂；当暂堵剂到达预定暂堵位置后，接通电源，通电螺线管在预定暂堵位置产生一外加磁场，基于磁流变液的油气井暂堵剂发生固化，实现暂堵；进行井下施工作业；

（3）施工完成后，关闭电源，去除磁场，基于磁流变液的油气井暂堵剂在地层与井筒的压差作用下流入井筒；循环洗井液将基于磁流变液的油气井暂堵剂返排至地面，收集盛于容器中；利用加热或磁力吸引方法实现羰基铁粉颗粒沉淀，与载液分离；移去载液，实现羰基铁粉的回收。

10.根据权利要求9所述的基于磁流变液的油气井暂堵剂的应用，其特征在于步骤（2）中所述的外加磁场的强度为1000～2000Gs。

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