CN104152123B - 一种阳离子化学堵漏剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阳离子化学堵漏剂，包括基于所述堵漏剂总重量计的0.1～5重量%的阳离子聚合物、1～15重量%的填充剂、0.1～5重量%的交联剂和1～5重量%的流变调节剂。其中，阳离子聚合物优选为阳离子聚丙烯酰胺，填充剂、交联剂和流变调节剂分别优选为碳酸钙、六次甲基四胺和膨润土。本发明所提供的阳离子化学堵漏剂通过在用于油井堵漏施工时，与阴离子型钻井液在发生井漏的井段混合后发生中和反应和交联反应，使混合液粘度迅速增大并形成空间网状结构，从而封堵了漏失通道，起到堵漏的作用，具有堵漏耗时短、堵漏效率高的特点。

Description

一种阳离子化学堵漏剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及石油钻探领域，具体涉及一种阳离子化学堵漏剂以及其制备方法。
背景技术
钻井液漏失（井漏）是石油钻探过程中普遍存在，并且至今尚未完全解决的石油工程技术难题。特别是深井、复杂地层的钻井施工，经常遇到低压、裂缝及溶洞型严重漏失的地层。据不完全统计，我国每年因处理井漏的费用高达2亿元。因此，开发出一种方便有效的油田钻井堵漏技术或提供高效实用的堵漏剂将会带来良好的经济效益和社会效益。
在钻井过程中，钻遇高渗透率地层，特别是裂缝发育或有较大孔洞存在的地层时，往往会发生较严重的井漏问题。目前，在石油钻探过程中发生井漏后，一般采取停止循环钻井液，起出钻具，在静止条件下进行堵漏施工的措施。具体地，通常采用桥接颗粒材料堵漏或用水泥浆、脲醛树脂等化学堵漏剂封堵漏失层位来进行堵漏施工。对于渗透性高地层造成漏失的堵漏施工，一般采用桥接材料进行堵漏即可满足钻井施工的技术要求。但是，对于由于钻遇压力敏感性地层、大裂缝、大溶洞等情况而造成的严重井漏，现有的桥接堵漏和使用化学堵漏剂的施工成功率低，常发生反复堵漏、越堵越漏的情况。例如，在使用水泥浆进行堵漏施工时，经常发生由于水泥浆与地层水（或钻井液）混合稀释，导致水泥浆不能凝固的现象。
目前，钻井用化学堵漏剂主要可分为固体颗粒类、纤维类、无机凝胶和阴离子聚合物凝胶等种类。例如，中国授权发明专利CN100556979C公开了一种钻井用自胶结化学堵漏剂及其制备方法，该堵漏剂采用无机颗粒和无机凝胶为堵剂，具体以铝土矿、石灰石和石膏为原料，对钻井漏失进行封堵。中国授权发明专利CN102127403B公开了一种钻井堵漏剂，通过将核桃壳粉末、锯木面、棉籽、谷壳粉末、活性封堵剂和弹性橡胶粒等混合均匀而制成，构成的组分种类较多。中国授权发明专利CN101955763B公开了一种抗高压堵漏剂，由黄豆颗粒、核桃壳粉、蛭石、花生壳粉、水泥和钻井液用絮凝包被剂（阴离子聚合物）组成；该堵漏剂利用化学剂和颗粒物质的桥接作用进行封堵，其组成较为复杂。中国发明专利CN101586023B公开了一种钻井用预交联凝胶堵漏剂及其制备方法，通过将丙烯酰胺、丙烯酸、阳离子单体、交联剂和引发剂在地面上混合，在氮气保护下发生交联聚合反应，制成不溶解、仅溶胀并具有可膨胀特性的预交联凝胶堵漏剂；将该堵漏剂注入地下后，依靠聚合物颗粒的持续膨胀来进行封堵；该堵漏剂通过自身膨胀特性能够起到良好的堵漏效果，但是其制备方法较为复杂，需要在氮气保护下在地面上进行聚合后再进行使用，同时由于其具有持续的膨胀作用，对使用时间也有一定的限制。
此外，在现场施工中也会使用脲醛、酚醛等树脂类化学堵剂进行堵漏施工。这些施工也存在如下问题：一是脲醛树脂成本较高；二是施工难度大；三是受到钻井液污染或环境温度发生变化时，脲醛堵剂不易固结，导致堵漏成功率较低。
现有的化学堵漏剂在现场应用中具有一定的封堵效果，但也常常表现出封堵效率低、封堵强度弱和封堵有效期短等局限。分析导致钻井工程传统堵漏技术成功率低的主要原因是：堵漏剂与钻井液没有相互协同作用，混合后粘度变化不大，不能明显提高堵漏剂的流动阻力，在裂缝、孔隙等区域堵漏剂不能形成一定体积的滞留和固化，导致封堵作用差。因此，需要开发适应性广、封堵速度快和堵漏强度高的新型化学堵漏技术。
发明内容
针对现有技术中存在的如上所述的技术问题，本发明提供了一种组成简单、能够快速有效地封堵井漏的阳离子化学堵漏剂，以及该堵漏剂的制备方法。
具体地，本发明提供了一种阳离子化学堵漏剂，包括基于所述堵漏剂总重量计的0.1～5重量%的阳离子聚合物、1～15重量%的填充剂、0.1～5重量%的交联剂和1～5重量%的流变调节剂。
在本发明的一个实施方案中，堵漏剂包括基于所述堵漏剂总重量计的0.1～5重量%的阳离子聚合物、1～15重量%的填充剂、0.1～5重量%的交联剂、1～5重量%的流变调节剂以及余量的水。
在一些实施方案中，本发明的堵漏剂包括基于所述堵漏剂总重量计的0.5～2重量%的阳离子聚合物、1～10重量%的填充剂、0.1～2重量%的交联剂和1～4重量%的流变调节剂。
在油气钻探中，通常使用的钻井液是阴离子型体系，其Zeta电位一般在-40mV左右。钻井液的Zeta电位负值越高，对粘土的分散能力就越强。通常钻井液与地层水（淡水）混合后，钻井液被稀释，使钻井液的粘度和流动阻力降低，从而增加钻井液的漏失量。当本发明提供的阳离子化学堵漏剂与钻井液混合后，堵漏剂与钻井液迅速发生化学反应，使混合物形成网状结构并滞留，进而达到封堵井漏的目的。
具体地，在采用阳离子化学堵漏剂进行堵漏施工时，使用钻杆在井筒漏失的位置附近注入阳离子堵漏剂，阳离子堵漏剂进入漏失缝隙或孔洞后，与其中的阴离子型钻井液混合并快速发生中和反应和交联固结等化学反应后，体系的粘度瞬间急剧升高，并形成空间网状结构，从而使阳离子堵漏剂在漏失部位形成滞留，形成能彻底封堵漏失部位的堵塞体，从而起到堵塞漏失通道和提高易漏失地层承压能力的效果。
在本发明中，阳离子聚合物优选为阳离子聚丙烯酰胺，并尤其优选为带季胺基团的阳离子聚丙烯酰胺。阳离子聚合物的分子量优选为1～100×105，并进一步优选5～80×105。阳离子聚合物的阳离子度优选为10%～70%，并进一步优选30%～60%。作为适用于本发明的阳离子聚丙烯酰胺的型号，例如阳离子聚丙烯酰胺CP-9、CP-8。
阳离子聚合物的分子结构中含有可阳离子化的可交联基团、强吸水基团等官能团。因此，阳离子聚合物溶解在水溶液中时，由于水化、溶剂化的效应，既可保持聚合物分子的溶解性和舒展性，也会使溶液的Zeta电位成为正值。当阳离子化学堵漏剂与钻井液混合时，能够增大混合体系的Zeta电位，从而降低钻井液的分散力，起到堵漏作用。理论研究及实验证明，阳离子化学堵漏剂的Zeta电位与钻井液的Zeta电位（一般Zeta电位为-40mV左右）差别越大，堵漏效果越好。
本发明所使用的填充剂优选为金属碳酸盐，其能够起到充实地下孔洞、调节堵剂比重等。同时，碳酸盐具有良好的酸溶解性能，钻井后可以酸洗去除。具体地，填充剂优选为碳酸钙、碳酸镁和碳酸锌中的一种或多种。进一步地，优选填充剂的平均粒径大于0.02μm，并在0.1μm以下。例如选取0.02μm＜d（平均粒径）≤0.1μm的碳酸钙粉末作为填充剂。
本发明所使用的交联剂为胺类化合物，其可以在一定温度下与阳离子聚丙烯酰胺发生交联反应，使堵剂体相中的线型高分子相互连接形成高分子网络，从而成为具有良好封堵性能的凝胶体。具体地，本发明的交联剂优选为六次甲基四胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或多种。当堵漏剂与钻井液在井下相遇混合时，除了发生中和反应以外，由于井下地层的温度较高，促进了混合液中发生交联反应，使混合液形成空间网状结构，迅速起到堵漏作用。
本发明所使用的流变调节剂优选为膨润土。由于膨润土中钠、钙含量对膨润土本身的性能影响很大，因此除了普通的膨润土以外，还存在经改性后钠或钙等含量较高的钠基膨润土或钙基膨润土等。本发明使用的上述膨润土包括普通膨润土、钙基膨润土和钠基膨润土等，可根据具体的使用条件进行优选。在本发明中，流变调节剂依靠粘土分散在水中的增稠效果调节体系的流变性。可根据封堵井使用的钻井液和封堵层位的地层水性质选用不同的膨润土，以达到增粘效果。
本发明所提供的阳离子化学堵漏剂的表观粘度（使用六速旋转粘度计在100r/min转速下测试）一般为32～85mPa.s。
本发明还提供了一种如上所述的阳离子化学堵漏剂的制备方法，包括将阳离子聚合物溶解于水中，然后依次加入流变调节剂和填充剂，分散均匀后，加入交联剂，继续搅拌使交联剂完全溶解，得到所述堵漏剂。
在一个具体的实施方案中，上述阳离子化学堵漏剂的制备方法具体包括以下步骤：A、向反应釜中加入如上所述比例的阳离子聚合物和适量的水，在100～500r/min的搅拌速度下搅拌1～3小时，使阳离子聚合物充分溶解；B、在搅拌状态下，按上述比例加入流变调节剂、填充剂，继续搅拌使其分散均匀；C、加入交联剂，继续搅拌，得到混合均匀的堵漏剂。
本发明提供的阳离子化学堵漏剂在使用时，可根据实际使用的不同性质的钻井液和施工中的井下状况，选择不同的堵漏剂配方，并现场测试、选定合适的配比将堵漏剂与钻井液混合来进行堵漏施工。
本发明所提供的阳离子化学堵漏剂通过在用于堵漏施工时，与阴离子型钻井液在发生井漏的井段混合后发生中和反应和交联反应，使混合液粘度迅速增大并形成空间网状结构，进而形成滞留，从而封堵了漏失通道，同时提高了易漏失地层承压能力的效果。
本发明的阳离子化学堵漏剂与钻井液混合后，能够使混合物的Zeta电位比钻井液的Zeta电位高出10mV以上，显著地降低了钻井液的分散能力。该堵漏剂在应用中具有堵漏耗时短、堵漏效率高的特点，比常规的堵漏时间缩短50%以上，承压能力能够达到12MPa/m。此外，本发明的堵漏剂组成成分简单、原料易得，并且组成中不含对环境和人体有毒副作用的成分；该堵漏剂的制备方法易于操作，稳定性好；此外，该堵漏剂在使用时，堵漏施工操作简便。
本发明的堵漏剂可以广泛用于石油钻探或其它钻孔施工中遇到的低压、裂缝、孔洞、溶洞性严重漏失地层的堵漏施工作业中，具有显著的社会意义和经济意义。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明作进一步地说明，但本发明的范围并不限于此。
（一）阳离子化学堵漏剂的制备（实施例1～5）
按照表1所示的配方，配置5份（分别对应实施例1～5）各1000g的阳离子化学堵漏剂，具体操作步骤如下：取2500ml烧杯，安装悬臂式搅拌器；按表1所示的量加入水，开启搅拌，转速为450r/min；加入如表1所示的量的阳离子聚丙烯酰胺（CP-9，上海恒力水处理材料公司生产），搅拌2小时，使阳离子聚丙烯酰胺溶解；然后依次加入膨润土、碳酸钙（平均粒径为0.06μm），继续搅拌使其分散均匀；再加入六次甲基四胺，继续搅拌1小时，得到实施例1～5的粘稠状阳离子化学堵漏剂。
表1
（二）钻井液的制备
制备1000ml常规阴离子聚磺钻井液，用于测定实施例1～5所制备的堵漏剂的承压堵漏效果。该阴离子聚磺钻井液包括以下组分：0.7重量%的阴离子聚合物、0.4重量%的聚丙烯酸钾、0.5重量%的磺化酚醛树脂、1.0重量%的磺化沥青、2.0重量%的重晶石粉和余量的水（以上比例基于钻井液总重量计）。
具体配置步骤如下：取2500ml烧杯，安装悬臂式搅拌器；加入适量的水，开启搅拌，转速为450r/min；按比例加入阴离子聚合物（型号PAC141），搅拌1小时；再按比例依次加入聚丙烯酸钾（型号KPAN）、磺化沥青和磺化酚醛树脂，继续搅拌1小时；加入重晶石粉，继续搅拌，得到粘稠状阴离子聚磺钻井液。
（三）承压堵漏实验
首先，测定实施例1～5制备的堵漏剂和上述制备的钻井液的密度等部分性能参数，结果如表2所示（其中表观粘度是使用六速旋转粘度计在100r/min转速下测试得到）。
表2
样品 密度（g/cm3） Zeta电位（mV） 表观粘度（mPa.s）
阴离子聚磺钻井液 1.30 -40 60
实施例1 1.08 4 37
实施例2 1.12 10 45
实施例3 1.30 17 50
实施例4 1.20 20 81
实施例5 1.23 26 76
其次，将实施例1～5的堵漏剂与阴离子聚磺钻井液按质量比1:1进行混合，在转速450rpm下搅拌3分钟后，静置1h后测试混合物的Zeta电位、体系状态和承压能力，观察并记录体系状态，结果如表3所示。
具体地，体系状态判定采用目测法，将盛有堵漏剂与阴离子聚磺钻井液混合物的试管倾斜45°，观察液面在1分钟内的状态。如果液面不能保持静止，为流动；若液面部分静止，为滴流；若液面保持静止，为不流动。承压能力即地层承压能力，其评价方法采用QD-2堵漏材料试验装置（青岛海通达专用仪器有限公司），对堵漏剂封堵前后的钢缝承压能力进行加压，连续加压直至压穿后，此时的压力即为地层承压能力。
表3
混合物 Zeta电位 体系状态 承压能力（MPa/m）
阴离子聚磺钻井液/实施例1 -25 滴流 3
阴离子聚磺钻井液/实施例2 -20 不流动 5
阴离子聚磺钻井液/实施例3 -15 不流动 7
阴离子聚磺钻井液/实施例4 -5 不流动 10
阴离子聚磺钻井液/实施例5 0 不流动 12
由以上承压堵漏实验结果（见表3）可见，本发明所提供的阳离子化学堵漏剂与钻井液混合后，能够使体系的Zeta电位显著增大，粘度急剧升高，快速形成固化或基本固化的状态，使地层的承压能力大幅度提高。

Claims (9)

1.一种用于阴离子型钻井液的阳离子化学堵漏剂，包括基于所述堵漏剂总重量计的0.1～5重量％的阳离子聚合物、1～15重量％的填充剂、0.1～5重量％的交联剂和1～5重量％的流变调节剂，其中，所述阳离子聚合物为带季胺基团的阳离子聚丙烯酰胺，所述交联剂为胺类化合物；所述填充剂为金属碳酸盐；所述流变调节剂为膨润土；所述堵漏剂用于与阴离子型钻井液混合。
2.根据权利要求1所述的堵漏剂，其特征在于，所述堵漏剂包括基于所述堵漏剂总重量计的0.1～5重量％的阳离子聚合物、1～15重量％的填充剂、0.1～5重量％的交联剂、1～5重量％的流变调节剂以及余量的水。
3.根据权利要求1或2所述的堵漏剂，其特征在于，所述堵漏剂包括基于所述堵漏剂总重量计的0.5～2重量％的阳离子聚合物、1～10重量％的填充剂、0.1～2重量％的交联剂和1～4重量％的流变调节剂。
4.根据权利要求1或2所述的堵漏剂，其特征在于，所述阳离子聚合物的分子量为1～100×105；阳离子度为10％～70％。
5.根据权利要求4所述的堵漏剂，其特征在于，所述阳离子聚合物的分子量为5～80×105；阳离子度为30％～60％。
6.根据权利要求1所述的堵漏剂，其特征在于，所述填充剂为碳酸钙、碳酸镁和碳酸锌中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的堵漏剂，其特征在于，所述填充剂的平均粒径大于0.02μm，并在0.1μm以下。
8.根据权利要求1或2所述的堵漏剂，其特征在于，所述交联剂为六次甲基四胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或多种。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的堵漏剂的制备方法，包括将阳离子聚合物溶解于水中，然后依次加入流变调节剂和填充剂，分散均匀后，加入交联剂，继续搅拌使交联剂完全溶解，得到所述堵漏剂，其中，所述阳离子聚合物为阳离子聚丙烯酰胺，所述交联剂为胺类化合物。
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