弹性堵漏剂
技术领域
本发明涉及钻井技术领域,特别涉及一种钻井用弹性堵漏剂。
背景技术
随着世界油气需求的持续增长,采用保护储层钻井液技术勘探开发复杂油气藏的力度逐年加大。天然地层结构的脆弱或者注水开发不合理导致的井漏时有发生。
井漏是指钻井过程中,井筒内钻井液或其他介质(如固井水泥浆等)漏入地层孔隙、裂缝等空间的现象。井漏是钻井工程中常见的井内复杂情况,多数钻井过程都有不同程度的井漏,轻微的井漏会使钻井工作中断,严重的井漏则会消耗大量的生产时间、人力、物力和财力,如井漏得不到及时处理,还会引起井内压力下降,影响正常钻井、引起井壁失稳、诱发地层流体涌入井筒并井喷,导致部分井段或全井段的报废,所以及时处理井漏恢复正常钻井是非常重要的工作。
目前,井漏发生后采取的主要措施是使用堵漏剂对发生井漏的井段进行堵漏。目前国内市场有许多不同特性的堵漏剂:以棉花纤维、花生壳、核桃壳等植物纤维为主要成分的植物纤维堵漏剂;以沥青-石灰石混合物、腐植酸钾、颗粒状物质为主要成分无机颗粒物堵漏剂;桥塞堵漏剂及单向压力封闭剂等。然而,由于植物纤维比重过轻、尺寸不易控制、易交结、流动性差,因此直接使用棉籽壳等植物纤维进行堵漏时堵漏效果差,承压能力弱;无机颗粒物堵漏剂对大裂缝的封堵能力有局限性,不能起到良好的封堵效果;而桥塞堵漏剂及单向压力封闭剂需要根据漏层的性质,选择恰当的级配和浓度,否则在漏失通道中不能形成“桥架”,或是在井壁处“封门”,使堵漏失效。因此,开发一种堵漏效果好,能够提高地层承压能力,在钻井过程中及时阻止井漏进一步发展的钻井堵漏剂是保证钻井安全进行的关键。
在中国专利申请CN201010517887.3中公开了一种石油钻井用堵漏剂及其制备方法,其使用堵漏液A,包含海藻酸盐、核桃壳和水;及堵漏液B,包含油井水泥、纤维和水,两者混合配制堵漏剂,其仅通过海藻酸盐及纤维来辅助核桃壳堵漏,只在裂隙表面形成凝胶,不能伸入至裂隙中,导致堵漏剂与井壁裂隙不能形成良好的封闭体系,易造成堵漏失败。
发明内容
为了克服上述缺陷并达到各方面的期望,本发明提供一种弹性堵漏剂。
本发明人经过锐意研究得到一种弹性堵漏剂。该弹性堵漏剂主要由弹性暂堵颗粒及桥联剂组成,桥联剂可横跨井壁裂隙的上下表面,从而阻止裂隙的进一步扩张,同时,弹性暂堵颗粒与水接触后,具有外柔内刚的特点,其内部为强度极高的刚性固体颗粒,外部为具有较强弹性和可变形性柔性体,此特点使其对不同形状井壁裂隙具有较好的适应性。在压差作用下,弹性暂堵颗粒被挤入井壁裂缝,依靠其外部弹性凝胶产生很大的摩擦力,当多个弹性暂堵颗粒同时进入孔隙或裂缝后,其摩擦力叠加将大于生产压差,从而将井壁裂缝完全封堵,因此,此弹性暂堵颗粒使其对入口为不同形状的井壁裂隙均具有良好的适应性,其弹性可变性克服了刚性固体颗粒因不能变形而适应性差的缺点,有效降低钻井液滤失量,起到单向封堵的作用。其作用机理可参见图1。
该弹性堵漏剂在反向压差的作用下,弹性暂堵颗粒的弹性凝胶部分会从井壁裂隙中脱离下来,其裹胁刚性固体颗粒从井壁裂隙脱离,同时,桥联剂也会随之被解脱下来,无需额外施加作用力即可实现解堵。其作用机理参见图2。
本发明目的在于提供以下几方面:
第一方面,本发明提供弹性堵漏剂,包括以下重量配比的组分:
弹性暂堵颗粒 1份
桥联剂 0.1~10份
其中,
所述桥联剂的尺寸为100~30000μm,其选自:花生壳、棉籽皮、短绒、锯末、核桃壳、贝壳、石棉绒等;
所述弹性暂堵颗粒遇水后体积膨胀为原体积的5~12倍,其通过以下方法制备:
将100重量份刚性固体颗粒、600~2500重量份单体、60~280重量份引发剂、30~280重量份分散剂和200~600重量份弹性凝胶等加入到水中,升温至60~150度,烘干得到弹性暂堵颗粒,其中,
所述刚性固体颗粒选自:石英砂、硅酸盐矿物、玻璃小珠、塑料小球和核桃壳粉;
所述单体选自:丙烯酰胺;
所述引发剂选自:过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化苯甲酸叔丁酯和过氧化叔戊酸叔丁基酯;
所述分散剂选自:三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇和古尔胶;
所述弹性凝胶选自:聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯腈、聚苯乙烯磺酸钠、聚阴离子纤维素、瓜胶、黄原胶和硬葡萄聚糖。
第二方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,其包括以下重量配比的组分:
弹性暂堵颗粒 1份
桥联剂 1~10份
第三方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,所述弹性暂堵颗粒的粒径为:5~450μm。
第四方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,所述弹性暂堵颗粒的粒径为:20~400μm。
第五方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,所述桥联剂尺寸为100~1000μm或1000-8000μm。
第六方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,所述桥联剂选自:核桃壳、贝壳、石棉绒和锯末。
第七方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,所述弹性暂堵颗粒遇水后体积膨胀为原体积的6~10倍。
第八方面,本发明提供弹性堵漏剂,其特征在于,所述弹性暂堵颗粒通过以下方法制备:
将100重量份刚性固体颗粒、1000~1500重量份单体、100~200重量份引发剂、50~250重量份分散剂和250~550重量份弹性凝胶等加入到水中,升温至70~85度,反应完成后,烘干得到弹性暂堵颗粒,其中,
所述刚性固体颗粒选自:玻璃小珠、塑料小球和核桃壳粉;
所述单体为丙烯酰胺;
所述引发剂选自:过氧化月桂酰和过氧化叔戊酸叔丁基酯;
所述分散剂选自:十二烷基硫酸钠、甲基戊醇和古尔胶;
所述弹性凝胶选自:聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯腈、聚苯乙烯磺酸钠、黄原胶和硬葡萄聚糖。
根据本发明提供的弹性堵漏剂具有以下优点:
(1)本发明提供的弹性堵漏剂具有良好的弹性和一定的可变形性,在压差作用下能够发生弹性变形,以适应不同形状和尺寸的孔喉,对较宽尺寸的孔喉也能够产生良好的封堵作用,减少钻井液滤失量;
(2)本发明提供的弹性堵漏剂中含有桥联剂,其可跨越井壁裂隙的上下表面,初步阻止井壁裂隙的扩展,同时与弹性堵漏剂中的弹性暂堵颗粒协同作用,有效提高堵漏效果;
(3)本发明提供的弹性堵漏剂对地层的承压能力强,使用安全性高;
(4)本发明提供的弹性堵漏剂的化学性质稳定,其使用有效期时间长,同时,其在钻井过程中可被回收利用,从而节约用户使用成本;
(5)本发明提供的弹性堵漏剂与钻井液或钻井过程中需要使用的其它处理剂的配伍性好、不起泡;
(6)本发明提供的弹性堵漏剂采用的原料均为环境友好型材料,无毒、无污染,有利于环境保护;
(7)本发明提供的弹性堵漏剂在正向压差的作用下能够压附于井壁,钻井完成后,在极小的反向压差作用下其能够高效迅速地解堵,广泛适用于各类暂堵和堵漏措施和施工需要。
附图说明
图1-示出弹性堵漏剂封堵机理
图2-示出弹性堵漏剂解堵机理
图3-示出实施例2中室温条件下钙镁盐对弹性模量的影响
图4-示出实施例3中颗粒粒径对弹性模量的影响
图5-示出实施例4中180℃弹性堵漏剂的弹性模量与有效期
图6-示出实施例5中180℃弹性堵漏剂对渗透性岩石封堵性的影响
附图标号说明
1-岩石颗粒
2-弹性凝胶
3-刚性固体颗粒
4-弹性堵漏剂
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明,不过这些实施例仅是范例性的,不应理解为对本发明的限制。
根据本发明提供的弹性堵漏剂具有堵漏效果好,封堵及解堵迅速高效的特点,具体地,其包括以下重量配比的组分:
弹性暂堵颗粒 1份
桥联剂 0.1~10份
桥联剂随机分布的短纤维与层间树脂形成很薄的夹层,当混合型裂纹在夹层中扩展时,会有一部分短纤维跨越裂纹上下表面,形成桥联,其分为短纤状的柔性桥联剂及颗粒状的弹性桥联剂,通常,承压能力较低的地层存在50~1000μm的井壁裂隙,需要100~1000μm的柔性桥联剂进行桥联,承压能力较高的地层存在50~1000μm的井壁裂隙,需要使用1000~8000μm的弹性桥联剂进行桥联。所述桥联剂选自:聚丙烯纤维、聚酯纤维、核桃壳、贝壳、石棉绒和锯末,优选为:核桃壳、贝壳、石棉绒和锯末;基于弹性暂堵颗粒计,其重量配比为0.1~10份,优选的为1~10份。
弹性暂堵颗粒包括刚性固体颗粒及其外聚合的单体以及复合的弹性凝胶,单体在引发剂作用下高温条件下发生聚合反应,形成聚合物包覆在刚性固体颗粒上,并与弹性凝胶复合,其遇水后体积膨胀为原体积的5~12倍,其充填于岩石与刚性固体颗粒之间,用以封堵岩石与刚性固体颗粒间残留的渗透性,其中,刚性固体颗粒选自直径大于井壁裂隙孔喉直径的石英砂和硅酸盐矿物,即刚性固体颗粒与气层中孔喉不具备堵塞匹配性;弹性凝胶选自聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯腈、聚苯乙烯磺酸钠、聚阴离子纤维素、瓜胶、黄原胶和硬葡萄聚糖等,优选为:聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯腈、聚苯乙烯磺酸钠、黄原胶和硬葡萄聚糖;单体为丙烯酰胺;分散剂选自:过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化苯甲酸叔丁酯和过氧化叔戊酸叔丁基酯,优选为:过氧化月桂酰和过氧化叔戊酸叔丁基酯;分散剂选自:三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇和古尔胶,优选为:十二烷基硫酸钠、甲基戊醇和古尔胶。在正向压差的作用下,弹性暂堵颗粒压附于岩石表面上,阻止固液进入产层。
弹性暂堵颗粒在反向压差的作用下,弹性暂堵颗粒的弹性凝胶部分会从井壁裂隙中脱离下来,其能够裹胁刚性固体颗粒从井壁裂隙中脱离,其粒径选择:当弹性暂堵颗粒粒径大于450μm时,其不能嵌入井壁裂隙,导致暂堵失败,而粒径小于5μm时,其与井壁裂隙间仍存在较大缝隙从而使得弹性暂堵颗粒不能有效达到封堵的作用,优选的弹性暂堵颗粒粒径为20~400μm。
同时,桥联剂也会在反向压差的作用下被解脱下来,无需额外施加作用力即可实现解堵。
其中,弹性暂堵颗粒通过以下方法制备:
将100重量份刚性固体颗粒、600~2500重量份单体、60~280重量份引发剂、30~280重量份分散剂和200~600重量份弹性凝胶等加入到水中,升温至60~150度,反应完成后,烘干得到弹性暂堵颗粒,其中,
所述刚性固体颗粒选自:石英砂、硅酸盐矿物、玻璃小珠、塑料小球和核桃壳粉;优选自:玻璃小珠、塑料小球和核桃壳粉;
所述单体为丙烯酰胺;
所述引发剂选自:过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化苯甲酸叔丁酯和过氧化叔戊酸叔丁基酯;
所述分散剂选自:三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇和古尔胶;
所述弹性凝胶选自:聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚丙烯腈、聚苯乙烯磺酸钠、聚阴离子纤维素、瓜胶、黄原胶和硬葡萄聚糖等遇水体积可膨胀,同时又具有一定弹性模量的物质。其复合在刚性固体颗粒表面,当刚性固体颗粒嵌入井壁裂隙时,膨胀后的弹性凝胶利用其自身的弹性可密封刚性固体颗粒与井壁裂隙间的缝隙,以补充刚性固体颗粒的封堵不足。同时,在反向压差的作用下,其可以从井壁裂隙中轻松脱离,实现解堵。
本发明提供的弹性堵漏剂具有以下优点:
第一,本发明提供的弹性堵漏剂具有良好的弹性和一定的可变形性,在压差作用下能够发生弹性变形,以适应不同形状和尺寸的孔喉,对较宽尺寸的孔喉也能够产生良好的封堵作用,减少钻井液滤失量;
第二,本发明提供的弹性堵漏剂中含有桥联剂,其可跨越井壁裂隙的上下表面,初步阻止井壁裂隙的扩展,同时与弹性堵漏剂中的弹性暂堵颗粒协同作用,有效提高堵漏效果;
第三,本发明提供的弹性堵漏剂对地层的承压能力强,使用安全性高;
第四,本发明提供的弹性堵漏剂的化学性质稳定,其使用有效期时间长,同时,其在钻井过程中可被回收利用,从而节约用户使用成本;
第五,本发明提供的弹性堵漏剂与钻井液或钻井过程中需要使用的其它处理剂的配伍性好、不起泡;
第六,本发明提供的弹性堵漏剂采用的原料均为环境友好型材料,无毒、无污染,有利于环境保护;
第七,本发明提供的弹性堵漏剂在正向压差的作用下能够压附于井壁,钻井完成后,在极小的反向压差作用下其能够高效迅速地解堵,广泛适用于各类暂堵和堵漏措施和施工需要。
实施例
所用设备
(1)AR550弹性颗粒性能测定仪器:中国石油大学(华东)制造;
(2)180℃—30MPa封堵试验仪:中国石油大学(华东)制造。实施例1弹性堵漏剂的制备
将100g粒径为40~50μm的石英砂、2000g丙烯酰胺单体、260g过氧化苯甲酰、200g十二烷基硫酸钠和200g聚丙烯酰胺加入到水中,升温至60℃,反应3小时,烘干得到弹性暂堵颗粒,再向制得的弹性暂堵颗粒加入300g尺寸为100μm的聚丙烯纤维,得到弹性堵漏剂;其性能参数如表1所示:
表1
实施例2
将100g粒径为20~30μm的核桃壳粉、600g丙烯酰胺单体、60g过氧化月桂酰、30g甲基戊醇和250g聚乙烯醇加入到水中,升温至70℃,反应3小时,烘干得到弹性暂堵颗粒,再向制得的弹性暂堵颗粒加入300g尺寸为500μm的聚酯纤维,得到弹性堵漏剂;其性能参数如表2所示:
表2
项目 |
指标 |
外观 |
土黄至棕褐色颗粒 |
PH值(1%水溶液) |
6.0 |
|
1.40 |
封堵率%(20MPa条件下) |
95 |
渗透率恢复率% |
80 |
弹性暂堵颗粒遇水膨胀倍数 |
7 |
实施例3
将100g粒径为400~410μm的石英砂、1000g丙烯酰胺单体、100g过氧化叔戊酸叔丁基酯、250g十二烷基硫酸钠和550g黄原胶加入到水中,升温至85℃,反应3小时,烘干得到弹性暂堵颗粒,再向制得的弹性暂堵颗粒加入3000g尺寸为1000μm的聚酯纤维,得到弹性堵漏剂;其性能参数如表3所示:
表3
项目 |
指标 |
外观 |
土黄至棕褐色颗粒 |
PH值(1%水溶液) |
8.5 |
|
1.50 |
封堵率%(20MPa条件下) |
96 |
渗透率恢复率% |
85 |
弹性暂堵颗粒遇水膨胀倍数 |
10 |
实施例4
将100g粒径为450~460μm的石英砂、1500g丙烯酰胺单体、200g过氧化苯甲酰、280g古尔胶和600g聚苯乙烯磺酸钠加入到水中,升温至85℃,反应3小时,烘干得到弹性暂堵颗粒,再向制得的弹性暂堵颗粒加入5000g尺寸为8000μm的聚酯纤维,得到弹性堵漏剂;其性能参数如表4所示:
表4
项目 |
指标 |
外观 |
土黄至棕褐色颗粒 |
PH值(1%水溶液) |
8.0 |
|
1.50 |
封堵率%(20MPa条件下) |
95 |
渗透率恢复率% |
88 |
弹性暂堵颗粒遇水膨胀倍数 |
6 |
对比例
对比例1
弹性堵漏剂的制备过程与实施例4相同,区别仅在于不加入桥联剂聚酯纤维;其性能参数如表5所示:
表5
项目 |
指标 |
外观 |
土黄至棕褐色颗粒 |
PH值(1%水溶液) |
6.0 |
|
1.50 |
封堵率%(20MPa条件下) |
50 |
渗透率恢复率% |
90 |
弹性暂堵颗粒遇水膨胀倍数 |
6 |
由表5可得,当弹性堵漏剂中不加入桥联剂时,其封堵率明显降低,仅为50%,不能起到堵漏作用。
对比例2
弹性堵漏剂的制备过程与实施例1相同,区别仅在于加入桥联剂聚丙烯纤维的尺寸为50μm;其性能参数如表6所示:
表6
项目 |
指标 |
外观 |
土黄至棕褐色颗粒 |
PH值(1%水溶液) |
8.0 |
|
1.40 |
封堵率%(20MPa条件下) |
75 |
渗透率恢复率% |
70 |
弹性暂堵颗粒遇水膨胀倍数 |
6 |
由表6可知,当桥联剂尺寸过小时,封堵率有所降低,堵漏效果不佳。
对比例3
弹性堵漏剂的制备过程与实施例1相同,区别仅在于加入桥联剂聚丙烯纤维的尺寸为12000μm;其性能参数如表6所示:
表7
项目 |
指标 |
外观 |
土黄至棕褐色颗粒 |
PH值(1%水溶液) |
8.0 |
|
1.50 |
封堵率%(20MPa条件下) |
78 |
渗透率恢复率% |
70 |
弹性暂堵颗粒遇水膨胀倍数 |
6 |
由表7可知,当桥联剂尺寸过大时,封堵率也会有所降低,堵漏效果不佳,同时,还会引起成本的增加。
实验例
实验例1室温条件下钙镁盐对弹性模量的影响
本实验例所用的弹性堵漏剂由实施例1制备。
制备与崖城地层水体积系数相近的模拟实验用水,在室温条件下测定不同Ca2+、Mg2+浓度对弹性堵漏剂的弹性模量的影响,结果如图3所示,
由图3可明显看出,弹性堵漏剂中的弹性暂堵颗粒的弹性模量随钙镁盐浓度的提高有所增大,而该趋势有利于承压堵漏。
实验例2颗粒粒径对弹性模量的影响
本实验例所用的弹性堵漏剂由实施例1制备。
制备与崖城地层水体积系数相近的模拟实验用水,在室温条件下测定不同粒径对弹性堵漏剂的弹性模量的影响,结果如图4所示,
颗粒的弹性模量随粒径的增大有所提高,但是粒径超过1.3mm后弹性强度趋于恒定。
实验例3 180℃弹性堵漏剂的弹性模量与有效期
本实验例所用的弹性堵漏剂由实施例1制备。
制备与崖城地层水体积系数相近的模拟实验用水,在180℃条件下测定弹性堵漏剂的弹性模量及有效期,结果如图5所示,
由图5可明显看出,弹性堵漏剂的弹性模量随热滚时间的延长有所升高;时间即使超过30天,其弹性模量仍然可以保持在堵漏剂的有效强度范围内;堵漏剂在180℃条件下有效时间大于30天。
实验例4 180℃弹性堵漏剂对渗透性岩石封堵性的影响
本实验例所用的弹性堵漏剂由实施例1制备。
制备与崖城地层水体积系数相近的模拟实验用水,在180℃条件下测定弹性堵漏剂对渗透性岩石封堵性的影响,结果如图6所示,
由图6可明显看出,随时间的增加,弹性堵漏剂的用量增加,即,弹性堵漏剂的堵漏能力有所下降,但在32分钟后其用量趋于稳定,即,弹性堵漏剂的堵漏能力趋于稳定,但仍可达到封堵的目的。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。