CN105647495A - 一种用于地质岩心钻探的堵漏材料 - Google Patents

一种用于地质岩心钻探的堵漏材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种能适应地质岩心钻探特点的复合堵漏材料，该复合堵漏材料包括3-5份特种凝胶ZND聚合物、45-47份桥塞材料、47-50份填充材料。在现有的地质岩心钻探技术条件下，该复合堵漏材料克服了特种凝胶堵漏技术用于地质钻探工程中堵漏成功率低、甚至无法应用的缺点，能够提高地质岩心钻探恶性漏失堵漏的成功率。

Description

一种用于地质岩心钻探的堵漏材料
技术领域
本发明属于地质岩心钻探中的堵漏领域，具体涉及一种复合堵漏材料及其制备方法和应用。
背景技术
地层漏失是地质岩心钻探乃至石油、天然气、地热等所有钻探中经常遇到的共同难题。由于地质岩心钻探在钻孔直径、钻进方法、钻进工艺及设备条件方面的特殊性，许多在石油钻探顺利实施的堵漏技术却在地质钻探中无法使用。地质岩心钻探在钻遇裂缝性地层、大孔隙性地层等地层时，往往会发生失返性恶性漏失。处理这类恶性漏失的方法有桥塞堵漏、特种凝胶堵漏、水泥浆堵漏、化学堵漏等。其中，桥塞堵漏和特种凝胶堵漏是石油、天然气钻井中应用广泛的堵漏技术，在处理泥页岩、砂岩地层的裂缝性漏失问题成功率高。
桥塞堵漏技术，是将不同尺寸的材料(颗粒材料、纤维材料、薄片状材料)按照一定的比例配合，在压差的作用下，迫使其进入漏失通道，利用这些物质的边锋与溶洞、裂缝、孔隙的腔壁产生较大的摩擦、阻挂和滞留作用，形成网状架桥；进而利用小尺寸材料进行逐级填充、密集堆砌，在漏失通道入口或通道内一定位置处形成致密封堵层，阻止钻井液进入地层，达到堵漏和提高地层承压能力的目的。该技术在石油钻井实践中堵漏成功率较高，应用比较广泛。
在地质岩心钻探工程中，采用桥塞堵漏技术堵漏成功率低，原因在于：①地质钻探钻孔一般较浅(几百米至二千米不等，大部分一千米左右)；②地质钻探采用的冲洗液密度较低，一般不超过1.2g/cm3。这两个原因致使钻孔内压差小，难以将桥塞堵漏材料压入漏失通道，容易产生两个结果：①桥塞堵漏材料在漏失通道入口部位聚集停留，形成封堵层，表现为冲洗液暂时停止漏失，随着钻进继续，在冲洗液冲刷作用或钻柱(钻头)机械作用下，封堵层被破坏，漏失再次发生；②部分小尺寸桥塞堵漏材料进入漏失通道，但与漏失通道尺寸不匹配，无法在漏失通道内驻留堆积形成封堵层，表现为堵漏失败，冲洗液继续漏失。因此，桥塞堵漏技术直接用于地质岩心钻探工程中，堵漏成功率低，应用较少。
特种凝胶堵漏技术，使用特种凝胶ZND进行堵漏。特种凝胶AND的结构使其溶液具有特殊的性能特点，使其能够在地面管线钻具水眼及环空中容易流动，而进入漏层后粘度迅速增加，流动阻力大，具有很强的粘弹性，可以占据漏失空间。特种凝胶ZND的堵漏原理：将一定浓度的特种凝胶ZND浆液泵入井内，凝胶浆液进入漏层后自动停止流动，并充满漏失裂缝、溶洞空间，且难与油、气、水相混合，形成能隔断地层内部流体与井筒流体的“凝胶段赛”，该段塞具有足够的启动压力，大于井内正压差，从而起到堵漏的作用。(张新民，聂勋勇，王平全，等.特种凝胶在钻井堵漏中的应用[J].钻井液与完井液，24(5)：83—84.)
特种凝胶ZND，其化学本质是在大分子链上引入特种功能单体的水溶性高分子材料，在水溶液中，大分子链通过分子间相互作用自发地聚集，形成可逆的超分子结构——动态物理交联网络。特种凝胶ZND特殊聚合物是一种具有独特分子结构的高分子材料，其水溶液具有剪切稀释特性，在高剪切速率下具有低的粘度，在低剪切速率下具有高的粘度。即在地面管线、钻柱内流动时粘度低，容易流动，一旦进入地层漏失通道内，由于流速降低(剪切速率降低)，粘度增加，流动阻力相应增加。致使桥塞材料容易在地层漏失通道内驻留堆积，不易被冲走。
特种凝胶ZND堵漏技术需要使用大剂量、大泵量，并且井口需要封闭，利用泥浆泵憋压迫使特种凝胶浆液进入漏失通道，才能达到堵漏的目的。在地质岩心钻探工程中，不能采用石油钻井中特种凝胶ZND堵漏技术进行堵漏，原因在于：地质岩心钻探孔口不能封闭，无法利用泥浆泵进行孔口憋压，迫使大剂量的特种凝胶浆液进入地层漏失通道而达到堵漏的目的。若选用小剂量的特种凝胶ZND浆液(即浆液在孔口不憋压的情况下能自行进入地层漏失通道)进行堵漏，则进入地层漏失通道特种凝胶ZND浆液的凝胶强度达不到封堵漏失通道所需的强度要求。因此，特种凝胶ZND堵漏技术无法直接用于地质岩心钻探堵漏。
综上，地质岩心钻探中，桥塞堵漏技术、特种凝胶ZND堵漏技术的堵漏成功率较低，原因在于地质钻探钻孔一般较浅(几百米至两千米)，冲洗液密度一般也较低，不能产生足够的压差将桥塞堵漏材料或特种凝胶浆液压入裂缝，且孔口不能封闭，无法进行憋压作业；致使桥塞堵漏材料或特种凝胶浆液要么不能进入裂缝，要么进入裂缝后不能驻留堆积形成堵层或凝胶强度低。
因此，针对桥塞堵漏技术、特种凝胶堵漏技术用于地质岩心钻探工程中堵漏成功率低甚至无法应用的缺点，提供一种能适应地质岩心钻探特点的新型高效堵漏材料，在地质岩心钻探现有技术条件下，能够提高地质岩心钻探恶性漏失堵漏的成功率，有效封堵漏失地层的新型高效堵漏材料，对于减少地质岩心钻探恶性漏失，减少孔内复杂情况，加快地质勘探进程，具有重要意义。
发明内容
本发明提供了是一种具有剪切稀释特性的地质岩心钻探用堵漏材料。该堵漏材料由特种凝胶ZND、桥塞材料和填充材料制备而成。
本发明所述的特种凝胶ZND，也称为凝胶材料ZND，或ZND，或聚合物；可源于购买于四川光亚聚合物化工有限公司生产销售的产品“特种凝胶ZND-2”，也可参照中国专利申请CN103289013A(公开日2013-09-11)公开的成分、配比及制备方法进行制备。
本发明所述的高失水堵漏材料DTR，可购买于中国地质科学院成都探矿工艺研究所生产销售的DTR堵漏剂。
具体的，该堵漏材料以质量份数计，包括3-5份聚合物，45-47份桥塞材料，47-50份填充材料；其中所述聚合物为特种凝胶ZND，桥塞材料为碳酸钙颗粒和核桃壳，填充材料为高失水堵漏材料DTR，以及该堵漏材料用于地质岩心钻探堵漏的应用。
进一步的，所述聚合物特种凝胶ZND的剪切速度在300～500s-1范围内时，粘度为100～200mPa·s，特种凝胶ZND的剪切速度5～10s-1范围内时，粘度范围为5～10Pa·s；管内流动的剪切速度一般在300～500s-1内，漏失通道内流动的剪切速度一般在5～10s-1范围内。
进一步的，所述桥塞材料中，碳酸钙颗粒的粒径≤2mm，其中以质量份数计，粒径2～0.85mm碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7；核桃壳的粒径≤4mm，其中以质量份数计，粒径4～3mm核桃壳︰粒径3～2mm核桃壳＝7︰8，碳酸钙颗粒与核桃壳的质量比为3︰2。碳酸钙颗粒与核桃壳均具有较高的硬度，在压差作用下不容易被压碎，且颗粒棱角分明，颗粒之间摩擦力大，在尺寸与漏失通道匹配的情况下，容易在漏失通道内驻留堆积。将碳酸钙颗粒与核桃壳过筛，根据地层漏失通道尺寸选择相应的目数范围。
进一步的，填充材料高失水堵漏材料DTR，由粉状硅藻土、柔性纤维及助滤剂组成；主体材料是硅藻土，起填充桥塞颗粒之间孔隙，提高桥塞体的致密性；柔性纤维主要起拉筋加强作用，增强填充材料之间、填充材料与桥塞材料之间的相互作用，提高桥塞体的整体性；助滤剂主要作用是保持填充材料的高滤失率，在压差的作用下，迅速失水，加快填充材料在桥塞体内部及表面形成致密屏蔽层。
本发明优选的堵漏材料，以质量份数计，由3份聚合物、45份桥塞材料、47份填充材料组成；或者以质量份数计，由5份聚合物、45份桥塞材料、50份填充材料组成；或者以质量份数计，由4份聚合物、47份桥塞材料、49份填充材料组成.
上述堵漏材料用于地质岩心钻探堵漏的应用。本发明的堵漏材料的制备工艺简便，易于推广使用。
制备工艺过程如下：
(1)取质量份数45-47份的桥塞材料和质量份数47-50份的填充材料，在常温下混合均匀；
(2)取质量份数3-5份的聚合物特种凝胶ZND加入其中，常温混合均匀，得到具有剪切稀释特性的地质钻探用堵漏材料。
特种凝胶ZND胶液包裹携带桥塞材料一同进入地层漏失通道，增强桥塞材料在地层漏失通道内的流动阻力，保证桥塞材料能够在地层漏失通道内部一定位置驻留架桥，在填充材料协同作用下，形成致密的封堵层，有效封堵地层的漏失通道，达到堵漏的目的。
本发明在地质钻探中堵漏的作用机理为：
在低压差作用下，堵漏材料进入地层漏失通道，因浆液具有剪切稀释特性，在通道内流速降低，粘度增加，致使能进入到漏失通道内的桥塞材料流动阻力增加，易于在适当位置驻留堆积，形成桥塞体，变大孔为小孔，变裂缝为孔隙。根据漏失通道大小不同，多个桥塞体自动浓集，相互串联，隔断漏失通道。填充材料在桥塞体内部或表面迅速失水形成致密屏蔽层，从而阻隔地层漏失通道，达到堵漏的目的。
本发明的有益效果：
(1)在地质钻岩心探现有技术条件下，对恶性漏失堵漏的成功率高。本发明所述的具有剪切稀释特性的复合堵漏材料，在低压差条件下，能够进入地层漏失通道并在适当位置稳定驻留，形成致密封堵层，有效解决地质钻探中遇到的恶性漏失问题。避免了单纯使用桥塞堵漏材料堵漏时材料无法进入漏失通道或进入漏失通道但不能稳定驻留的问题；也避免了单纯使用特种凝胶ZND堵漏时因井口无法憋压致使大剂量的特种凝胶ZND胶液不能进入漏失通道或小剂量的特种凝胶胶液进入漏失通道后凝胶强度低而不能有效封堵漏失通道的问题。
(2)作为关键材料的特种凝胶ZND，水溶性好，其水溶液具有良好的剪切稀释特性，在高剪切速率下粘度低，低剪切速率下粘度高。在地面管线及钻柱内容易流动，进入漏失通道后，因剪切速率降低，粘度增加，难以流动。
仅使用桥塞材料进行地质堵漏时，因基浆密度低及有效桥塞颗粒材料尺寸大，难以将桥塞材料压入地层漏失通道。本发明堵漏材料，加入极少量的特种凝胶ZND，便可采用更小尺寸的桥塞颗粒材料进行堵漏，因特种凝胶ZND胶液独特的流变性，进入漏失通道后粘度迅速增大，致使进入漏失通道的桥塞颗粒材料流动阻力增加，易于在适宜位置驻留堆积，与填充材料协同作用阻隔地层漏失通道，达到堵漏的目的。
本发明聚合物材料与桥塞材料、填充材料之间的配比关系，对于实现本发明的地质堵漏效果具有重要影响，改变聚合物材料的配比，将影响本发明的地质堵漏效果。由于特种凝胶ZND在进入地层漏失通道后，流速降低(剪切速率降低)，粘度增加，流动阻力相应增加，致使桥塞材料容易驻留堆积。如果含有过多的特种凝胶ZND，则容易使桥塞材料、填充材料在裂缝入口及表面堆积，难以进入裂缝的相对较深位置(比如，裂缝喉部)，因而不能取得稳定、有效、坚固的封堵效果。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下，还可以做出其他多种形式的修改、替换或者变更。
以下图所实施例形式的具体实施方法，对本发明的上述内容在做进一步的详细说明，但不应理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明：
图1堵漏时间对堵漏效果的影响
图2裂缝宽度对堵漏效果的影响
以下为具体实施方式
实施例一、复合堵漏材料的制备
1、按照用10升清水配制堵漏浆液计算，以质量份数计，取80g聚合物，1200g桥塞材料，1253g填充材料；
聚合物为：特种凝胶ZND；桥塞材料为：碳酸钙颗粒(以质量比计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7)和核桃壳(以质量比计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm的核桃壳＝7︰8)按质量份数比3︰2复配；填充材料为：高失水堵漏材料DTR
2、常温下，先将桥塞材料与填充材料混合，再投入聚合物，混合均匀，得复合堵漏材料。
3、在搅拌条件下，将混合均匀的堵漏材料缓慢加入清水中，再经充分搅拌10分钟，配制成堵漏浆液。
实施例二、复合堵漏材料的制备
1、按照用10升清水配制堵漏浆液计算，以质量份数计取120g聚合物，1080g桥塞材料，1200g填充材料；
聚合物为：特种凝胶ZND；桥塞材料为：碳酸钙颗粒(以质量比计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7)和核桃壳(以质量比计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm的核桃壳＝7︰8)按质量份数比3︰2复配；填充材料为：高失水堵漏材料DTR2、常温下，先将桥塞材料与填充材料混合，再投入特种凝胶ZND，混合均匀，得复合堵漏材料。
3、在搅拌条件下，将混合均匀的堵漏材料缓慢加入清水中，再经充分搅拌10分钟，配制成堵漏浆液。
实施例三、复合堵漏材料的制备
1、按照用10升清水配制堵漏浆液计算，以质量份数计取100g聚合物，1175g桥塞材料，1225g填充材料；
聚合物为：特种凝胶ZND；桥塞材料为：碳酸钙颗粒(以质量比计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7)和核桃壳(以质量比计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm的核桃壳＝7︰8)按质量份数比3︰2复配；填充材料为：高失水堵漏材料DTR2、常温下，先将桥塞材料与填充材料混合，再投入聚合物，混合均匀，得复合堵漏材料。
3、在搅拌条件下，将混合均匀的堵漏材料缓慢加入清水中，再经充分搅拌10分钟，配制成堵漏浆液。
实施例四、复合堵漏材料的制备
1、按照用10升基浆配制堵漏浆液计算，以质量份数计取1200g桥塞材料，1253g填充材料；
聚合物为：特种凝胶ZND；桥塞材料为：碳酸钙颗粒(以质量比计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7)和核桃壳(以质量比计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm的核桃壳＝7︰8)按质量份数比3︰2复配；填充材料为：高失水堵漏材料DTR2、常温下，将桥塞材料与填充材料混合均匀，得复合堵漏材料。
3、在搅拌条件下，将混合均匀的堵漏材料缓慢加入清水中，再经充分搅拌10分钟，配制成堵漏浆液。
实施例五复合堵漏材料的制备
1、按照用10升清水配制堵漏浆液计算，以质量份数计取260g聚合物，1200g桥塞材料，1253g填充材料；
聚合物为：特种凝胶ZND；桥塞材料为：碳酸钙颗粒(以质量比计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7)和核桃壳(以质量比计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm的核桃壳＝7︰8)按质量份数比3︰2复配；填充材料为：高失水堵漏材料DTR
2、常温下，先将桥塞材料与填充材料混合，再投入聚合物，混合均匀，得复合堵漏材料。
3、在搅拌条件下，将混合均匀的堵漏材料缓慢加入清水中，再经充分搅拌10分钟，配制成堵漏浆液。
实施例六复合堵漏材料的制备
1、按照用10升清水配制堵漏浆液计算，以质量份数计取25g聚合物，1200g桥塞材料，1253g填充材料；
聚合物为：特种凝胶ZND；桥塞材料为：碳酸钙颗粒(以质量比计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7)和核桃壳(以质量比计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm的核桃壳＝7︰8)按质量份数比3︰2复配；填充材料为：高失水堵漏材料DTR2、常温下，先将桥塞材料与填充材料混合，再投入聚合物，混合均匀，得复合堵漏材料。
3、在搅拌条件下，将混合均匀的堵漏材料缓慢加入清水中，再经充分搅拌10分钟，配制成堵漏浆液。
以下为实验例
实验例一：使用模拟堵漏试验装置测试复合堵漏材料的堵漏效果
采用模拟堵漏试验装置(如中国专利申请CN101672172(公开日2010-03-17)公开的模拟试验装置及试验方法进行模拟实验)，分别使用本发明实施例一、实施例二、实施例三、实施例四制备的复合堵漏材料，进行对比试验，测试两种材料的堵漏效果。选择影响堵漏性能的主要因素(时间、裂缝宽度)，改变其中一个量，其他条件不变，进行堵漏效果评价，通过漏失量的变化来反映其对堵漏效果的影响。
将实施例一、实施例二、实施例三制备的复合堵漏材料、实施例四制备的复合堵漏材料(即未加入聚合物)，加入膨润土基浆中，膨润土基浆组成：10L水+400g膨润土+50gHV-CMC(HV-CMC指高粘度羧甲基纤维素钠溶液)。将膨润土基浆注入模拟漏失通道。
实验结果：
实验结果显示，实施例一、实施例二、实施例三制备的复合堵漏材料，漏失量减小，堵漏材料驻留位置基本在裂缝喉部和腰部，表明对漏失通道封堵成功。实验压力均为1.5MPa。
实验结果显示，实施例四制备的复合堵漏材料漏失量大，堵漏材料基本都位于裂缝尾部，即进入裂缝的堵漏材料不能在漏失通道内稳定驻留，在流体压力作用下移动至裂缝尾部，裂缝尾部宽度小，在尾部驻留，表明封堵漏失通道失败。
1、实施例一、二、三和实施例四制备的复合堵漏材料堵漏效果对比实验，结果见表1：
表1实施例一、二、三和实施例四制备的复合堵漏材料的堵漏效果对比
实验例二、实施例一制备的复合堵漏材料不同时间堵漏效果
采用模拟堵漏试验装置，测试本发明实施例一制备的符合堵漏材料，在缝宽为1mm，压力为1.5MPa的条件下，测定时间对漏失量的影响。
将实施例一制备的复合堵漏材料，加入10L清水中，充分搅拌10分钟。将堵漏浆液注入模拟装置容器内。
结果见说明书附图图1。实验表明，随之时间的延长，漏失量在前10分钟内增幅较大，10分钟后基本不再增加，证明堵漏材料在漏失通道内形成了稳定的封堵层，也证明堵漏材料在10分钟内可快速形成有效封堵。本发明提供的堵漏材料适用于地质钻探低压差条件下堵漏，在10分钟内便可对漏失通道进行快速有效封堵。
实验例三、实施例一制备的复合堵漏材料对不同裂缝宽度的堵漏效果
采用模拟堵漏试验装置，测试本发明实施例一制备的符合堵漏材料，在压力为1.5MPa的条件下，测定不同裂缝宽度对漏失量的影响。
将实施例一制备的复合堵漏材料，加入10L清水中，充分搅拌10分钟。将堵漏浆液注入模拟装置容器内。
在1.5MPa条件下，测定裂缝宽度对漏失量的影响，结果见说明书附图图2。实验结果表明，裂缝宽度越宽，漏失量越大，当裂缝宽度超过4mm时，漏失量急剧增大，表明封堵材料对漏失通道的封堵能力下降，但漏失量均小于300ml，封堵效果较好。
实验例四、实施例一、实施例五、实施例六制备的复合堵漏材料堵漏效果对比实验
采用模拟堵漏试验装置，测试本发明实施例一、五、六制备的复合堵漏材料，在缝宽为1mm，压力为1.5MPa的条件下，测定漏失量、封堵位置。
虽然实施例五的漏失量较本发明实施例一、二、三的漏失量低，但是实施例五制备的堵漏剂的实际封堵位置在裂缝口部，封堵层持久性差，不稳定，容易脱落和破坏；另一方面，随着后续钻进的继续进行，处于裂缝口部的堵层会在冲洗液的冲刷作用及钻柱的机械扰动作用下被破坏，再次发生漏失冲洗液漏失，即实施例五所显示的堵漏成功属于一种假象，实施例五所形成的封堵层持久性差，不稳定。

Claims (7)

1.一种堵漏材料，其特征在于，以质量份数计，包括3-5份聚合物，45-47份桥塞材料，47-50份填充材料；其中所述聚合物为特种凝胶ZND，桥塞材料为碳酸钙颗粒和核桃壳，填充材料为高失水堵漏材料DTR。
2.根据权利要求1所述的堵漏材料，其特征在于所述特种凝胶ZND的剪切速度在300～500s-1范围内时，粘度为100～200mPa·s，特种凝胶ZND的剪切速度5～10s-1范围内时，粘度范围为5～10Pa·s。
3.根据权利要求1所述的堵漏材料，其特征在于所述桥塞材料中，碳酸钙颗粒的粒径≤2mm，其中以质量份数计，粒径2～0.85mm的碳酸钙颗粒︰粒径＜0.85mm的碳酸钙颗粒＝9︰7；所述桥塞材料中，核桃壳的粒径≤4mm，其中以质量份数计，粒径4～3mm的核桃壳︰粒径3～2mm核桃壳＝7︰8；在所述桥塞材料中，碳酸钙颗粒与核桃壳的质量比为3︰2。
4.根据权利要求1所述的堵漏材料，其特征在于所述填充材料为高失水堵漏材料DTR，由粉状硅藻土、柔性纤维及助滤剂组成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的堵漏材料，其特征在于，以质量份数计，由3份特种凝胶ZND、45份桥塞材料、47份填充材料组成；或者以质量份数计，由5份特种凝胶ZND、45份桥塞材料、50份填充材料组成；或者以质量份数计，由4份特种凝胶ZND、47份桥塞材料、49份填充材料组成。
6.权利要求1所述的堵漏材料用于地质岩心钻探堵漏的应用。
7.权利要求5所述的堵漏材料用于地质岩心钻探堵漏的应用。
CN201610061554.1A 2016-01-28 2016-01-28 一种用于地质岩心钻探的堵漏材料 Pending CN105647495A (zh)

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