CN106543983B - 阻止井喷的辅助剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阻止井喷的辅助剂及其应用，阻止井喷的辅助剂包括如下重量份的成分：土浆3～6份，纤维素改性聚合物1.2～1.8份，植物凝胶0.5～0.8份，膨胀聚合物2～3份，水88.4～93.3份。本发明在起钻前向钻杆注入该辅助剂，从而在开发天然气井时能够有效减缓天然气上升速度，阻止天然气井喷，避免了井喷所带来的安全事故。

Description

阻止井喷的辅助剂及其应用

技术领域

本发明涉及天然气钻井技术，尤其涉及一种阻止井喷的辅助剂及其应用。

背景技术

在天然气钻井结束后起钻时，钻杆需要脱离井内，储层气体会快速上窜并且喷出地面造成井喷，井喷往往伴随着有毒气体，会伤及人身安全，如果当喷出的天然气遇到火星，会发生燃烧爆炸，造成恶性的安全事故。

现有的防止井喷的方法是在钻井过程中，通过在钻井液中添加密度大的重晶石以增加压力，从而防止井喷的发生。但是该方法需要与地层压力相配合，由于控制地层压力的可变因素过多，当勘测到的地层压力低于实际地层压力时，注入的添加重晶石的钻井液的密度较低，依旧会发生井喷现象，当勘测到的地层压力高于实际地层压力时，注入的添加重晶石的钻井液的密度较高，钻井液会流入地层孔隙中造成井漏现象。即使勘测到的地层压力无误，但是当遇到对压力敏感的天然气地层使，同样会引起井漏以及井喷的安全风险。

发明内容

本发明提供一种阻止井喷的辅助剂及其应用，用于解决现有技术中在开采天然气时，天然气会窜出地面，发生井喷的缺陷。

本发明提供一种阻止井喷的辅助剂，包括如下重量份的成分：土浆3～6份，纤维素改性聚合物1.2～1.8份，植物凝胶0.5～0.8份，膨胀聚合物2～3份，水88.4～93.3份。

本发明提供的阻止井喷的辅助剂，组成简单，生产成本低，对原料要求不高，由于其在低剪切速率下具有高粘度，因而能够有效降低天然气上窜速度，防止井喷的发生。

本发明的辅助剂包括土浆、纤维素改性聚合物、植物凝胶、膨胀聚合物以及水，其中，土浆以及膨胀聚合物在遇水后都会体积变大，因此该辅助剂呈现大体积的凝胶状态。本发明的土浆主要用来为其他成分提供附着的基体，因此对其种类无过多限制，一般可选用搬土、高岭土、红粘土以及膨胀土中的一种或多种。本发明的纤维素改性聚合物是通过纤维素改性而获得，纤维素是世界上最丰富的天然有机物，然而由于其自身的聚集态结构特点以及分子间、分子内存在很多氢键和较高的结晶度，因此难溶于水，而本发明采用了改性后的纤维素改性聚合物，利用其易溶于水、粘合、增稠的特点，为本发明的辅助剂提高粘度。本发明的植物凝胶能够分散于水中形成粘度很高的水溶液凝胶，并且当在地层中使用时，能够与地层中的过渡金属离子形成具有三维网状结构的高粘度的胶冻，进一步增强了本发明辅助剂的粘度。本发明中的膨胀聚合物为具有高的粘度和弹性的高分子聚合物，且有一定的水溶性，在地层中会进入地层的缝隙，吸水膨胀，进一步阻止天然气进入井筒，具体可为MPC纤维膨胀剂或者疏水缔合聚合物等。发明人经过大量的研究，由上述组分按照上述比例组成的组合物，其粘度随剪切率的增加而明显降低，也就是说，本发明在静止状态下具有高粘度，其粘度可达23000mPa·s，因此能够降低天然气的上窜速度，从而避免在开采天然气过程中由于起下钻作业所带来的天然气快速上窜造成的井涌、井喷的现象。本发明阻止井喷的辅助剂的上述各组分均为普通市售。

进一步地，所述纤维素改性聚合物为羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、甲基纤维素中的一种或多种。其中，优选为羟乙基纤维素。

进一步地，所述植物凝胶为琼脂、卡拉胶、结冷胶、田箐胶中的一种或多种。当植物凝胶为上述凝胶的混合物时，本发明对各组分之间的比例不做限制。

进一步地，为了有效提高其余成分与土浆的接触面积，可选用粒度较小的土浆，尤其可以优选土浆的粒度为200～250目，但是如果粒径过小，土浆在水中易发生絮聚现象而不易于分散，增加了操作难度，而且土浆的粒度越细，加工要求和成本会更高。

进一步地，所述的阻止井喷的辅助剂还包括氯化钠1～8份。对于某些不稳定地层，为了防止在钻井作业中出现垮塌现象，可以在本发明的辅助剂中加入氯化钠使辅助剂的盐度与地层盐度相近，当辅助剂与地层的盐度相当后，地层就不会因为渗透吸水而发生垮塌。具体的，在对所开采地层盐度进行测量后，在上述辅助剂中根据开采地层的盐度加入适量的氯化钠。

进一步地，所述的阻止井喷的辅助剂还包括石灰石10～50份。同样的，为了进一步防止井喷，凝胶的密度不能明显低于地层密度，否则质量过轻容易被天然气顶起。因此，当地层密度较高时，可以根据地层密度在本发明的辅助剂中添加石灰石，以加重辅助剂，进一步避免井喷事故的发生。

进一步地，本发明一具体实施方式的阻止井喷的辅助剂中，包括如下重量份的成分：土浆4份，纤维素改性聚合物1.5份，植物凝胶0.5份，膨胀聚合物2份，水92份。

具体的，在制备本发明阻止井喷的辅助剂时，先将88.4～93.3份水加入3～6份土浆中，搅拌，控制转速为1000～2000转/分钟，形成土浆溶液，在搅拌过程中，需要保证土浆与水的充分混合。当混合完全后，将形成的土浆溶液在25～30℃静停16～24h进行养护。如果对土浆溶液不进行养护，其中的水分会蒸发过快，形成脱水现象会使已经浸润在水中的土浆不能充分水化，不能转化为稳定的土浆溶液，缺乏足够的粘结力，从而土浆无法提供具有足够强度的基体以供其他组分附着，从而本发明的辅助剂作为凝胶也无法具有较高强度。

接着，将1.2～1.8份纤维素改性聚合物、0.5～0.8份植物凝胶、2～3份膨胀聚合物依次加入养护后的土浆溶液中，搅拌20～30分钟，生成阻止井喷的辅助剂。本发明的阻止井喷的辅助剂为无色透明胶体，并且制备过程均在常温常压下进行，不需借助复杂设备，简单易行，可操作性强。

本发明的阻止井喷的辅助剂，组成简单，生产成本低，具有一定的强度，因此分子结构稳定不易被损坏，最重要的是在本发明的辅助剂低剪切速率下粘度均大于18000mPa·s，使天然气突破其所形成的防护层需要克服较大阻力，因此能够减缓天然气的涌出速率，有效阻止天然气井喷现象的发生。经测定，其漏斗粘度大于120s，仍然具有一定流动性，当起钻结束后，本发明的辅助剂也容易从井中返排，不会为天然气的开采造成阻碍。

本发明还提供一种上述任一所述的阻止井喷的辅助剂在开发天然气井中的应用。

本发明还提供一种阻止井喷的方法，起钻前，先将上述任一所述的阻止井喷的辅助剂注入钻杆，再将常规钻井液注入钻杆，开始起钻。

具体的，在钻井前，先通过泥浆泵将常规钻井液注入钻杆中，再启动钻具开始钻井作业，在钻井过程中，由于钻井液流动与地层产生的摩擦阻力方向向下，以及钻井液自身的重力向下，即使当到达天然气层时，天然气也由于上述的方向向下的力而难以喷出，但是当钻井作业结束后准备将钻头从井内拔出来时(即，起钻前)，由于此时钻头已经静止，没有钻井液流动的摩擦阻力，且当拔出钻头的瞬间产生抽吸，天然气在没有任何阻力的情况下会带动井内的钻井液一起喷出，就会发生天然气的喷涌，造成井喷。因此，在起钻前，先将本发明的阻止井喷的辅助剂注入钻杆中，再注入钻井液，此时本发明的辅助剂会由于钻井液的挤压而被顶进井底环空位置，即处于钻杆与地层之间的空隙，在钻井液注入完毕后，便可以开始起钻。由于本发明辅助剂具有粘弹性，天然气突破其本发明的辅助剂需要克服一定阻力，从而降低天然气的上窜速度，能够有效阻止井喷。下钻到底后，正常循环钻井液，钻井液顶替辅助剂到地面，排出的辅助剂经过补充适量的聚合物处理，可以循环使用。

钻完气层井深后，可以下入气层套管，从钻杆循环顶替灌注水泥浆固井。气层套管的作用是封隔不同压的气、水层，保证采气安全。由于此时本发明的辅助剂在注水泥时已顶出井底，为了便于天然气的开采，在水泥加固后，可以向井内下入射孔枪向气层部位射孔，穿透套管以及水泥层，使用较轻的清水或液体替空油管，由于地层压力高于油管内液柱压力，天然气得以开采。

具体地，可以通过下述公式1计算所需阻止井喷的辅助剂的体积：

公式1

V_辅助剂—需要使用的辅助剂的体积；

D_井眼—井眼直径；

D_钻具—钻具外径；

t_安全作业—安全作业时间；

ν_钻井液—气体在钻井液中的上窜速度；

H—井深；

ν_辅助剂—气体在辅助剂中的上窜速度；

具体的，ν_钻井液以及ν_辅助剂采用气体上窜速度测试仪进行测试，监测出天然气在这两种介质中的移动时间，再用移动距离除以移动时间，便得到ν_钻井液以及ν_辅助剂。安全作业时间是从起钻开始到向井内下套管加固天然气井的时间，一般为一经验估算值，每6000m的井深其安全作业时间为16～18小时。

具体地，可以通过下述公式2计算钻井液的注入体积。

公式2

V_钻井液—将辅助剂顶替到环空所需钻井液的体积；

D_钻具水眼—钻具内径；

H—井深。

进一步地，所述起钻速度为15～20m/min。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明的阻止井喷的辅助剂成分简单，在低剪切速率下粘度高达23000mPa·s，能有效减缓天然气上窜速度，防止井喷现象的发生；并且其漏斗粘度大于120s，仍然具有一定的流动性，因此在使用完毕后容易从井底排出，不妨碍天然气的开采工作。

2、本发明的阻止井喷的辅助剂在用于开发天然气井时，能够有效组织天然气经井喷，注入与排出过程操作简单，无需大型设备协助。

附图说明

图1为本发明实施例1的阻止井喷的辅助剂的粘度测试图；

图2为本发明实施例2的阻止井喷的辅助剂的粘度测试图；

图3为本发明实施例3的阻止井喷的辅助剂的粘度测试图；

图4为本发明实施例4的阻止井喷的辅助剂的粘度测试图；

图5为本发明实施例5的阻止井喷的辅助剂的粘度测试图；

图6为对照例1的阻止井喷的辅助剂的粘度测试图；

图7为常规钻井液的粘度测试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的阻止井喷的辅助剂，由如下重量份的成分组成：土浆(200目)4份，羟乙基纤维素1.5份，卡拉胶0.5份，膨胀聚合物2份，水92份。

该辅助剂的制备方法为：

按照上述重量份配料后，将水加入土浆中，搅拌，并控制搅拌转速为1500转/分钟，搅拌时间为20分钟，形成土浆溶液。将该土浆溶液在25℃静停养护20小时后，再将羟基乙基纤维素、卡拉胶、膨胀聚合物依次加入养护好的土浆溶液中，搅拌25分钟，生成阻止井喷的辅助剂。

实施例2

本实施例的阻止井喷的辅助剂，由如下重量份的成分组成：土浆(220目)6份，甲基纤维素1.5份，琼脂0.75份，膨胀聚合物2.8份，水88.95份。

该辅助剂的制备方法为：

按照上述重量份配料后，将水加入土浆中，搅拌，并控制搅拌转速为1000转/分钟，搅拌时间为25分钟，形成土浆溶液。将该土浆溶液在25℃静停养护22小时后，再将甲基纤维素、琼脂、膨胀聚合物依次加入养护好的土浆溶液中，搅拌30分钟，生成阻止井喷的辅助剂。

实施例3

本实施例的阻止井喷的辅助剂，由如下重量份的成分组成：土浆(240目)4份，羧甲基纤维素钠与甲基纤维素的混合物1.3份，结冷胶与田箐胶的混合物0.8份，膨胀聚合物2.7份，水91.2份。

该辅助剂的制备方法为：

按照上述重量份配料后，将水加入土浆中，搅拌，并控制搅拌转速为2000转/分钟，搅拌时间为25分钟，形成土浆溶液。将该土浆溶液在28℃静停养护24小时后，再将羧甲基纤维素钠与甲基纤维素的混合物、结冷胶与田箐胶的混合物、膨胀聚合物依次加入养护好的土浆溶液中，搅拌30分钟，生成阻止井喷的辅助剂。

实施例4

本实施例的阻止井喷的辅助剂，由如下重量份的成分组成：土浆(250目)4份，羟丙基甲基纤维素1.5份，结冷胶0.5份，膨胀聚合物2份，氯化钠4份、水92份。

该辅助剂的制备方法为：

按照上述重量份配料后，将水加入土浆中，搅拌，并控制搅拌转速为1800转/分钟，搅拌时间为22分钟，形成土浆溶液。将该土浆溶液在25℃静停养护20小时后，再将羧羟丙基甲基纤维素、结冷胶、膨胀聚合物、氯化钠依次加入养护好的土浆溶液中，搅拌30分钟，生成阻止井喷的辅助剂。

实施例5

本实施例的阻止井喷的辅助剂，由如下重量份的成分组成：土浆(200目)5份，羧甲基纤维素钠1.2份，田箐胶0.6份，膨胀聚合物2.5份，石灰石1份，水89.7份。

该辅助剂的制备方法为：

按照上述重量份配料后，将水加入土浆中，搅拌，并控制搅拌转速为1700转/分钟，搅拌时间为28分钟，形成土浆溶液。将该土浆溶液在25℃静停养护23小时后，再将羧甲基纤维素钠、田箐胶、膨胀聚合物、石灰石依次加入养护好的土浆溶液中，搅拌30分钟，生成阻止井喷的辅助剂。

对照例1

本对照例的阻止井喷的辅助剂，由如下重量份的成分组成：土浆(200目)4份，羧甲基纤维素钠1.0份，水95份。

常规钻井液包括如下成分：般土4份，高分子改性聚丙烯酰胺类聚合物包被剂0.2份，水解聚丙烯晴类降失水剂1份，改性沥青防塌剂3份，石灰石3份。

试验例1

利用气体上升速度测试仪测试天然气在本发明实施例1-5的辅助剂以及对照例1、常规钻井液中的上升速度。

分别在测试仪的桶中装入实施例1-5的辅助剂以及对照例1、常规钻井液，对天然气在实施例1-5的辅助剂中的上升速度以及在对照例1、常规钻井液中的上升速度进行测试，其中，测试仪的桶高(即天然气移动的距离)为40～60cm，天然气在实施例1-5以及对照例1、常规钻井液中从桶底上升至桶顶的时间以及上升速度见下表1。

表1天然气在实施例1-5、对照例1和常规钻井液中的上升速度及时间

	上升时间(s)	上升速度(m/s)
			实施例1	8.4	0.0550
实施例2	7.9	0.0519
			实施例3	8.2	0.0549
实施例4	7.6	0.0510
			实施例5	7.7	0.0513
对照例1	4.5	0.1070
			常规钻井液	2.9	0.1570

由表1结果可知：

1、相对于在常规钻井液中的上升速度，天然气在本实施例1-5的辅助剂的上升速度均有明显降低，上升时间明显增长。

2、相对于在常规钻井液中的上升速度，对照例1能够减缓天然气的上升速度，但是其速度的变化量明显低于本实施例的辅助剂。

试验例2

采用VT550粘度测试仪，在25℃对上述实施例1-5的辅助剂以及对照例1、常规钻井液进行粘度测试，具体结果见图1-7。

其中，图1-5为本实施例1-5辅助剂的粘度测试图，可以明显的发现，本发明的阻止井喷的辅助剂在低剪切速率下其粘度高达18500mPa·s以上，其中，实施例1的粘度高达23000mPa·s，因此，由于起钻时辅助剂静止在井底，其高粘度能够有效的阻止天然气快速上窜，避免井喷事故的发生。

图6为对照例1的辅助剂的粘度测试图。其在低剪切速率下的粘度为8300mPa·s，相对于常规钻井液，其粘度虽有增加，但是其粘度与本发明的辅助剂仍有较大差距。

图7为上述常规钻井液的粘度测试图。由于现有技术中，在钻井过程中只利用常规钻井液，由图7可知，常规钻井液的粘度过低，在起钻时，无法有效阻止天然气上窜，因此，利用常规钻井液大多会发生井喷事故。

试验例3

以开采天然气井1-7为例，其中开采所使用的钻具直径为114.3mm，井1-6的井口直径为216-220mm，井深为6500m，天然气在实施例1-5的辅助剂的上升速度参考表1。

七口井在初始的钻井过程相同，具体步骤为：将上述常规钻井液注入钻杆中，启动钻具进行钻井作业，在钻具钻井过程中，泥浆泵带动钻井液循环，直至钻头到达预定井深处，停止钻具作业，关闭泥浆泵，准备起钻。

起钻前，采用实施例1-5的辅助剂以及对照例1的辅助剂分别对井1-6进行辅助剂注入，具体注入方法如下：

井1：将实施例1中的辅助剂应用于井1中，利用公式1、2计算出井1所需的实施例1的辅助剂的体积以及常规钻井液的体积。起钻前，将实施例1的辅助剂注入钻杆中，再用泥浆泵抽吸常规钻井液进入钻杆，此时常规钻井液完全将辅助剂顶入环空处，以15m/min的速率起钻，直至钻具离开井内，并未出现井喷现象。

井2：将实施例2中的辅助剂应用于井2中，利用公式1、2计算出井2所需的实施例2的辅助剂的体积以及常规钻井液的体积。起钻前，将实施例2的辅助剂注入钻杆中，再用泥浆泵抽吸常规钻井液进入钻杆，此时常规钻井液完全将辅助剂顶入环空处，以20m/min的速率起钻，直至钻具离开井内，并未出现井喷现象。

井3：将实施例3中的辅助剂应用于井3中，利用公式1、2计算出井3所需的实施例3的辅助剂的体积以及常规钻井液的体积。起钻前，将实施例3的辅助剂注入钻杆中，再用泥浆泵抽吸常规钻井液进入钻杆，此时常规钻井液完全将辅助剂顶入环空处，以18m/min的速率起钻，直至钻具离开井内，并未出现井喷现象。

井4：将实施例4中的辅助剂应用于井4中，利用公式1、2计算出井4所需的实施例4的辅助剂的体积以及常规钻井液的体积。起钻前，将实施例4的辅助剂注入钻杆中，再用泥浆泵抽吸常规钻井液进入钻杆，此时常规钻井液完全将辅助剂顶入环空处，以20m/min的速率起钻，直至钻具离开井内，并未出现井喷现象。

井5：将实施例5中的辅助剂应用于井5中，利用公式1、2计算出井5所需的实施例5的辅助剂的体积以及常规钻井液的体积。起钻前，将实施例5的辅助剂注入钻杆中，再用泥浆泵抽吸常规钻井液进入钻杆，此时常规钻井液完全将辅助剂顶入环空处，以15m/min的速率起钻，直至钻具离开井内，并未出现井喷现象。

井6：将对照例1中的辅助剂应用于井6中，利用公式1、2计算出井6所需的对照例1的辅助剂的体积以及常规钻井液的体积。起钻前，将对照例1的辅助剂注入钻杆中，再用泥浆泵抽吸常规钻井液进入钻杆，此时常规钻井液完全将辅助剂顶入环空处，以15m/min的速率起钻，出现井喷现象。

井7未采用任何辅助剂，关闭泥浆泵后，以15m/min的速率直接起钻，出现井喷现象。

由该试验例的结果可知：

1、对照例1的辅助剂虽然低剪切下的粘度为8300mPa·s，但依旧发生天然气井喷现象，因此只有低剪切粘度到达一定数值后才能有效阻止井喷的发生。

2、使用本发明的阻止井喷的辅助剂能够有效的阻止井喷，杜绝由于井喷所带来的安全事故。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种阻止井喷的方法，其特征在于，起钻前，先将阻止井喷的辅助剂注入钻杆，再将钻井液注入钻杆，开始起钻，所述起钻速度为15～20m/min；所述阻止井喷的辅助剂包括如下重量份的成分：土浆3～6份，纤维素改性聚合物1.2～1.8份，植物凝胶0.5～0.8份，膨胀聚合物2～3份，水88.4～93.3份；

所述土浆的粒度为200～250目；

所述植物凝胶选自琼脂、卡拉胶、结冷胶和田箐胶中的一种或多种；

所述纤维素改性聚合物选自羟乙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠和甲基纤维素中的一种或多种；

所述膨胀聚合物选自MPC纤维膨胀剂或者疏水缔合聚合物；

所述阻止井喷的辅助剂的体积按照公式1计算，

其中，V_辅助剂：阻止井喷的辅助剂的体积；D_井眼：井眼直径；D_钻具：钻具外径；t_安全作业：安全作业时间；ν_钻井液：气体在钻井液中的上窜速度；H：井深；ν_辅助剂：气体在阻止井喷的辅助剂中的上窜速度；

所述钻井液的体积按照公式2计算，

V_钻井液：钻井液的体积；D_钻具水眼：钻具内径；H：井深。

2.根据权利要求1所述的阻止井喷的方法，其特征在于，还包括氯化钠1～8份。

3.根据权利要求1或2所述的阻止井喷的方法，其特征在于，还包括石灰石10～50份。

4.根据权利要求1所述的阻止井喷的方法，其特征在于，包括如下重量份的成分：土浆4份，纤维素改性聚合物1.5份，植物凝胶0.5份，膨胀聚合物2份，水92份。

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