CN108546549A - 一种新型套管修复加固剂、制备方法及施工方法 - Google Patents

一种新型套管修复加固剂、制备方法及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型套管修复加固剂、制备方法及施工方法，该配方由环氧树脂、固化剂、合金粉末、改性碳纤维、偶联剂、分散剂、有机溶剂组成。本发明提供的配方可用于油气田套损井套管的修复和加固，以及固井过程中使用了分级箍，套管耐压等级无法满足施工压力较高的压裂施工耐压要求的油气井套管修复和加固。采用该配方和制备方法制备的套管修复加固剂可在常温和地层温度下、在一定时间内固化；固化前黏度低、流动性好、容易泵注；固化后与套管强度和材质接近，能很好地与金属套管融为一体；固化后对套管损坏部位修复后密封效果好，有效期长；抗拉、抗压强度高；与金属套管胶结强度高；耐酸碱、耐腐蚀；可保证已修复的套管受损部分与原套管内径一致，不缩径、不变径，后期起下工具和管柱不受影响。

Description

一种新型套管修复加固剂、制备方法及施工方法
技术领域
本发明涉及油气开发领域，具体涉及一种新型套管修复加固剂、制备方法及施工方法。
背景技术
在油气井长期开发过程中，由于地层的塑性变形、固井和完井质量差、丝扣漏失、射孔误射、腐蚀、套管磨损等因素，导致套管损坏失效，使得油气井产量大大的降低，并会导致产层污染，甚至使油气井报废。这些问题，将严重影响油田的正常生产，为了维持油气田正常生产和挖潜增产，必须对套管进行修复。埋藏较深的井在固井过程中一般会使用分级箍，由于分级箍处耐压等级低，使得套管的整体耐压水平降低，无法满足压裂施工压力高的要求，必须对该处套管进行修复和加固。
目前生产过程常用的套管修复加固技术有三大类：水泥修复加固技术、膨胀管补贴套管技术、化学法修复套管技术。(1)水泥修复加固技术是最常见的一种操作简单，成本较低的套管修复技术。但受水泥材料本身性能的限制，其抗拉、抗压强度低；与金属套管胶结强度差；固化后水泥本体胶结强度低、脆性强，易掉块，密封性差，有效期短。(2)膨胀管补贴套管技术具有抗内压强度大的优点，但由于补贴会造成套管缩径，将会影响生产作业时起下管柱和工具，或因磕碰影响补贴的密封性，造成修复失效；其次由于补贴管受到压力变形，其机械应力大大降低，易造成后期漏失；采用套管补贴修复工艺无法有效抑制后期的继续腐蚀、穿孔。(3)化学法修复套管技术是将特殊的化学封堵剂顶替到套管受损部位，固化后能够耐受一定的压力，具有较好的化学稳定性和均衡的机械性能。常见的化学封堵剂主剂有环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂等，但该类封堵剂本体固化后强度仅为20MPa左右，固化后树脂本体与金属套管之间胶结强度较小，树脂固化后具有一定的塑性，可压缩性强，压力过大易压缩变形或挤进地层，导致修复失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种油气井套管修复和加固的新型套管修复加固剂、制备方法及施工方法。
本发明的技术方案是：一种新型套管修复加固剂，该修复加固剂的配方由环氧树脂、固化剂、合金粉末、改性碳纤维、偶联剂、分散剂、有机溶剂组成。各添加剂使用浓度为：环氧树脂：75-80％、固化剂：7-12％、合金粉末：5-6％、改性碳纤维：2-3％、硅烷偶联剂：2-3％、分散剂：0.5-1％，余量为稀释剂。
套管修复加固剂制备方法是：(1)首先对短切碳纤维进行表面改性，具体的改性方法：首先将碳纤维在质量浓度为10％的NaOH溶液中浸泡2h后，再放入盛有质量浓度40％的硝酸溶液的三口烧瓶中在110℃加热回流6h，处理完毕后取出碳纤维进行洗涤、加热、干燥、分散；然后将干燥的碳纤维加入到高速分散剂中高速搅拌(搅拌速度3500-4000r/min)，将雾气状的硅烷偶联剂KH-550和KH-570混合物均匀喷至碳纤维表面(KH-550和KH-570质量比为2-3:1，偶联剂与碳纤维的质量比为：1:15-20)，使其反应1h后，再放入110℃烘箱中加热反应2h，最后对反应后的碳纤维进行分散备用。(2)按照以上配比，在带有搅拌桨的容器内，以转速5000-6000r/min搅拌下，依次加入稀释剂、环氧树脂、合金粉末、碳纤维分散剂、改性碳纤维、硅烷偶联剂，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌5-6min备用。由于各种原料作用不同，为确保产品黏度低，流动性好，不能改变原料添加顺序。(3)在修复固化作业前，再按照以上比例，将固化剂加入到(2)制备好的产品中，并混合均匀待用。
套管修复加固施工方法：(1)在受损部位底面0.5-1m处做悬空水泥塞或打入可捞式桥塞。(2)按照上述制备方法配制修复加固剂，根据套管受损程度计算修复固化剂用量。(3)采用制备好的修复加固剂对受损部位进行封堵。(4)待固化后钻塞、试压。
所述的环氧树脂包括环氧树脂E51、E44种的一种或者两种。
所述的固化剂包括二乙烯三胺、三乙烯四胺一种或者两种。
所述的合金粉末包括不锈钢粉、镍合金粉、铁镍合金粉中的一种或者多种。
所述的改性碳纤维包括采用以上套管修复加固剂制备方法(1)工艺进行表面改性的短切碳纤维的一种或者多种，规格为长度0.2mm、1mm、2mm。
所述的硅烷偶联剂包括道康宁硅烷偶联剂Z-6040、Z6020、Z6011中的一种或者多种。
所述的分散剂是道康宁高分子分散剂D310。
所述的稀释剂包括无水乙醇、D691(邻甲苯基缩水甘油醚)的一种或者两种。
本发明的优点：
1、该套管修复加固剂可在24h内固化，在100℃-20℃下，可在8-24h内固化；固化前黏度低、流动性好、容易泵注。
2、该套管修复加固剂固化后抗压强度可达到300MPa以上，修复后的受损部位与金属套管的胶结强度可达到18-20MPa(实验室采用厚度为5mm金属孔板，在修复固化后，采用压力机挤压已修复孔眼处，挤出压力为18-20MPa)，可满足套损井和施工压力等级高的油气井套管修复加固需要。
3、该套管修复加固剂修复部位用油水浸泡后对固化时间和固化强度影响不大。
4、该套管修复加固剂固化后与套管材质和强度接近，能很好地与金属套管融为一体；
5、该套管修复加固剂固化后耐温范围宽，耐温区间为-50℃-180℃。
6、该套管修复加固剂固化后耐酸碱、耐腐蚀，修复后套管使用有效期长。
7、可保证已修复的套管受损部分与原套管内径一致，不缩径、不变径，后期起下工具和管柱不受影响。
具体实施方式
实施例一
一种新型套管修复加固剂配方是由如下质量百分比的组分配比而成：E51：79％、二乙烯三胺：7.2％、不锈钢粉：5％、长度0.2mm改性短切碳纤维：3％、Z-6040：2％、D310：0.6％、无水乙醇：3.2％。制备方法：按照以上配比，在带有搅拌桨的容器内，以转速6000r/min搅拌下，依次加入无水乙醇、E51、不锈钢粉、D310、0.2mm改性短切碳纤维、Z-6040，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌5min备用。由于各种原料作用不同，为确保产品黏度低，流动性好，不能改变原料添加顺序。按照以上比例，将二乙烯三胺加入到制备好的产品中，并混合均匀涂抹于孔径12mm，厚度5mm的钢板孔眼中，涂抹均匀并压实，保证修复面与钢板顶、底面在一个平面上，在20℃固化24h后采用压力机测试固化剂的抗压抗拉强度，固化剂与钢板孔眼圆柱面的胶结强度。固化前修复加固剂前黏度45mPa.s，固化后抗压强度341.5MPa，固化剂与钢板孔眼的胶结强度20.2MPa，固化后样品分别在10％盐酸和10％NaOH浸泡3天无明显变化。
实施例二
一种新型套管修复加固剂配方是由如下质量百分比的组分配比而成：E51：77％、三乙烯四胺：9.6％、镍合金粉：5％、长度1mm改性短切碳纤维：3％、Z6020：1.5％、D310：0.6％、D691：3.3％。制备方法：按照以上配比，在带有搅拌桨的容器内，以转速5000r/min搅拌下，依次加入D691、E51、镍合金粉、D310、1mm改性短切碳纤维、Z6020，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌6min备用。按照以上比例，将三乙烯四胺加入到制备好的产品中，混合均匀后涂抹于孔径10mm，厚度5mm的钢板孔眼中，涂抹均匀并压实，保证修复面与钢板顶、底面在一个平面上，在40℃固化20h后采用压力机测试固化剂的抗压抗拉强度，固化剂与钢板孔眼圆柱面的胶结强度。固化前修复加固剂前黏度43mPa.s，固化后抗压强度342.3MPa，固化剂与钢板孔眼的胶结强度19.8MPa，固化后样品分别在10％盐酸和10％NaOH浸泡3天无明显变化。
实施例三
一种新型套管修复加固剂配方是由如下质量百分比的组分配比而成：E44：80％、二乙烯三胺：7.2％、铁镍合金粉：6％、长度2mm改性短切碳纤维：2％、Z6011：1.6％、D310：0.4％、无水乙醇：2.8％。制备方法：按照以上配比，在带有搅拌桨的容器内，以转速6000r/min搅拌下，依次加入无水乙醇、E44、铁镍合金粉、D310、2mm改性短切碳纤维、Z6011，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌5min备用。再先将孔径4mm，厚度5mm的有孔钢板在水中浸泡24h，按照以上比例，将二乙烯三胺加入到制备好的产品中，混合均匀后涂抹于钢板孔眼中，涂抹均匀并压实，保证修复面与钢板顶底面在一个平面上，在60℃固化18h后采用压力机测试固化剂的抗压抗拉强度，固化剂与钢板孔眼圆柱面的胶结强度。固化前修复加固剂前黏度48mPa.s，固化后抗压强度335.4MPa，固化剂与钢板孔眼的胶结强度19.5MPa，固化后样品分别在10％盐酸和10％NaOH浸泡3天无明显变化。
实施例四
一种新型套管修复加固剂配方是由如下质量百分比的组分配比而成：E44：79％、三乙烯四胺：7.9％、不锈钢粉：5％、长度0.2mm改性短切碳纤维：3％、Z6040：1.6％、D310：0.6％、D691：2.9％。制备方法：按照以上配比，在带有搅拌桨的容器内，以转速6000r/min搅拌下，依次加入D691、E44、不锈钢粉、D310、0.2mm改性短切碳纤维、Z6040，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌6min备用。首先将孔径10mm，厚度5mm的有孔钢板在煤油中浸泡24h，然后按照以上比例，将三乙烯四胺加入到制备好的产品中，混合均匀后涂抹于钢板孔眼中，涂抹均匀压实，保证修复面与钢板顶底面在一个平面上，在80℃固化16h后采用压力机测试固化剂的抗压抗拉强度，固化剂与钢板孔眼圆柱面的胶结强度。固化前修复加固剂前黏度46mPa.s，固化后抗压强度333.6MPa，固化剂与钢板孔眼的胶结强度19.9MPa，固化后样品分别在10％盐酸和10％NaOH浸泡3天无明显变化。
实施例五
一种新型套管修复加固剂配方是由如下质量百分比的组分配比而成：E51：78％、二乙烯三胺：7.1％、不锈钢粉：6％、长度0.2mm改性短切碳纤维：3％、Z-6040：1.6％、D310：0.6％、无水乙醇：3.7％。制备方法：在X井场，按照以上配方配制1m3套管修复加固剂，在搅拌罐中依次加入无水乙醇、E51、不锈钢粉、D310、0.2mm改性短切碳纤维、Z-6040，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌6min备用。套管修复加固施工工艺：在X井受损部位底面0.5-1m处打入可捞式桥塞；按照上述配方加入二乙烯三胺完成修复固化剂配制；用水泥车将制备好的修复固化剂泵至可捞式桥塞处并挤入地层；待固化24h后钻塞，试压60MPa，30min压力无明显变化。

Claims (9)

1.一种新型套管修复加固剂，其特征在于：由以下质量百分比的原料组成：环氧树脂：75-80％、固化剂：7-12％、合金粉末：5-6％、改性碳纤维：2-3％、硅烷偶联剂：2-3％、分散剂：0.5-1％，余量为稀释剂。
2.根据权利要求1所述的一种新型套管修复加固剂，其特征在于：所述环氧树脂是环氧树脂E51、E44的一种或者两种；所述固化剂包括二乙烯三胺、三乙烯四胺一种或者两种。
3.根据权利要求1所述的一种新型套管修复加固剂，其特征在于：所述合金粉末包括不锈钢粉、镍合金粉、铁镍合金粉中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的一种新型套管修复加固剂，其特征在于：改性碳纤维包括进行表面改性的短切碳纤维的一种或者多种，规格为长度0.2mm、1mm、或2mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型套管修复加固剂，其特征在于：硅烷偶联剂包括道康宁硅烷偶联剂Z-6040、Z6020、Z6011中的一种或者多种；分散剂是道康宁高分子分散剂D310。
6.根据权利要求1所述的一种新型套管修复加固剂，其特征在于：稀释剂包括无水乙醇、D691的一种或者两种。
7.权利要求1至6中任一项所述的一种新型套管修复加固剂的制备方法，其特征在于：(1)首先对短切碳纤维进行表面改性；(2)按照权利要求1的配比，在带有搅拌桨的容器内，以转速5000-6000r/min搅拌下，依次加入稀释剂、环氧树脂、合金粉末、碳纤维分散剂、改性碳纤维、硅烷偶联剂，边搅拌边添加，添加完毕后再搅拌5-6min备用；(3)在修复固化作业前，再按照以上比例，将固化剂加入到(2)制备好的产品中，并混合均匀待用。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，短切碳纤维表面改性方法是：首先将碳纤维在质量浓度为10％的NaOH溶液中浸泡2h后，再放入盛有质量浓度40％的硝酸溶液中的三口烧瓶中在110℃加热回流6h，处理完毕后取出碳纤维进行洗涤、加热、干燥、分散；然后将干燥的碳纤维加入到高速分散剂中高速搅拌，搅拌速度3500-4000r/min，将雾气状的硅烷偶联剂KH-550和KH-570混合物均匀喷至碳纤维表面，KH-550和KH-570质量比为2-3:1，偶联剂与碳纤维的质量比为：1:15-20，使其反应1h后，再放入110℃烘箱中加热反应2h，最后对反应后的碳纤维进行分散备用。
9.权利要求1至6任一项所述的新型套管修复加固剂修复加固套管的施工方法，其特征在于：(1)在受损部位底面0.5-1m处做悬空水泥塞或打入可捞式桥塞；(2)配制修复加固剂，根据套管受损程度计算修复加固剂用量；(3)采用制备好的修复加固剂对受损部位进行封堵；(4)待固化后钻塞、试压。
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