CN108949120B

CN108949120B - 一种钻井液用高温气藏防气侵材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN108949120B
Application number: CN201710373015.6A
Authority: CN
Inventors: 刘昱彤; 李旭东; 田军; 王禄忠; 杨建�; 杨建军
Original assignee: Sinopec Oilfield Service Corp; Drilling Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
Current assignee: Sinopec Oilfield Service Corp; Drilling Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: CN108949120A

Abstract

本申请提供了一种钻井液用高温气藏防气侵材料及其制备方法和应用，该防气侵材料包括：40～60重量份的抗高温凝胶；所述抗高温凝胶为2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸、丙烯酸和丙烯酰胺经二次交联聚合而成的双网络结构凝胶；20～50重量份的刚性颗粒；5～10重量份的柔性纤维，所述柔性纤维选自矿物纤维和合成纤维中的一种或几种。本发明防气侵产品组分功能齐全，对气藏孔缝适应性好，可有效降低气侵；加入到钻井液后，其高粘滞力特性能够大大减缓气体上窜速度，从而保证在安全气窜速度内的作业施工(起下钻、电测等)安全；所组成的材料具有一定的酸溶性、抗高温效果好，可满足长期高温深井井段的施工要求，并能够有效保护储层。

Description

一种钻井液用高温气藏防气侵材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及钻井防气侵技术领域，尤其涉及一种钻井液用高温气藏防气侵材料及其制备方法和应用，具体涉及一种钻井过程中保障起下钻作业施工安全及储层保护的高温气藏防气侵材料。

背景技术

对于储积层压力系统复杂、储层跨度大、物性差异大的气井，钻井过程中不可避免地出现气侵现象，严重的将导致井涌甚至井喷等井下复杂情况，加上有的井含硫化氢等易燃、有毒气体，也对安全施工带来极大的隐患。在深井、超深井中，井底少量的气体运移到井口，由于压力和温度的降低，其体积会剧烈的膨胀，有时甚至达到数千倍。为防止起下管柱出现的地层漏失或气侵等井下复杂情况，需要长时间的循环脱气，直到钻井液内固相材料有效封堵气层孔道，侵入气体缩减到可控范围才能起钻，而这样导致浪费大量的钻井时间，如顺南6井四开钻进及中完的排气时间长达44.65天。

目前国内有关防气侵的专利极少，而现场常采用暂堵的方法封堵气层，以防止气侵现象的发生，但均效果不佳。现有的防气侵材料多由可变形材料和其他桥堵材料复合而成，封堵含气孔缝从而达到防气侵的目的。比如，专利号为ZL02100055.7的中国专利文献公开的“钻井屏蔽暂堵剂及其应用”，其钻井屏蔽暂堵剂由楠木根粉、棉花桃等溶胀性材料，云母片等架桥材料和碳酸钙填充材料等组成。申请公布号为CN 104212421 A的中国专利文献公开了一种随钻封堵裂缝防气侵剂，由聚乙二醇、顺丁烯二酸酐、三羟甲基丙烷二烯丙基醚所合成的聚合物，以及膨润土、碳酸钙和棉纤维混合而成，能够有效封堵含气裂缝，防止气侵的发生。

但是，上述防气侵所用的材料多由楠木根粉、植物纤维等材料组成，抗温能力不足，不能满足深井(6000m以上)高温(180℃)条件下的长期封气要求。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种钻井液用高温气藏防气侵材料及其制备方法和应用，本发明提供的防气侵材料可有效封堵气藏孔缝，减低气体上窜速度，耐高温时间长，可用于深井高温井段，酸溶率高，能够有效保护储层。

本发明提供一种钻井液用高温气藏防气侵材料，其包括：

40～60重量份的抗高温凝胶；所述抗高温凝胶为第一单体和第二单体经二次交联聚合而成的双网络结构凝胶；所述第一单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，所述第二单体包括丙烯酰胺；

20～50重量份的刚性颗粒；

5～10重量份的柔性纤维，所述柔性纤维选自矿物纤维和合成纤维中的一种或几种。

优选地，所述刚性颗粒选自矿物颗粒或贝壳类材料。

优选地，所述刚性颗粒选自海泡石、贝壳渣和牡蛎壳中的一种或几种。

优选地，所述刚性颗粒的粒径范围为0.1～2mm。

优选地，所述抗高温凝胶的粒径为0.5～2mm。

优选地，所述抗高温凝胶中，所述第二单体还包括丙烯酸。

优选地，所述柔性纤维采用经过粉碎处理的柔性纤维粉末，纤维长度为75～380μm。

优选地，所述柔性纤维选自石棉绒和海泡石绒中的一种或几种。

本发明提供一种钻井液用高温气藏防气侵材料的制备方法，包括：

将40～60重量份的抗高温凝胶、20～50重量份的刚性颗粒和5～10重量份的柔性纤维混合，得到钻井液用高温气藏防气侵材料；

所述抗高温凝胶为第一单体和第二单体经二次交联聚合而成的双网络结构凝胶；所述第一单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，所述第二单体包括丙烯酰胺；所述柔性纤维选自矿物纤维和合成纤维中的一种或几种。另外，所述第二单体优选还包括丙烯酸。

本发明提供上文所述的钻井液用高温气藏防气侵材料在制备钻井液中的应用。

优选地，所述钻井液用高温气藏防气侵材料的加量为1％～10％。

优选地，所述钻井液在180℃下的养护时间为24h～110h。

与现有技术相比，本发明提供的防气侵材料主要是由特定网络结构的抗高温凝胶、刚性颗粒和柔性纤维在一定比例下复合而成。本发明所述防气侵材料含有具有刚性架桥、变形填充及拉筋架桥等作用的组分，产品组分功能齐全，对气藏孔缝适应性好，可有效降低气侵；加入到钻井液后，其高粘滞力特性能够大大减缓气体上窜速度，从而保证在安全气窜速度内的作业施工(起下钻、电测等)安全；所组成的材料具有一定的酸溶性、抗高温效果好，可满足长期高温深井井段的施工要求，并能够有效保护储层。

附图说明

图1为本发明实施例中基浆高温条件下流变曲线；

图2为基浆加实施例1产品高温条件下流变曲线(起始温度为180℃)；

图3为本发明实施例防气侵材料滞气效果的评价实验装置实物图；

图4为本发明实施例防气侵材料滞气效果的评价实验装置的结构示意图；

图5为向模拟井筒依次注气400mL、600mL、800mL、1200mL时气体与段塞的状态效果图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明提供了一种钻井液用高温气藏防气侵材料，其包括：

20～50重量份的刚性颗粒；

本发明的目的是为了解决现有防气侵剂材料粒径级配不合理，封气效果不佳，无法减缓气体上窜速度，长期耐高温不足的缺陷，本发明提供的防气侵材料可有效封堵气藏孔缝，减低气体上窜速度，耐高温时间长，可用以深井高温井段，酸溶率高，能够有效保护储层。

本发明提供的防气侵材料包括40～60重量份的抗高温凝胶，优选包括45～50重量份的抗高温凝胶。上述抗高温凝胶主要为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺经二次交联聚合而成的双网络结构凝胶，具有较强的抗温效果，抗温达180℃；同时其可起到变形填充等作用。所述抗高温凝胶的粒径优选为0.5～2mm，可为0.5～1mm或1～2mm等。

在本发明中，所述抗高温凝胶为第一单体和第二单体经二次交联聚合而成的双网络结构凝胶；所述第一单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，所述第二单体包括丙烯酰胺，优选还包括丙烯酸。

在本发明的实施例中，所述抗高温凝胶为中原钻井院所制的具有双层网络结构的凝胶产品，其结构通式如式I所示：

其中，m：n：o：p＝(0.001-0.01)：(0-0.2)：(0-0.1)：(0-0.1)；

R₁选自-CONHC2(CH₃)CH₂SO₃Na、-COONa和-CONH₂中的一种或几种，且R₁包括-CONHC2(CH₃)CH₂SO₃Na；R₂为-CONHCH₂NHCO-。

本发明所述防气侵材料包括20～50重量份的刚性颗粒，优选包括40～50重量份的刚性颗粒。所述刚性颗粒可起到刚性架桥等作用，一般划痕硬度为2～3，密度为1.7～2.7g/cm³，如可选自矿物颗粒或贝壳类材料。在本发明的实施例中，上述刚性颗粒是海泡石、贝壳渣、牡蛎壳中的一种或几种的混合物，优选为贝壳渣或牡蛎壳。在本发明的实施例中，所述刚性颗粒的粒径范围是0.1～2mm，优选为0.5～1mm；本发明对所述刚性颗粒的来源没有特殊限制。

在本发明中，所述防气侵材料包括5～10重量份的柔性纤维。根据纤维的弹性模量等力学性能，可分为刚性纤维和柔性纤维。刚性纤维有钢纤维、碳纤维等；而本发明所述柔性纤维的拉伸强度应大于300MPa，可选自矿物纤维和合成纤维中的一种或几种。其中，所述矿物纤维包括但不限于石棉绒和海泡石绒，所述合成纤维如聚丙烯纤维等。在本发明的优选实施例中，所述柔性纤维选自石棉绒和海泡石绒中的一种或几种。并且，本发明优选采用经过粉碎处理的柔性纤维粉末，纤维长度可为75～380μm。

在本发明的一些实施例中，所述抗高温凝胶的粒径为0.5～2mm，所述刚性颗粒的粒径范围是0.1～2mm，柔性纤维长度为75～380μm。本发明实施例优选采用一定粒径级配的抗高温凝胶、刚性颗粒、柔性纤维粉末，形成防气侵产品，经过合理粒径级配，封气效果更佳。

本发明开发的防气侵材料中，各组分协同作用，一方面能对孔缝进行及时封堵，在孔缝内形成致密“隔墙”，有效减缓气体侵入井筒；另一方面，由防气侵材料配制出的段塞具有高粘度特性，能够大大降低气体上窜速度，在较低的气体上窜速度下能够确保起下钻、电测等作业施工的安全；同时，为了满足高温条件下储层保护的需要，材料可抗温180℃，在地层温度压力下能自然降解，以保证后期产气。

本发明另外提供了一种钻井液用高温气藏防气侵材料的制备方法，包括：

所述抗高温凝胶为第一单体和第二单体经二次交联聚合而成的双网络结构凝胶；所述第一单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，所述第二单体包括丙烯酰胺；所述柔性纤维选自矿物纤维和合成纤维中的一种或几种。

本发明实施例是将抗高温凝胶、刚性颗粒、柔性纤维用混合设备将各组分混合均匀，得到高温气藏暂堵防气侵材料，也可称防气侵剂。其中，各组分的内容如前所述，在此不再一一赘述。在本发明的实施例中，抗高温凝胶、刚性颗粒和柔性纤维各组分的重量比为(40～60份)：(20～50份)：(5～10份)。

在本发明中，采用本领域常用的混合设备进行均匀混合，即得该高温气藏防气侵材料。

本发明提供了上文所述的钻井液用高温气藏防气侵材料在制备钻井液中的应用。

钻井液是钻探过程中孔内使用的循环冲洗介质，可称是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等，其中，清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。

聚磺钻井液是钻井液中的一个种类，是聚合物钻井液与磺化钻井液的有效结合，主要适用于深井作业。在本发明的实施例中，所应用的钻井液体系为聚磺钻井液。所述聚磺钻井液可包括坂土浆、降滤失剂、加重剂、防塌剂、润滑剂等，本发明对所述钻井液的制备和添加剂等没有特殊限制，采用常规的添加剂即可。

在本发明的一些实施例中，所述聚磺钻井液包括：3～5％坂土浆；3～5％钻井液用磺甲基酚醛树脂(SMP)；3～5％磺化褐煤(SMC)；0.1～0.5％聚合氯化铝(PAC)；0.1～0.5％降滤失剂601；重晶石；本发明将所述钻井液用高温气藏防气侵材料加入上述钻井液，钻井液粘度大大升高，其高粘度的特性能够显著减缓气体上窜速度，保证安全作业。

其中，所述钻井液用高温气藏防气侵材料的加量可为钻井液质量的1％～10％，优选为3～5％。在本发明实施例中，所述钻井液在180℃下的养护时间可为24h～110h；经180℃养护56h后其粘度变化不显著，110h后仍具有较高粘度，表明该产品的抗高温性能良好。

本发明对所述防气侵材料的滞气效果等方面进行评价，结果表明，本发明提供的防气侵材料可有效封堵气藏孔缝，减低气体上窜速度，耐高温时间长，可用于深井高温井段，酸溶率高，能够有效保护储层。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的钻井液用高温气藏防气侵材料、其制备方法和应用进行具体地描述。

以下实施例中，所用的抗高温凝胶产品可抗温180℃，中石化中原钻井院研制；贝壳渣、牡蛎壳、石棉绒和海泡石绒均为工业品，贝壳渣和牡蛎壳购自天津牡蛎贝壳粉厂，石棉绒和海泡石绒购自陕西腾发海泡石有限公司。

实施例1

以重量份计，取0.5～1mm粒径的抗高温凝胶产品50份，1mm粒径的贝壳渣45份，长度为100μm的海泡石绒5份，放在混合设备中进行均匀混合，得到高温气藏防气侵材料。

其中所用抗高温凝胶结构式为：

实施例2

以重量份计，取1～2mm粒径的抗高温凝胶产品45份，1mm粒径的贝壳渣50份，长度为150μm的石棉绒5份，放在混合设备中进行均匀混合，得到高温气藏暂堵防气侵剂。

其中所用抗高温凝胶结构式为：

实施例3

以重量份计，取0.5～1mm粒径的抗高温凝胶产品50份，1mm粒径的牡蛎壳40份，长度为380μm的海泡石绒10份，放在混合设备中进行均匀混合，得到高温气藏暂堵防气侵剂。

其中所用抗高温凝胶结构式为：

实施例4

对本发明实施例所得产品进行相关性能评价，结果如下：

(1)耐温性能评价

配制密度为1.5g/cm³的聚磺钻井液：4％钠膨润土浆+4％SMP(磺甲基酚醛树脂)+4％SMC(磺化褐煤)+0.2％PAC(聚合氯化铝)+0.2％601(降滤失剂)+重晶石(上述材料均为工业品，购自山东省阳谷龙泉化工厂)，以不同加量，将本发明高温气藏防气侵材料加入到聚磺浆中，经180℃养护不同时间后，得到钻井液。

利用DV-1旋转粘度计测试所制备的聚磺浆及钻井液的粘度，结果见表1，表1为本发明实施例所得防气侵产品耐高温性能评价结果。由表1可知，加入本发明防气侵产品后，钻井液粘度大大升高，其高粘度的特性能够显著减缓气体上窜速度，保证安全作业；且经180℃养护56h后其粘度变化不显著，110h后仍具有较高粘度，说明该产品的抗高温性能良好。

表1本发明实施例所得防气侵产品耐高温性能评价结果

(2)高温高压流变评价

采用高温流变仪测试高温高压下的流变参数，携带液为聚磺浆，测试体系为：聚磺浆+5％实施例1产品。结果见图1和图2，图1为本发明实施例中基浆高温条件下流变曲线，图2为基浆加实施例1产品高温条件下流变曲线(起始温度为180℃)。

由实验结果表明：

a、测试时聚磺浆为5MPa，而加入5％防气侵材料，浆体压力为2MPa，滞气材料吸水后自由水少起压小，基浆自由水相对较多，高温老化后起压明显。

b、防气侵材料高温后粘度上升明显，材料颗粒相互粘结形成一体，提高钻井液的动切力，起到粘滞效果。

c、防气侵材料前面分析为吸水膨胀增稠，后面分析为高温降解增粘切。因防气侵材料中细颗粒降解快，如颗粒增大，降解变慢，增粘切时间会逐步增长。起始粘度10000mPa.s，切力50Pa；高温1h后，粘切35000mPa.s，切力160Pa。而基浆测试的最大粘度在100～700mPa.s，切力1～9Pa，加入防气侵材料后，在高温高压下能够显著提高钻井液粘度。

(3)滞气效果评价

图3为本发明实施例防气侵材料滞气效果的评价实验装置实物图，其主体为透明有机玻璃管组成的模拟井筒，便于观察气体在管内的运移情况；模拟井筒高度100cm，直径10cm，底部密封，底部侧面留有注气孔。图4为本发明实施例防气侵材料滞气效果的评价实验装置的结构示意图，图4中，该装置主体为透明有机玻璃，空心透明有机玻璃管(2)直径为10cm，玻璃管两端设有法兰(1)，可根据实验所需情况将数个玻璃管由螺丝(3)固定连接而成；气体可从装置底部的注气口(4)注入。

在进行模拟实验之前，将砂子倒入模拟井筒的底部，形成孔隙通道，使得气体能够以气泡的形式进入模拟井筒；向模拟井筒中注入少量的水，便于观察气体是否进入井筒内；然后，将老化后的聚磺浆+5％实施例1产品注入井筒内，形成一段段塞，将段塞搅拌均匀，防止段塞与模拟井筒壁面之间存在孔隙；最后，用气筒向模拟井筒底部的气孔中注气，气体通过底部砂层后均匀到达砂层与段塞的交界面，可以观察到段塞对气体的阻滞效果。

图5为向模拟井筒依次注气400mL、600mL、800mL、1200mL时气体与段塞的状态效果图，从图5可以看到，随着注气量的增加，段塞被气体推举，整体向上移动，期间，部分气体进入到段塞与模拟井壁未完全贴合的位置，形成气泡，但这些气体被黏稠的段塞完全包裹，气泡与段塞之间没有发生相对运动，而是随着段塞整体向上移动。这些现象表明，本发明防气侵剂在浆体中高温老化后能够迅速增稠，形成的段塞对气体有很好的阻滞效果，气体难以侵入到段塞当中，若在井底正压差条件下，气体可以完全被阻隔在段塞下部，解决起下钻作业过程中的气体上窜问题，保证作业施工的顺利进行。

现有防气侵剂多为封气孔缝类产品，未见延缓气体上窜类滞气材料的相关报告。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。

Claims

1.一种钻井液用高温气藏防气侵材料，其特征在于，由以下组分组成：

20～50重量份的刚性颗粒，所述刚性颗粒选自矿物颗粒或贝壳类材料；

5～10重量份的柔性纤维，所述柔性纤维选自矿物纤维和合成纤维中的一种或几种；所述柔性纤维采用经过粉碎处理的柔性纤维粉末，纤维长度为75～380μm；

所述刚性颗粒的粒径范围为0.1～2mm；所述抗高温凝胶的粒径为0.5～2mm。

2.根据权利要求1所述的钻井液用高温气藏防气侵材料，其特征在于，所述刚性颗粒选自海泡石、贝壳渣和牡蛎壳中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的钻井液用高温气藏防气侵材料，其特征在于，所述柔性纤维选自石棉绒和海泡石绒中的一种或几种。

4.一种权利要求1～3中任一项所述的钻井液用高温气藏防气侵材料的制备方法，包括：

将40～60重量份的抗高温凝胶、20～50重量份的刚性颗粒和5～10重量份的柔性纤维混合，得到钻井液用高温气藏防气侵材料；所述刚性颗粒的粒径范围为0.1～2mm；所述抗高温凝胶的粒径为0.5～2mm；

5.如权利要求1～3中任一项所述的钻井液用高温气藏防气侵材料在制备钻井液中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述钻井液用高温气藏防气侵材料的加量为1％～10％。