CN110028941B - 环空封堵剂及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石油工程固完井技术领域，具体涉及环空封堵剂及其应用。本发明所述的环空封堵剂，以质量比计，其原料组成为：丙烯酰胺26.90％～27.12％，N,N′‑亚甲基双丙烯酰胺0.24‰～0.31‰，过硫酸铵0.16‰～0.20‰，聚丙烯酸5.06‰～5.60‰，铁氰化钾0.09‰～0.27‰，水余量。本发明所述的环空防堵剂最初呈液体流动状，可以充分的进入微裂缝中，与微裂缝中的碱性物质接触发生碱激发增稠，封堵剂粘度提高，使得封堵剂更容易滞留在微裂缝中，在裂缝中受到热引发作用，发生聚合反应，缝内成胶，实现微裂缝的有效充分封堵，使得微裂缝中的水窜通道封闭，具有良好的封堵能力和一定的抗压强度以及压缩恢复能力。

Description

环空封堵剂及其应用
技术领域
本发明属于石油工程固完井技术领域，具体涉及环空封堵剂及其应用。
背景技术
固井是油、气井建井过程中的一个重要环节，是在井眼钻成后，向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥浆的过程。固井水泥环的主要作用之一是封隔环空。水泥环环空密封能力失效会导致层间窜流，影响油气层的分层开采和管理，甚至会造成井口冒油冒气，危害环境和人身安全。水泥环封隔失效主要表现为水泥环与地层或套管界面完整性破坏及水泥环本体出现微裂缝。目前针对水泥环微裂缝的解决方法有水泥环微裂缝自封堵技术(遇油、水自封堵技术)和挤水泥技术，其中自封堵技术属于预埋式修复技术，对于没有采用这类技术的老油气井是无法进行应用的，另外挤水泥技术受到油井水泥粒径因素的影响，难以挤入微裂缝中。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种环空封堵剂及其应用。本发明所述的环空封堵剂作为微裂缝修补剂挤入微裂缝中，与裂缝中的碱性物质接触后发生中和增稠，封堵剂粘度提高，使得封堵剂更容易滞留在微裂缝中，在裂缝中受到热引发作用发生聚合反应，成胶，封堵裂缝。
本发明所述的环空封堵剂，以质量比计，丙烯酰胺26.90％～27.12％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.24‰～0.31‰，过硫酸铵0.16‰～0.20‰，聚丙烯酸5.06‰～5.60‰，铁氰化钾0.09‰～0.27‰，水余量。
优选的，以质量比计，其原料组成为：丙烯酰胺27.01％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.27‰，过硫酸铵0.18‰，聚丙烯酸5.43‰，铁氰化钾0.18‰，水余量。
本发明所述的环空封堵剂的具体制备方法为：室温下，按比例称取各原料，并将其混合均匀，即得环空封堵剂。本发明所述的环空封堵剂现用现配。
将本发明所述的环空封堵剂用于井下封堵模拟过程，其具体步骤为：使用固井水泥环微裂缝封堵能力评价装置，在挤入压差5～10MPa条件下，将环空封堵剂挤入加热范围允许在50℃～90℃的水泥环微裂缝中，挤入后成胶时间控制在0.5h～30h，反应结束后，封堵剂在缝内聚合成胶，封堵住微裂缝。本发明中，固井水泥环微裂缝封堵能力评价装置为专利申请201920019468.3中采用的装置。
环空封堵剂的加入量：V＝l·h·w，其中：V—环空封堵剂用量，m3；l—裂缝行程，m；h—裂缝有效开度，m；w—裂缝宽度，m。
本发明中，丙烯酰胺是反应单体，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，过硫酸铵作为引发剂，聚丙烯酸作为增稠剂具备提高环空封堵剂粘度作用，铁氰化钾作为缓聚剂具备控制聚合反应完成时间的功能。
引发剂是可以引发单体进行聚合反应的物质，本发明使用过硫酸铵作为引发剂，属于热引发，热引发适应的温度范围高，更加适合深井和超深井的温度。聚丙烯酸作为一种增稠剂，其增稠的机理是中和增稠，增稠剂溶于水中，通过羧酸根离子的同性静电斥力，分子链由螺旋状伸展为棒状，从而提高了水相的黏度，铁氰化钾是凝胶交联聚合反应的抑制剂，可以吸收引发凝胶交联聚合的游离基，避免封堵剂在挤入管道的流动过程中可能提前在通道内受到热引发作用成胶，导致通道的封堵。
本发明中，按比例称取各原料，并将其混合均匀后得到环空封堵剂，具有一定的粘度(一般为10～40mPa·s)，但是仍呈流动态，当将其注入微裂缝后，由于水泥的主要水化产物是氢氧化钙，环空封堵剂中的增稠剂与缝内的碱性物质(主要是氢氧化钙)接触后发生中和增稠反应，环空封堵剂粘度大幅度提高(一般为10万～15万mPa·s)，更容易滞留在微裂缝中，受到井下热引发的作用，封堵剂相应原料发生聚合反应在缝内成胶，封堵裂缝。
与现有技术相比，本发明所述的环空防堵剂最初呈液体流动状，可以充分的进入微裂缝中，随后与微裂缝中的碱性物质接触发生中和增稠，封堵剂粘度提高，使得封堵剂更容易滞留在微裂缝中，受到热引发作用，发生聚合反应，缝内成胶，实现微裂缝的有效充分封堵，使得微裂缝中的水窜通道封闭，具有良好的封堵能力和较高的抗压强度以及压缩恢复能力，克服了现有的当使用常规油井水泥封堵微裂缝时出现因水泥粒径问题无法很好地封堵水泥环微裂缝的难题。
附图说明
图1是室内实验制备的柱状水凝胶的照片。
图2是室内制备的水泥芯模拟水泥环微裂缝的照片。
图3是室内模拟环空封堵剂在裂缝中成胶的照片。
从图1看出，环空封堵剂在反应条件下是可以经过热引发反应成胶的；图2是室内制备的水泥芯压裂模拟的水泥环微裂缝，裂缝开度可以根据制备工艺进行调节；图3说明制备的环空封堵剂在微裂缝内成胶是可行的。
具体实施方式
实施例1
一种环空封堵剂，以质量比计，其原料组成为：丙烯酰胺27.01％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.27‰，过硫酸铵0.18‰，聚丙烯酸5.43‰，铁氰化钾0.18‰，水余量。
其制备方法为：室温下，按比例称取各原料，并将其混合均匀，即得环空封堵剂。
制备的环空封堵剂分别进行了抗压强度测试和粘度测试。
(1)抗压强度测试
将所述环空封堵剂倒入标准烧杯(φ＝38mm，V＝40mL)中，将模拟微裂缝内存在的碱性物质(氢氧化钠)适量的加入环空封堵剂中，搅拌均匀，调节pH值在4-13范围内，用塑料薄膜将烧杯口封闭，在50℃恒温水浴锅中水浴一定时间，进行恒温聚合，便可得到相应地柱状水凝胶。
柱状水凝胶的强度评价方法采用应力—应变关系曲线和压缩恢复能力两个指标，这样可以做到方便、直观的评价，使用电动拉力试验机测试以上指标，结果为：在一定应力下(1～1.2MPa)，柱状凝胶的应变为83％，压缩恢复能力达到98.74％。从实验结果可以看出，环空封堵剂在成胶后是有一定的抗压强度和压缩恢复能力的。
(2)粘度测试
制备的环空封堵剂在不同pH值下的进行粘度测试，实验结果如表所示：
Figure BDA0002038226050000031
实验过程中发明人发现，随着氢氧化钠加入，反应体系pH值增大，环空封堵剂的粘度呈现增大趋势，即环空封堵剂在与碱性物质接触后有碱激发增稠效果，并且通过阅读文献及实验测试，发现微裂缝内碱性环境的pH范围是在实验测试的pH范围内，pH范围大致在8～9，在该范围下的封堵剂粘度使其同样具备了滞留在微裂缝中的能力。实验过程中还发现随测试温度的升高，反应体系的整体粘度也会进一步增大，是因为反应温度的升高，会加快聚合反应的速率，此时封堵剂会出现凝胶效应，即环空封堵剂部分开始成胶。
实施例2
一种环空封堵剂，以质量比计，丙烯酰胺为27.01％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为0.27‰，过硫酸铵为0.18‰，聚丙烯酸为5.43‰，铁氰化钾0.18‰，水余量。
其制备方法为：室温下，按比例称取各原料，并将其混合均匀，即得环空封堵剂。
将所述的环空封堵剂用于井下封堵模拟，具体过程为：将环空封堵剂倒入固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，封堵剂的挤入压差允许设定在5MPa，仪器的加热控制装置可以将水泥环微裂缝温度设定在90℃，通过控制环空封堵剂中缓聚剂的不同加量可以实现环空封堵剂在不同时间内在水泥芯微裂缝中成胶封堵，该实施例成胶时间控制在0.5h，实验测试形成的凝胶可以封堵住5～10MPa的环空压差，解决环空微裂缝中的水窜问题。
环空封堵剂的加入量为V＝l·h·w，其中：V—环空封堵剂用量，m3；l—裂缝行程，m；h—裂缝有效开度，m；w—裂缝宽度，m。
实施例3
一种环空封堵剂，以质量比计，丙烯酰胺为27.01％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为0.27‰，过硫酸铵为0.18‰，聚丙烯酸为5.43‰，铁氰化钾0.18‰，水余量。
其制备方法为：室温下，按比例称取各原料，并将其混合均匀，即得环空封堵剂。
将所述的环空封堵剂用于井下封堵模拟，具体过程为：将环空封堵剂倒入固井水泥环微裂缝封堵剂封堵能力评价装置，封堵剂的挤入压差允许设定在10MPa，仪器的加热控制装置可以将水泥环微裂缝温度设定在50℃，通过控制环空封堵剂中缓聚剂的不同加量可以实现环空封堵剂在不同时间内在水泥芯微裂缝中成胶封堵，该实施例成胶时间控制在30h，实验测试形成的凝胶可以封堵住5～10MPa的环空压差，解决环空微裂缝中的水窜问题。
环空封堵剂的加入量为V＝l·h·w，其中：V—环空封堵剂用量，m3；l—裂缝行程，m；h—裂缝有效开度，m；w—裂缝宽度，m。环空封堵剂与微裂缝中的碱性物质接触实现增稠能够滞留在微裂缝中受到热引发的作用，在控制的时间范围内(0.5h～30h)封堵剂在微裂缝中成胶。

Claims (5)

1.一种固井中水泥环微裂缝封堵用环空封堵剂，其特征在于，以质量比计，其原料组成为：丙烯酰胺26.90％～27.12％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.24‰～0.31‰，过硫酸铵0.16‰～0.20‰，聚丙烯酸5.06‰～5.60‰，铁氰化钾0.09‰～0.27‰，水余量。
2.根据权利要求1所述的一种固井中水泥环微裂缝封堵用环空封堵剂，其特征在于，以质量比计，其原料组成为：丙烯酰胺27.01％，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺0.27‰，过硫酸铵0.18‰，聚丙烯酸5.43‰，铁氰化钾0.18‰，水余量。
3.一种权利要求1或2所述的固井中水泥环微裂缝封堵用环空封堵剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在室温下按比例称取丙烯酰胺，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，过硫酸铵，聚丙烯酸，铁氰化钾溶于水混合制得环空封堵剂。
4.一种井下封堵模拟过程，其特征在于，采用权利要求1或2所述的环空封堵剂，其具体步骤为：使用固井水泥环微裂缝封堵能力评价装置，在挤入压差5～10MPa条件下，将环空封堵剂挤入加热范围允许在50℃～90℃的水泥环微裂缝中，挤入后成胶时间控制在0.5h～30h，反应结束后，封堵剂在缝内聚合成胶，封堵住微裂缝。
5.根据权利要求4所述的一种井下封堵模拟过程，其特征在于，环空封堵剂的加入量为V＝l·h·w，其中：V—环空封堵剂用量，m3；l—裂缝行程，m；h—裂缝有效开度，m；w—裂缝宽度，m。
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