CN110551490A - 一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物及其制备方法和凝胶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田化学技术领域的一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物及其制备方法和凝胶；所述用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物,包含重量份数计的以下组分：水100份，阳离子烯基单体10～20份，阴离子烯基单体5～20份，玻璃纤维10～30份，交联剂0.01～1份，增粘剂0.5～5份，引发剂0.01～1份；使用本发明的组合物及方法，可提高凝胶本体强度，增强凝胶的抗压差驱动能力，强化凝胶对地层流体的阻隔以及对漏层的封堵。

Description

一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物及其制备 方法和凝胶

技术领域

本发明涉及油田化学技术领域，更进一步说，涉及一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物及其制备方法和凝胶。

背景技术

井漏一直是困扰国内外石油勘探开发的重大工程技术难题，尤其是恶性漏失，严重威胁到钻井安全，极大阻碍钻井施工继续进行。一般对于恶性井漏，常规的桥接堵漏材料、高失水堵漏材料、无机胶凝堵漏剂、软硬塞堵漏材料等不足以有效应对。

近年来，凝胶作为一种新型的堵漏材料受到人们的重视。凝胶是一类半固态粘弹体，具有稳定的相界面，抗稀释能力强；可变形性好，能广泛适应不同尺寸和形状的孔喉或缝隙，对地层流体起到较好的封隔作用；与地层表面有较好的粘附性，流动阻力大，滞留效果好。因此，凝胶应用于钻井堵漏前景广阔。但是，普通凝胶力学性能很弱，抗压能力差且易碎，难以独立满足堵漏需求。提高凝胶强度，能够强化凝胶对地层流体的阻隔以及对漏失层的封堵。

文献(Adv.Funct.Mater.Energy-Dissipative Matrices EnableSynergisticToughening in Fiber Reinforced Soft Composites，2017，27，1605350)公开了以玻璃纤维编织物为骨架，在玻璃纤维编织物基础上通过光引发聚合制备了一种苯乙烯磺酸钠-丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵两性共聚物水凝胶，相比纯共聚物凝胶强度大幅提高。但是，如果将该凝胶体系应用在钻井堵漏作业中，存在一些问题：(1)文献制备得到的凝胶材料尺寸取决于纤维编织物尺寸，而注入地层的井下交联凝胶往往无定形且体积巨大，能够匹配的纤维编织物不存在；(2)文献中对纤维编织物使用了固定夹具，若不使用夹具则编织物无法悬浮于凝胶基液，而注入地层的井下交联凝胶不可能使用固定夹具；(3)光聚合方法在钻井堵漏中不具备可操作性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物及其制备方法，具体地说涉及一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物及其制备方法和凝胶。使用本发明的组合物及方法，可提高凝胶本体强度，增强凝胶的抗压差驱动能力，强化凝胶对地层流体的阻隔以及对漏层的封堵。

本申请目的之一是提供一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物,可包含重量份数计的以下组分：

优选地，所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物包含重量份数计的以下组分：

其中，

阳离子烯基单体进一步优选17～20份；

阴离子烯基单体进一步优选13～16份；

交联剂进一步优选0.03～0.3份，更优选0.06～0.12份；

引发剂进一步优选0.04～0.3份，更优选0.06～0.12份；

玻璃纤维根据实际情况，可进一步优选25～30份。

所述阳离子烯基单体可选自丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中的至少一种，优选丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

所述阴离子烯基单体可选自苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、乙烯基磺酸钠中的至少一种，优选苯乙烯磺酸钠。

所述玻璃纤维为100～400目，优选300～400目，具体可使用E-玻璃纤维；采用该规格的纤维，有利于在体系中稳定分散。现有技术中玻璃纤维一般被用作普通桥接堵漏材料，在本申请中玻璃纤维用于提高凝胶堵漏材料的强度。

所述交联剂可选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯中的至少一种，优选N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯，最优选N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。

所述增粘剂可选自聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钾、聚阴离子纤维素中的至少一种，优选聚阴离子纤维素。

所述引发剂可选自过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁基咪唑啉盐、偶氮异丁基甲酰胺、叔丁基过氧化氢、过氧化氢异丙苯中的至少一种，优选过硫酸铵、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮异丁基甲酰胺、叔丁基过氧化氢中的至少一种。

其中，阳离子烯基单体与阴离子烯基单体同时存在，使材料呈现两性特征；玻璃纤维增强材料强度；交联剂用来形成材料结构；增粘剂用来悬浮玻璃纤维；引发剂用来引发单体聚合反应形成凝胶材料。

本发明目的之二是提供所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物的制备方法，可包括以下步骤：

将包含阳离子烯基单体、阴离子烯基单体、交联剂、引发剂、增粘剂、玻璃纤维在内的组分加入水中，搅拌均匀即得。

优选的，所述方法可包括以下步骤：

将包含阳离子烯基单体、阴离子烯基单体、交联剂、引发剂在内的组分加入水中，搅拌；加入增粘剂，搅拌；加入玻璃纤维，搅拌；即得所述组合物。

本发明目的之三是提供所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物制备的凝胶。所述凝胶由所述组合物加热反应而得，加热温度范围为30～120℃，优选温度范围为40～100℃。

通过本发明的方法制备的井下交联复合凝胶可用于钻井堵漏领域，尤其适用于石油钻井恶性漏失堵漏。

本发明通过构建两性共聚物-玻璃纤维复合网络得到高强度凝胶；在本发明的凝胶中，引入的细玻璃纤维与带密集电荷的聚两性电解质通过离子键增强相互作用，提高凝胶强度；所述玻璃纤维尺寸为100～400目，比表面积大，此外凝胶基液中含有增粘剂，具有较大的体系粘度，因此玻璃纤维可在凝胶基液中悬浮并均匀分散；组合物可进入漏失通道在地层温度作用下反应形成高强度凝胶段塞，有助于提高堵漏成功率；而且制备容易，具有经济适用性，适用于钻井堵漏现场施工。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。但本发明不受这些实施例的限制。

实施例中使用化学原料均为市售。

实施例1

将19.4g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、0.03g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.2g过硫酸铵加入100g水中，搅拌充分溶解，加入2.0g聚阴离子纤维素，搅拌充分溶解，加入20g细玻璃纤维(400目，乐山市川维新材料有限公司)，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于70℃下反应2小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.8Mpa。

实施例2

将19.4g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、15.8g甲基丙烯磺酸钠、0.1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.1g偶氮二异丁基脒盐酸盐加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚阴离子纤维素，搅拌充分溶解，加入15g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于90℃下反应1小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为1.2Mpa。

实施例3

将15.6g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、0.05g二乙烯基苯、0.2g偶氮二异丁基咪唑啉盐加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚丙烯酸钾，搅拌充分溶解，加入20g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于50℃下反应3小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.7Mpa。

实施例4

将15.6g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、6.9g乙烯基磺酸钠、0.02g二甲基丙烯酸乙二醇酯、0.15g过硫酸钾加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚丙烯酰胺，搅拌充分溶解，加入15g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于80℃下反应3小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.7Mpa。

实施例5

将9.7g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、4.0g二甲基二烯丙基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、0.03g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.06g偶氮二异丁基脒盐酸盐加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚阴离子纤维素，搅拌充分溶解，加入25g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于60℃下反应3小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.9Mpa。

实施例6

将19.4g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、7.9g甲基丙烯磺酸钠、0.1g二乙烯基苯、0.06g偶氮异丁基甲酰胺加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚阴离子纤维素，搅拌充分溶解，加入30g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于90℃下反应2小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为1.3Mpa。

实施例7

将15.6g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、6.9g乙烯基磺酸钠、0.04g二甲基丙烯酸乙二醇酯、0.25g叔丁基过氧化氢加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚丙烯酸钾，搅拌充分溶解，加入20g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系转入密闭容器，置于100℃下反应3小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.7Mpa。

实施例8

将9.7g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、8.1g二甲基二烯丙基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、0.1g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.15g过氧化氢异丙苯加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚丙烯酰胺，搅拌充分溶解，加入15g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系转入密闭容器，置于120℃下反应3小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.6Mpa。

对比例1

将19.4g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.03g N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.2g过硫酸铵加入100g水中，搅拌充分溶解，加入2.0g聚阴离子纤维素，搅拌充分溶解，加入20g细玻璃纤维，搅拌充分分散，最后，将混合体系置于70℃下反应2小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.3Mpa。

对比例2

将19.4g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、5.2g苯乙烯磺酸钠、7.9g甲基丙烯磺酸钠、0.1g二乙烯基苯、0.06g偶氮异丁基甲酰胺加入100g水中，搅拌充分溶解，加入1.5g聚阴离子纤维素，搅拌充分溶解，将混合体系置于90℃下反应2小时形成凝胶。得到的凝胶压缩强度(70％应变)为0.1Mpa。

性能测试

测试方法参考现有技术文献(Macromolecules 2006,39,1898-1905，J.Mater.Chem.A,2013,1,7433–7443)中的方法。

压缩强度试验

将通过以上实施例及对比例的方法制备的凝胶制成的圆柱形胶块，使用万能材料试验机进行凝胶压缩性能测试，定义凝胶压缩形变70％时的强度为其压缩强度。试验结果如表1所示：

表1

实施例/对比例	压缩强度(MPa)
		实施例1	0.8
实施例2	1.2
		实施例3	0.7
实施例4	0.7
		实施例5	0.9
实施例6	1.3
		实施例7	0.7
实施例8	0.6
		对比例1	0.3
对比例2	0.1

封堵强度试验

将通过以上实施例的方法制备的组合物反应成胶于下部具有裂缝的金属圆筒容器中，凝胶长度10cm。使用氮气对容器上部加压以推动凝胶下行，至其从裂缝中被挤出时，记录此时所使用的氮气压力/凝胶塞长度，并将其定义为封堵强度。试验结果如表2所示：

表2

由表1和表2可见，未加入阴离子烯基单体的对比例1以及未加入玻璃纤维的对比例2其所得到的凝胶压缩强度以及封堵强度相对较低，在组分中同时具备阴阳离子单体、加入玻璃纤维对凝胶的本体强度和封堵性能有着重要的影响。

Claims (10)

1.一种用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物,包含重量份数计的以下组分：

2.根据权利要求1所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物，其特征在于包含重量份数计的以下组分：

3.根据权利要求1或2所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物，其特征在于：

所述阳离子烯基单体选自丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物，其特征在于：

所述阴离子烯基单体选自苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、乙烯基磺酸钠中的至少一种。

5.根据权利要求1或2所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物，其特征在于：

所述玻璃纤维为100～400目，优选300～400目。

6.根据权利要求1或2所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物，其特征在于：

所述增粘剂选自聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钾、聚阴离子纤维素中的至少一种。

7.根据权利要求1或2所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物，其特征在于：

所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁基咪唑啉盐、偶氮异丁基甲酰胺、叔丁基过氧化氢、过氧化氢异丙苯中的至少一种；

所述交联剂选自N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯中的至少一种。

8.根据权利要求1～7之任一项所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物的制备方法，包括以下步骤：

将包含阳离子烯基单体、阴离子烯基单体、交联剂、引发剂在内的组分加入水中，搅拌；加入增粘剂，搅拌；加入玻璃纤维，搅拌；即得。

9.根据权利要求1～7之任一项所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物制备的凝胶。

10.根据权利要求9所述的用于制备井下交联复合凝胶堵漏材料的组合物制备的凝胶的制备方法，其特征在于，所述凝胶由所述组合物加热反应而得，加热温度范围为30～120℃，优选温度范围为40～100℃。