CN112480887A - 一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，由以下重量份的原料组成：去离子水100份，纤维素3‑8份，非离子单体8‑12份，阳离子单体3‑5份，增韧交联剂1‑3份，引发剂0.02‑0.04份，pH调节剂1‑3份；所述阳离子单体为4‑乙烯吡啶、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中的任意一种；同时，本发明还公开所述温敏型堵漏剂的制备方法。本发明提供的温敏型凝胶堵漏剂，能随地层温度场变化而改变自身相态特征，在注入地层前为易流动的液体，注入地层后，发生交联转变为具有强粘附性和弹性特征的固态堵漏剂，实现对漏失通道的有效堵漏，且承压较高，防止地层重复漏失，交联效果可逆。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井堵漏剂技术领域，具体涉及一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂及其制备方法。
背景技术
钻井井漏是钻井过程中常见的井下复杂情况之一，随着油气勘探开发的不断深入，在钻进破碎或弱胶结地层、裂缝发育地层及多套压力地层时，极易出现井漏现象，而裂缝性地层引起的恶性漏失是众多井漏情况中影响最严重的一类，它不仅会耗费钻井时间，损失泥浆，而且有可能引起卡钻、井喷、井塌等一系列复杂情况，甚至导致井眼报废，造成重大经济损失。凝胶堵漏技术是控制裂缝性恶性井漏的常用且有效技术之一，该技术通过向漏失层位注入一定量的凝胶堵漏剂溶液，固化后将裂缝封堵，起到隔离钻井液与地层流体的作用。与常规堵漏剂相比，凝胶堵漏剂具有较好的连续性和可变形性，能良好地匹配地层裂缝性、孔隙性甚至溶洞性等漏失层。温度敏感型凝胶是指受温度影响凝胶的结构变化导致其相态转变的一类凝胶，温度响应性聚合物的重要特征是具有相分离的临界温度，即聚合物溶液低于某一特定温度是单相，而高于此温度开始出现相分离，则此聚合物具有低临界溶液温度（LCST），反之，则具有高临界溶液温度（UCST）。目前凝胶堵漏剂主要为交联聚合物，或与水泥浆、桥塞颗粒复配使用。然而，交联聚合物堵漏剂自身也存在一定的局限性：一方面堵漏剂的强度不高，承压能力较低，不能有效隔断恶性漏失通道；另一方面，受到地层中温度、pH值等因素的影响，堵漏剂性能影响较大，导致现场施工时难以调控堵漏剂性能及达到堵漏效果。将温度响应型聚合物引入到钻井堵漏领域，以地层温度为响应条件，触发温敏型聚合物发生相态转变，形成强度较高的凝胶堵漏剂，是凝胶堵漏技术的一种新尝试。
目前，针对堵漏剂的相关研究和发明已有不少成果，但各类产品的作用功能和效能均不同。如专利CN105778874A公开了一种井下交联凝胶堵漏剂，该堵漏剂由高分子聚合物聚丙烯酰胺、交联剂、甘蔗渣、锯末、聚合物弹性体等材料制成，但其主要以聚合物材料为主形成的一种聚合物弹性体堵漏剂；专利CN107513134A利用甲醛、三聚氰胺和磺化剂进行反应得到中间产物，在引发剂的作用下将所述中间产物、乙烯基单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和无机材料反应，得到凝胶堵漏剂；在漏失通道内反应，将漏失通道和堵漏剂胶结为一个整体，通过控制时间而达到反应的目的；专利CN 105504158 A公开了一种在地层条件下可再交联的智能凝胶颗粒及其制备方法与应用，该智能凝胶颗粒是由丙烯酞胺，阴离子单体，阳离子单体，N, N一乙烯基毗咯烷酮，pH值调节剂，引发剂，交联剂Ⅰ，交联剂Ⅱ，稳定剂，纳米颗粒材料和水配制而成。所述智能凝胶颗粒进入地层后可再次交联形成整体化凝胶，可用于油田调剖堵水、滤失控制和/或钻完井堵漏作业中；专利CN106381138A利用丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺中的一种或多种作为非离子单体，丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的一种或多种作为阴离子单体，二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、3-丙烯酰胺丙基氯化铵中的一种或多种作为阳离子单体，黄原胶、羟乙基纤维素中的一种或多种作为生物多糖组分，引发剂为4,4'-偶氮(4-氰基戊酸)、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁基咪唑啉盐酸盐合成的高承压无交联堵漏剂。但是，上述堵漏剂均是在一定条件下交联后形成凝胶，形成的凝胶在降温后不可逆。
目前的堵漏剂中，多是在一定条件下形成不可逆的化学交联凝胶，一是在实现温度控制方面存在不足，二是不具备降温后相态恢复的可逆交联效果。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂及其制备方法，所述温敏型凝胶堵漏剂根据漏失层温度条件可调整其相态特征，交联固化后承压能力好，能实现可逆的交联效果。
一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，由以下重量份的原料组成：去离子水100份，纤维素3-8份，非离子单体8-12份，阳离子单体3-5份，增韧交联剂1-3份，引发剂0.02-0.04份，pH调节剂1-3份；
所述阳离子单体为4-乙烯吡啶、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中的任意一种。
优选地，所述非离子单体为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮中的至少一种。
优选地，所述增韧交联剂为纳米二氧化硅或碳纳米管。
优选地，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、亚硫酸氢钠中的任意一种。
优选地，所述纤维素为甲基纤维素、羟基纤维素、羟丙甲基纤维素中的任意一种。
优选地，所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液。
优选地，所述氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液的质量浓度为20%。
优选地，所述阳离子单体为4-乙烯吡啶。
所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将100份去离子水分成三份，分别为75份、20份、5份；
（2）将纤维素溶于75份去离子水中，在室温、200rpm下搅拌20-50min，得到纤维素溶液；
（3）将阳离子单体加入20份去离子水中，500rpm搅拌2-5min，再依次加入非离子单体、增韧交联剂继续搅拌5-8min，升温至55-65℃，然后滴加至所述纤维素溶液中，20-30min滴加完毕，滴加时，保持纤维素溶液在500rpm的转速下搅拌；
（4）向步骤（3）的产物中加入pH调节剂；
（5）将引发剂加入5份去离子水中，得到引发剂溶液，然后将所述引发剂溶液滴加至步骤（4）的产物中，在55-65℃下搅拌反应10-12h，产物分别用乙醇和丙酮洗涤，静置，将得到的沉淀物干燥，研磨粉碎，即可。
优选地，步骤（5）中所述干燥的具体条件为在65-70℃下烘干12-16h。
本发明的优点：
（1）本发明提供的基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，能随地层温度场变化而改变自身相态特征，实现相态变化的效果，在注入地层前为易流动的液体，注入地层后，经过传热达到相变温度后转变成为具有强粘附性和弹性特征的固态堵漏剂，实现对漏失通道的有效堵漏，且承压较高，防止地层重复漏失；
（2）所述温敏型凝胶堵漏剂适用的地层温度范围60-90℃，凝胶相变温度可针对不同地层温度情况进行调整；
（3）所述温敏型凝胶堵漏剂不受地层漏失尺寸的影响，交联固化后强度高，承压提高，孔洞和裂缝承压实验压力可达5MPa以上，在较短时间内封堵漏失层，起到较好的防漏堵漏效果；
（4）所述温敏型凝胶堵漏剂的交联效果可逆，在升温达到相变温度后交联固化成固态凝胶，在降温后，又发生相变转化为液体，具有可逆性。
附图说明
图1实施例1的堵漏剂5%时在相转变温度前后相态变化；
图2实施例2的堵漏剂5%时在相转变温度前后相态变化；
图3实施例3的堵漏剂5%时在相转变温度前后相态变化；
图4对比例1的堵漏剂5%时在相转变温度前后相态变化。
具体实施方式
实施例1
1. 一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，由以下重量份的原料组成：
去离子水100份，
纤维素：甲基纤维素3份，
非离子单体：丙烯酰胺8份，
阳离子单体：丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3份，
增韧交联剂：纳米二氧化硅1份，
引发剂：过硫酸铵0.02份，
pH调节剂：质量浓度为20%的氢氧化钠溶液1份。
2. 所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将100份去离子水分成三份，分别为75份、20份、5份；
（2）将纤维素溶于75份去离子水中，在室温、200rpm下搅拌20min，得到纤维素溶液；
（3）将阳离子单体加入20份去离子水中，500rpm搅拌2min，再依次加入非离子单体、增韧交联剂继续搅拌5min，升温至55℃，然后滴加至所述纤维素溶液中，30min滴加完毕，滴加时，保持纤维素溶液在500rpm的转速下搅拌；
（4）向步骤（3）的产物中加入pH调节剂，调节混合溶液的pH值为10；
（5）将引发剂加入5份去离子水中，得到引发剂溶液，然后将所述引发剂溶液滴加至步骤（4）的产物中，在55℃下搅拌反应10h，产物分别用乙醇和丙酮洗涤，静置，将得到的沉淀物在70℃下烘干干燥12h，研磨粉碎，即可。
实施例2
1. 一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，由以下重量份的原料组成：
去离子水100份，
纤维素：羟基纤维素5份，
非离子单体：N-乙烯基吡咯烷酮12份，
阳离子单体：4-乙烯吡啶3份，
增韧交联剂：纳米二氧化硅2份，
引发剂：亚硫酸氢钠0.03份，
pH调节剂：质量浓度为20%的氢氧化钠溶液3份。
2. 所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将100份去离子水分成三份，分别为75份、20份、5份；
（2）将纤维素溶于75份去离子水中，在室温、200rpm下搅拌50min，得到纤维素溶液；
（3）将阳离子单体加入20份去离子水中，500rpm搅拌5min，再依次加入非离子单体、增韧交联剂继续搅拌8min，升温至60℃，然后滴加至所述纤维素溶液中，20min滴加完毕，滴加时，保持纤维素溶液在500rpm的转速下搅拌；
（4）向步骤（3）的产物中加入pH调节剂，调节混合溶液的pH值为9；
（5）将引发剂加入5份去离子水中，得到引发剂溶液，然后将所述引发剂溶液滴加至步骤（4）的产物中，在60℃下搅拌反应12h，产物分别用乙醇和丙酮洗涤，静置，将得到的沉淀物在65℃下烘干干燥16h，研磨粉碎，即可。
实施例3
1. 一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，由以下重量份的原料组成：
去离子水100份，
纤维素：羟丙甲基纤维素8份，
非离子单体：丙烯酰胺5份、N-异丙基丙烯酰胺5份，
阳离子单体：甲基-丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵5份，
增韧交联剂：碳纳米管3份，
引发剂：过硫酸钾0.04份，
pH调节剂：质量浓度为20%的氢氧化钾溶液2份。
2. 所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将100份去离子水分成三份，分别为75份、20份、5份；
（2）将纤维素溶于75份去离子水中，在室温、200rpm下搅拌30min，得到纤维素溶液；
（3）将阳离子单体加入20份去离子水中，500rpm搅拌3min，再依次加入非离子单体、增韧交联剂继续搅拌5min，升温至65℃，然后滴加至所述纤维素溶液中，30min滴加完毕，滴加时，保持纤维素溶液在500rpm的转速下搅拌；
（4）向步骤（3）的产物中加入pH调节剂，调节混合溶液的pH值为9.5；
（5）将引发剂加入5份去离子水中，得到引发剂溶液，然后将所述引发剂溶液滴加至步骤（4）的产物中，在65℃下搅拌反应12h，产物分别用乙醇和丙酮洗涤，静置，将得到的沉淀物在70℃下烘干干燥16h，研磨粉碎，即可。
对比例1
采用CN 110183579 A专利中实施例1所制备的凝胶堵漏剂。
性能检测
1. 观察法测凝胶的相变温度
将实施例提供的堵漏剂，按照质量浓度5%溶于水中，测定溶液在50-90℃的凝胶相变温度，观察不同温度下堵漏剂的状态，结果见表1。
表1不同实施例凝胶相态随温度变化情况
由表1的实验测试结果可知，实施例1、实施例2、实施例3的凝胶溶液由液态转变为固态的相转变温度分别是75℃、65℃、60℃。
按照质量浓度5%溶于水中，观察相转变温度前后的相态变化，结果见图1-图4。
由图1-4可知，实施例1-3提供的堵漏剂，在相转变温度时，成为固态凝胶，降温低于相转变温度时，又成为液态，其交联过程是可逆的。而现有技术中，对比例1在降温低于相转变温度时，固态凝胶无法再转化为液态，其交联过程不可逆。
2. 孔隙堵漏测试
使用71型高温高压失水仪，选用40-70目石英砂作为评价砂床。将堵漏剂注入到筒中后，调节回压为0.7MPa，测试堵漏凝胶在50-90℃下的击穿压力，结果见表2。
表2孔隙堵漏能力评价实验结果
由观察法和孔隙堵漏评价测试结果可知，本发明所制备的温敏型凝胶堵漏剂在达到相变响应温度以后相态发生变化，且均具有较高的凝胶强度和承压能力，本发明所述纤维素基温敏性凝胶具有随温度升高/降低呈现可逆的相态变化。
Claims (10)
1.一种基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：由以下重量份的原料组成：去离子水100份，纤维素3-8份，非离子单体8-12份，阳离子单体3-5份，增韧交联剂1-3份，引发剂0.02-0.04份，pH调节剂1-3份；
所述阳离子单体为4-乙烯吡啶、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中的任意一种。
2.根据权利要求1所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述非离子单体为丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮中的至少一种。
3.根据权利要求2所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述增韧交联剂为纳米二氧化硅或碳纳米管。
4.根据权利要求3所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、亚硫酸氢钠中的任意一种。
5.根据权利要求4所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述纤维素为甲基纤维素、羟基纤维素、羟丙甲基纤维素中的任意一种。
6.根据权利要求5所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述pH调节剂为氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液。
7.根据权利要求6所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液的质量浓度为20%。
8.根据权利要求7所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂，其特征在于：所述阳离子单体为4-乙烯吡啶。
9.权利要求1-8任一项所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将100份去离子水分成三份，分别为75份、20份、5份；
（2）将纤维素溶于75份去离子水中，在室温、200rpm下搅拌20-50min，得到纤维素溶液；
（3）将阳离子单体加入20份去离子水中，500rpm搅拌2-5min，再依次加入非离子单体、增韧交联剂继续搅拌5-8min，升温至55-65℃，然后滴加至所述纤维素溶液中，20-30min滴加完毕，滴加时，保持纤维素溶液在500rpm的转速下搅拌；
（4）向步骤（3）的产物中加入pH调节剂；
（5）将引发剂加入5份去离子水中，得到引发剂溶液，然后将所述引发剂溶液滴加至步骤（4）的产物中，在55-65℃下搅拌反应10-12h，产物分别用乙醇和丙酮洗涤，静置，将得到的沉淀物干燥，研磨粉碎，即可。
10.根据权利要求9所述基于纤维素的温敏型凝胶堵漏剂的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述干燥的具体条件为在65-70℃下烘干12-16h。
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