CN113122206A - 一种钻井液用温控刚性膨胀堵漏工作液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井液防漏堵漏技术领域中的一种用于裂缝性漏层的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液。包括堵漏基浆为100重量份，温控刚性膨胀堵漏剂5~10重量份、刚性颗粒10~20重量份、弹性颗粒4~10重量份、片状材料2~5重量份、纤维材料0.2~0.4重量份通过优化各组成功能和粒径复配而成。以温控型刚性膨胀材料为核心，在漏失通道处由温度感应激发产生形变而架桥和堵塞，协同不同粒径和形状的刚性封堵材料和弹性封堵材料，形成自适应能力强、抗温高、承压能力强、漏失量低的强力链网络结构致密承压封堵层，封堵3~5mm大开度的裂缝性漏失，其激活温度70℃~100℃可调节，承压能力≥20MPa，漏失量≤100mL。
Description
技术领域：
本发明属于石油钻井工程防漏堵漏新技术领域，具体涉及一种钻井过程中钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液。
背景技术：
井漏是指在钻井、固井、测试等井下作业过程中，井筒工作液(包括钻井液、水泥浆、完井液等)在压差作用下漏入地层的现象。
目前，处理裂缝性漏失最有效的方法是桥接堵漏法。桥接堵漏法严重依赖于对地层漏失通道的掌握情况以及对材料的合理复配情况，传统的桥接堵漏材料不具备自适应特性。随着石油钻井不断向信息化、智能化、自动化阶段发展，智能新材料将不断应用于钻井方面。热致感应型形状记忆聚合物是智能材料中的一类，具有可恢复形变量大、强度高及响应速度快等优点。利用形状记忆材料制备温控型刚性膨胀堵漏剂，当达到激活温度后发生膨胀、伸展，实现形状恢复，在裂缝中成功架桥封堵，根据井底温度实现温敏智能化堵漏，有利于快速、高效地构建致密承压封堵层。
目前发表的关于形状记忆堵漏材料的专利，如中国专利(专利号：CN106554763)公布了一种堵剂包括形状记忆颗粒和堵漏浆液，且所述形状记忆颗粒中包括形状记忆聚合物和纤维混合物，堵漏浆液为水泥浆堵漏液，未涉及形状记忆聚合物堵漏剂在钻井过程中处理钻井液漏失的应用，堵漏浆液堵漏材料类型少，承压堵漏效果有限。
中国专利(公开号：CN 108239531)公布了一种由形状记忆泡沫、纤维状堵漏材料、填充材料和悬浮稳定剂组成的堵漏剂，未介绍形状记忆材料的激活温度，未进行裂缝封堵效果评价。
中国专利(公开号：CN 101428995)基于形状记忆合金制备的一种水泥基智能堵漏材料，该材料由Cu-Zn-Al形状记忆合金、短切棉纤维、柠檬酸和硅酸盐水泥组成。制备成5～15mm粒径的球状核壳结构的水泥基智能堵漏材料。该堵漏材料在水泥浆堵漏中使用，未涉及钻井液漏失时使用，且形状记忆合金成本高，成球工艺成功率低、存储中外观容易开裂失效，漏失量相对较大，且粒径较大，适应范围较窄，不适合随钻防漏堵漏工艺需求。
中国专利(公开号：CN 109517588A)公开了一种温控形状记忆堵漏剂及制备方法。形状记忆颗粒包括：中空高弹泡沫海绵和其涂敷的温敏型形状记忆聚合物；温敏型形状记忆聚合物的含量为形状记忆颗粒的20-99.99wt％；形状记忆颗粒的粒径小于或等于8mm，添加到固井水泥浆中，被适宜的井下温度升高环境激发，膨胀数倍体积，利用体积位阻效应，起到封堵岩石裂隙的目的，抗聚合物型的形状记忆材料封堵能力较强，但承压能力相对不足。
所以，现有的聚合物型形状记忆堵漏剂激活温度不明或激活温度低，承压能力低，而合金型形状记忆堵漏剂粒径较大，成球工艺复杂、适应范围较窄，也不适合随钻防漏堵漏；同时缺乏相应配套的堵漏液配方及其裂缝性封堵效果，以及形状记忆堵漏剂在钻井堵漏中的现场实践应用。
发明内容：
本发明针对现有技术存在的问题，提出一种以不同粒径范围的形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂为核心，与刚性颗粒、弹性颗粒、片状材料和纤维材料等协同作用构建一种适合裂缝性漏失的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，在尽量降低成本的同时，使其可在漏失通道中自适应孔隙裂缝尺寸而架桥封堵，提高堵漏液抗温性和承压能力，同时以不同粒径的温控堵漏剂制备的堵漏工作液可满足现场各种堵漏工艺需求，提高现场推广应用率。
一种钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，按照重量份包括：
堵漏基浆为100份、温控刚性膨胀堵漏剂5～10份、刚性颗粒10～20份、弹性颗粒4～10份、片状材料2～5份、纤维材料0.2～0.4份。
所述堵漏基浆为质量百分比4％的膨润土浆与常用质量百分比0.4％的抗高温增粘聚合物和磺酸盐聚合物降滤失剂组成。
所述的温控刚性膨胀堵漏剂为形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂或形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂中的一种或其混合物。
所述的形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂包括形状记忆聚氨酯、形状记忆聚乳酸和形状记忆交联氯乙烯中的任意一种或几种；激活温度70～100℃之间调节，密度1.1～1.2g/cm3，粒径包括≤1mm、3～7mm和≥7mm，激活前为厚度为1～3mm的片状颗粒，激活后膨胀为厚度为5～6mm的立方体近球状，高温高压下膨胀率≥30％，抗压强度≥20MPa。
所述的形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂，包括形状记忆合金12～30重量份、耐高温膨胀树脂3～6重量份、补偿收缩胶凝颗粒45～90重量份、改性剂1～2重量份、粘接剂7～15重量份，复合而成的球形或片状刚性堵漏剂，具有延迟膨胀性，膨胀量大，自适应强；抗压≥45.6MPa；抗温≥250℃。
所述的刚性颗粒包括方解石、石灰石、碳酸钙中的一种或几种。
所述的弹性颗粒包括弹性石墨、弹性橡胶中的一种或几种。
所述的片状材料包括云母片、玻璃鳞片中的一种或几种。
所述的纤维材料包括聚丙烯纤维、聚酯纤维、无机纤维中的一种或几种。
本发明的有益效果是：
本发明制备的温控型刚性膨胀堵漏工作液，由温控刚性膨胀堵漏剂、刚性颗粒、弹性颗粒、片状材料和纤维材料组成。其中温控刚性膨胀堵漏剂是该体系的核心处理剂，以温度感应控制形变，进入漏层中达到激活温度后，变形膨胀，体积增大，在并具有良好抗压强度，可在裂缝中自适应架桥封堵和填充。刚性颗粒具有较高的弹性模量，抗压强度高，封堵层接触应力大，有利于形成易形成强力链网络结构致密承压封堵层，且酸溶率≥98％，便于储层解堵。弹性颗粒具有较高的弹性变形率，在井底高压条件下，具有较高的适应性，可挤压进一步充填封堵，提高封堵层平均配位数，易形成强力链网络致密承压封堵层。片状材料在裂缝中起到填塞作用，增加封堵层的致密程度。纤维材料具有较高拉伸强度，高长径比，可在封堵层中起到拉筋作用，提高封堵层剪切强度，提高封堵层韧性和整体结构强度，并降低漏失量。
通过复配后协同形成自适应能力强、抗温高、承压能力强、漏失量低的网络链状结构致密承压封堵层，可封堵3～5mm大开度的裂缝性漏失，其承压能力≥20MPa，漏失量≤100mL。
具体实施方式：
下面对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供一种钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其按照重量份包括：
堵漏基浆为100份、温控刚性膨胀堵漏剂5～10份、刚性颗粒10～20份、弹性颗粒4～10份、片状材料2～5份、纤维材料0.2～0.4份。
其中，堵漏基浆为4％膨润土浆与常用0.4％抗高温增粘聚合物和磺酸盐聚合物降滤失剂组成，具有一定的粘度和切力，保证对堵漏材料的悬浮携带能力。
所述的温控刚性膨胀堵漏剂为形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂或形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂中的一种或其混合物。
所述形状记忆聚合物堵漏剂，包括形状记忆聚氨酯、形状记忆聚乳酸和形状记忆交联氯乙烯等中的任意一种或几种。激活温度70～100℃可调节，密度1.1～1.2g/cm3，粒径≤1mm，3～7mm和≥7mm，可根据需要调节。激活前为厚度为1～3mm的片状颗粒，激活后膨胀为厚度为5～6mm的立方体近球状，高温高压下膨胀率≥30％，抗压强度≥20MPa。
所述形状记忆温控刚性膨胀堵漏剂为形状记忆合金12份～30份、耐高温膨胀树脂3份～6份、补偿收缩胶凝颗粒45份～90份、改性剂1份～2份、粘接剂7份～15份，复合而成的球形或片状刚性堵漏剂，具有延迟膨胀性，膨胀量大，自适应强；抗压≥45.6MPa；抗温≥250℃。
所述的刚性颗粒为方解石、石灰石、碳酸钙等无机刚性颗粒中的任意一种或几种。
所述的弹性颗粒为弹性石墨、弹性橡胶等弹性颗粒中的任意一种或几种。
所述的片状材料为云母片、玻璃鳞片等中的任意一种或几种。
所述的为纤维材料为聚丙烯纤维、聚酯纤维、无机纤维等有中的任意一种或几种。
实施例1
本实施例提供了一种温控型刚性膨胀堵漏工作液体系，其包括100份的堵漏基浆(4％膨润土浆+0.4％CMC-HV+0.3％DSP-Ⅱ)、2份形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂(粒径1.2～2.0mm，激活温度90℃)、3份形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂(8～40目，激活温度100℃)、10份的刚性碳酸钙堵漏颗粒(10～160目)，4份的弹性石墨堵漏颗粒(20～80目)，2份的云母片状材料(20～80目)，0.3％份的聚丙烯纤维材料。预先配制好堵漏基浆，在搅拌速率为6000r/min条件下，依次加入各堵漏剂，均匀搅拌20min。
实施例2
本实施例提供了一种温控型刚性膨胀堵漏工作液体系，其包括100份的堵漏基浆(4％膨润土浆+0.4％CMC-HV+0.3％DSP-Ⅱ)、3份形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂(粒径2.2～3.0mm，激活温度90℃)、5份的温控刚性膨胀堵漏剂(8～40目，激活温度100℃)，15份的刚性碳酸钙堵漏颗粒(8～160目)，6份的弹性石墨堵漏颗粒(20～160目)，3份的云母片状材料(20～80目)，0.3％份的聚丙烯纤维材料。预先配制好堵漏基浆，在搅拌速率为6000r/min条件下，依次加入各堵漏剂，均匀搅拌20min。
实施例3
本实施例提供了一种温控型刚性膨胀堵漏工作液体系，其包括100份的堵漏基浆(4％膨润土浆+0.4％CMC-HV+0.3％DSP-Ⅱ)、3份形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂(粒径2.2～3.0mm，激活温度90℃)、7份的温控刚性膨胀堵漏剂(8～40目，激活温度100℃)，18份的刚性碳酸钙堵漏颗粒(8～160目)，8份的弹性石墨堵漏颗粒(20～160目)，4份的云母片状材料(20～80目)，0.4％份的聚丙烯纤维材料。预先配制好堵漏基浆，在搅拌速率为6000r/min条件下，依次加入各堵漏剂，均匀搅拌20min。
实施例4
一种记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂，其按照重量份包括：
形状记忆合金12份～30份、耐温膨胀树脂3份～6份、补偿收缩胶凝颗粒45份～90份、改性剂1份～2份、粘接剂7份～15份。其中：
所述形状记忆合金为Ti合金、Cu合金和Fe合金。
所述耐温膨胀树脂为吸水树脂SAP、有机硅改性环氧树脂、交联聚乙烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氨酯中的一种或其混合物。
优选的所述耐温膨胀树脂为吸水树脂SAP和有机硅改性环氧树脂混合物。
所述可补偿收缩胶凝颗粒为硫铝酸盐胶凝颗粒、铁铝酸盐胶凝颗粒中的一种或其混合物。
所述硫铝酸盐胶凝颗粒为快硬硫铝酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥中的一种或其混合物。
所述铁铝酸盐胶凝颗粒为快硬铁铝酸盐水泥、高强铁铝酸盐水泥、自应力铁铝酸盐水泥中的一种或其混合物。
所述可补偿收缩胶凝颗粒为膨胀硫铝酸盐胶凝颗粒熟料，其重量百分比化学组成为：Cao(34％～38％),Al2O3(26％～32％),SiO2(11％～15％),SO3(12％～16％),Fe2O3(3％～4％)。
所述改性剂为硫硅酸钙、乙二胺四甲叉膦酸钙和乙二胺四甲叉膦酸钠中的一种或其混合物。
所述粘接剂为聚碳酸醋、二水硫酸钙、葡萄糖酸、柠檬酸、硼酸、烷基磷酸脂、酒石酸和酒石酸钾中的一种或其混合物。
所述的记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂形状为球形，近球形或片状，直径形成2mm～5mm，5mm～10mm，10mm～15mm系列。
一种形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂的制备方法是，将48g硫铝酸盐胶凝颗粒、1g硫硅酸钙及7g二水硫酸钙混合均匀，粉末为比表面积为320m2/kg颗粒；称取将2g吸水树脂SAP和2g有机硅改性环氧树脂混合均匀；将12g的热处理后的TiNi合金缠绕制成内径1.2，螺距2.3的螺旋状，并在75℃环境下，向其表面喷涂聚碳酸醋，喷涂均匀后将树脂混合物喷涂其上，30℃～50℃温度环境下养护2h；向养护后的样品喷涂聚碳酸醋，在制得的改性硫铝酸盐胶凝颗粒中滚动成球，表面喷洒3.25％硫酸铝水溶液，室温养护48h，制成直径为2mm～4mm球状或类球状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂。
实验测试例
本实验例对实施例的产品性能及应用效果进行说明。
1.温控型刚性膨胀堵漏剂抗压强度评价
称取100g温控型膨胀复合堵漏材料，通过筛分法确定受压前样品D90值，量取30mL样品转移至模具中，轻轻震荡压实，利用压力机加压20MPa模拟裂缝闭合应力，加压10min后释放压力，静置10min后取出样品，通过筛分法确定受压后堵漏材料的D90值，以粒度降级率SC为评价指标，评价复合堵漏材料的抗压强度。
式中：
SC——颗粒粒度降级率，％；
D(90)——颗粒受压前粒度特征参数，μm；
D′(90)——颗粒受压后粒度特征参数，μm。
表1温控刚性膨胀复合堵漏材料抗压强度
| 堵漏配方 | D90降级率/％ | 破碎率/％ |
| 实施例1 | 12.3 | 5.2 |
| 实施例2 | 11.8 | 4.6 |
| 实施例3 | 12.6 | 4.9 |
由上表可知，温控刚性膨胀复合堵漏材料D90降级率和破碎率均较低，有较大的抗压强度，能承受井底高压作用实现封堵效果。
2.裂缝封堵实验评价
测试方法：采用GB-T 29170-2012，石油天然气工业钻井液性能测试。
实验浆配制及测试：利用长裂缝封堵模拟实验装置，配置2L堵漏基浆，将实施例1～实施例3倒入封堵装置钻井液釜体中，装入长1m的不同开度的裂缝模块，加温至150℃，加压开始裂缝封堵实验，测试实施例对3～5mm开度楔形裂缝的封堵性能。
表2温控型刚性膨胀堵漏工作液体系裂缝封堵性能
本发明的温控刚性膨胀堵漏工作液体系，能在150℃高温环境下封堵3～5mm的大开度裂缝。提高了工作液对裂缝封堵承压能力，降低工作液漏失量，其承压能力≥20MPa，漏失量≤100mL。
Claims (9)
1.一种钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于按照重量份包括：
堵漏基浆为100份、温控刚性膨胀堵漏剂5~10份、刚性颗粒10~20份、弹性颗粒4~10份、片状材料2~5份、纤维材料0.2~0.4份。
2.根据权利要求1所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述堵漏基浆为质量百分比4%的膨润土浆与常用质量百分比0.4%的抗高温增粘聚合物和磺酸盐聚合物降滤失剂组成。
3.根据权利要求1所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的温控刚性膨胀堵漏剂为形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂或形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂中的一种或其混合物。
4.根据权利要求3所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的形状记忆聚合物型温控刚性膨胀堵漏剂包括形状记忆聚氨酯、形状记忆聚乳酸和形状记忆交联氯乙烯中的任意一种或几种；激活温度70~100℃之间调节，密度1.1~1.2g/cm3，粒径包括≤1mm、3~7mm和≥7mm，激活前为厚度为1~3mm的片状颗粒，激活后膨胀为厚度为5~6mm的立方体近球状，高温高压下膨胀率≥30%，抗压强度≥20MPa。
5.据权利要求3所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的形状记忆合金型温控刚性膨胀堵漏剂，包括形状记忆合金12 ~30重量份、耐高温膨胀树脂3 ~6重量份、补偿收缩胶凝颗粒45 ~90重量份、改性剂1 ~2重量份、粘接剂7 ~15重量份，复合而成的球形或片状刚性堵漏剂，具有延迟膨胀性，膨胀量大，自适应强；抗压≥45.6MPa；抗温≥250℃。
6.根据权利要求1-5任一所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的刚性颗粒包括方解石、石灰石、碳酸钙中的一种或几种。
7.根据权利要求1-5任一所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的弹性颗粒包括弹性石墨、弹性橡胶中的一种或几种。
8.根据权利要求1-5任一所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的片状材料包括云母片、玻璃鳞片中的一种或几种。
9.根据权利要求1-5任一所述的钻井液用温控型刚性膨胀堵漏工作液，其特征在于，所述的纤维材料包括聚丙烯纤维、聚酯纤维、无机纤维中的一种或几种。
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