CN113185958B - 一种受热可压缩弹性材料及其制备方法与受热可压缩弹性隔离液 - Google Patents

一种受热可压缩弹性材料及其制备方法与受热可压缩弹性隔离液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种受热可压缩弹性材料及其制备方法与受热可压缩弹性隔离液，所述的受热可压缩弹性材料主要应用于深水固井防套管涨损过程；制备步骤：取石蜡、聚乙烯蜡和松香加热，使石蜡混合物处于熔融状态；取无机多孔材料放入熔融态下的石蜡混合物中，搅拌、过滤、风干，得包裹体；高强中空颗粒与包裹体混合，得混合物1；取橡胶粉与混合物1混合得受热可压缩弹性材料。本发明提供的受热可压缩弹性材料与基础隔离液共同组成受热可压缩弹性隔离液，具有很好的减缓环空压强升高的性能，在90℃条件以下可循环性能良好；经25％钻井液污染后，降压性能稍微下降，其循环使用的性能不受影响。受热可压缩弹性隔离液与钻井液、水泥浆的相容性良好。

Description

一种受热可压缩弹性材料及其制备方法与受热可压缩弹性隔 离液
技术领域
本发明属于固井用弹性材料领域，具体涉及一种受热可压缩弹性材料及其制备方法与受热可压缩弹性隔离液。
背景技术
近年来，我国对深水油气资源的的开发越发的重视。随着深水高温高压油气井开发和生产的逐步推进，环空压强上升导致套管破损的问题日益突出。受深水环境及技术的限制，在深水油气井中，固井水泥浆并没有上返到井口，水泥浆在硬化后与井口之间形成圈闭的空间，隔离液等环空流体填充其中。在深水油气井测试和生产阶段，油气液体的温度可达上百摄氏度甚至更高；油气液体在向上运输的过程中，将热量传递到油管、生产套管、技术套管及表层套管之间的隔离液。随着隔离液温度的升高，圈闭环空压强随之升高(Annular Pressure Build-up，简称APB)。APB超过标准值会导致各套管的破裂，严重时可造成重大的生产事故。
常规的隔离液仅为水与隔离剂的简单组合，主要有以下几个方面的缺点：(1)常规隔离液膨胀系数过高，且无体积压缩性，在温度梯度为3～4℃/100米的油气井中，随着井底温度的升高，隔离液很容易受热膨胀而导致套管涨损；(2)常规隔离液与钻井液、水泥浆的相容性较差，当隔离液与钻井液、水泥浆相混时，很容易发生增稠、絮凝及早凝现象，严重阻碍了泵送及固井质量。因此开发一种可降低圈闭环空中压强且与钻井液、水泥浆相容性好的隔离液成为了本技术领域亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种受热可压缩弹性材料及其制备方法，同时提供由受热可压缩弹性材料与基础隔离液共同组成的受热可压缩弹性隔离液，使其在深水油气井环空压强升高的过程中可以减缓环空压强的升高速率与压强值，同时与钻井液、水泥浆相容性良好，达到保护环空套管，保障深水油气井安全生产的目的。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种受热可压缩弹性材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取石蜡、聚乙烯蜡和松香混合得石蜡混合物，并将其加热，使石蜡混合物处于熔融状态；
(2)取无机多孔材料放入步骤(1)所述熔融态下的石蜡混合物中，搅拌、过滤、风干，得包裹体；
(3)高强中空颗粒与步骤(2)所述包裹体混合，得混合物1；
(4)取橡胶粉与混合物1混合得受热可压缩弹性材料。
优选的，步骤(1)中所述石蜡、聚乙烯蜡和松香的比例为100:(5～10):(8～15)；
优选的，步骤(1)所述加热的温度为130～150℃。
优选的，步骤(2)中所述无机多孔材料为多孔陶粒，尺寸分布在3～4毫米；
优选的，步骤(2)所述石蜡混合物与无机多孔材料的质量比为1：(1～2)。
优选的，步骤(2)中所述的搅拌为机械搅拌，搅拌的速率为400～700转/分钟，搅拌的时间为2～6分钟，搅拌时石蜡混合物的温度为70～80℃；
优选的，步骤(2)中所述的过滤为筛网过滤，所述筛网的目数为30～80目；
优选的，步骤(2)中所述的风干为自然风干，风干的温度为25～30℃，风干时间为1～3小时。
优选的，步骤(3)中所述高强中空颗粒为中空的高分子材料，其抗压强度为30～40MPa，高强中空颗粒与包裹体的质量比为1:(1～3)；
优选的，步骤(3)中所述的混合为机械搅拌混合，搅拌速率为100～200转/分钟；
优选的，步骤(4)中所述的混合为机械搅拌混合，搅拌速率为100～300转/分钟。
优选的，步骤(4)中所述的橡胶粉为高弹模丁苯橡胶粉，橡胶粉与混合物1的质量比为1：(1～3)。
上述的制备方法制备的受热可压缩弹性材料。
受热可压缩弹性隔离液，按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.0～2.5份，消泡剂0.5～1.0份，表面活性剂0.3～1.5份，加重剂40～70份，受热可压缩弹性材料10～30份；其中受热可压缩弹性材料为权利要求7中所述的受热可压缩弹性材料。
所述的受热可压缩弹性隔离液中的受热可压缩弹性材料可以在深水油气井环空温度、压强升高的过程中释放出一定的空间，使其可以容纳受热膨胀的体积，以减缓环空压强的升高速率与压强值。
优选的，所述的隔离剂为PC-S32S和黄原胶，两者的比例为3:(1～3)；
优选的，所述的消泡剂为PC-X62L。
优选的，所述的加重剂为重晶石，粒度为250～350目；
优选的，所述的表面活性剂为AR-812。
本发明的受热可压缩弹性隔离液，其使用时通过井口灌入，并返浆到深水油气井的套管环空中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的受热可压缩弹性隔离液，性质稳定，在深水油气井的生产过程中，随着温度、压强的升高，受热可压缩弹性隔离液可以释放一定的空间，使其可以容纳受热膨胀的体积，以减缓环空压强的升高速率与压强值，避免了环空套管的涨损，保证深水油气井的安全生产。本发明的受热可压缩弹性隔离液与钻井液、水泥浆相容性良好，制作工艺简单，操作便捷，效果显著，适合大量生产。
附图说明
图1a为实施例1空白隔离液50℃循环实验温压变化曲线；
图1b为实施例1受热可压缩弹性隔离液50℃循环实验温压变化曲线；
图2a为实施例2空白隔离液75℃循环实验温压变化曲线；
图2b为实施例2受热可压缩弹性隔离液75℃循环实验温压变化曲线；
图3a为实施例3空白隔离液90℃循环实验温压变化曲线；
图3b为实施例3受热可压缩弹性隔离液90℃循环实验温压变化曲线；
图4a为实施例4空白隔离液90℃循环实验温压变化曲线；
图4b为实施例4受热可压缩弹性隔离液受25％钻井液污染90℃循环实验温压变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体地描述，但本发明的实施方式和保护范围不限于以下实施例。
实施例1
受热可压缩弹性材料的制备方法包括如下步骤：
(1)取石蜡、聚乙烯蜡和松香按100:7:10的比例放于烧杯中，并将其置于烘箱中140℃加热6小时，使石蜡混合物处于熔融状态；
(2)取无机多孔材料陶粒放入熔融态下的石蜡混合物中，陶粒与石蜡混合物的质量比为1.5:1，75℃下以550转/分钟的速度进行机械搅拌，搅拌时间为5分钟，经60目的筛网过滤，在25℃下自然风干3小时，得包裹体；
(3)取漂珠与包裹体按1:1的比例以200转/分钟的速率机械搅拌混合，搅拌时间为8分钟，得混合物1；
(4)取丁苯橡胶粉与混合物1按1:3比例以300转/分钟的速率机械搅拌混合，搅拌时间为10分钟，得受热可压缩弹性材料。
受热可压缩弹性隔离液，其组成按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.8份(其中PC-S32S和黄原胶的比例为3:2)，消泡剂0.6份，表面活性剂0.9份，加重剂50份，受热可压缩弹性材料24份。其中，消泡剂为PC-X62L，表面活性剂为AR-812，加重剂为重晶石，粒度为300目。
在受热可压缩弹性隔离液的配置过程中，先将隔离剂、消泡剂及表面活性剂一并放入水中，500r/min搅拌1小时；待其充分水化后，向溶液中一并加入重晶石和受热可压缩弹性材料，1800r/min搅拌5分钟，待其搅拌均匀即形成受热可压缩弹性隔离液。
空白隔离液不添加受热可压缩弹性材料，其它组份与受热可压缩弹性隔离液相同；制备方法也相同。
将所配置的受热可压缩弹性隔离液放入高温增压稠化仪养护3个小时，随后将其放入超声波静胶凝强化分析仪(UCA)进行温压循环实验。取空白隔离液也进行相同的温压循环实验，温度最高设定值为50℃，升温速率为2℃/min，编号为实施例1。
实施例2
受热可压缩弹性材料的制备方法与实施例1中一致。
受热可压缩弹性隔离液，其组成按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.8份(其中PC-S32S和黄原胶的比例为3:2)，消泡剂0.6份，表面活性剂0.9份，加重剂50份，受热可压缩弹性材料24份，配置方法与实施例1中一致。将所配置的受热可压缩弹性隔离液放入高温增压稠化仪养护3个小时，随后将其放入超声波静胶凝强化分析仪(UCA)进行温压循环实验。取空白隔离液也进行相同的温压循环实验，温度最高设定值为75℃，升温速率为2℃/min，编号为实施例2。
实施例3
受热可压缩弹性材料的制备方法与实施例1中一致。
受热可压缩弹性隔离液，其组成按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.8份(其中PC-S32S和黄原胶的比例为3:2)，消泡剂0.6份，表面活性剂0.9份，加重剂50份，受热可压缩弹性材料24份，配置方法与实施例1中一致。将所配置的受热可压缩弹性隔离液放入高温增压稠化仪养护3个小时，随后将其放入超声波静胶凝强化分析仪(UCA)进行温压循环实验。取空白隔离液也进行相同的温压循环实验，温度最高设定值为90℃，升温速率为2℃/min，编号为实施例3。
实施例4
受热可压缩弹性材料的制备方法与实施例1中一致。
受热可压缩弹性隔离液，其组成按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.8份(其中PC-S32S和黄原胶的比例为3:2)，消泡剂0.6份，表面活性剂0.9份，加重剂50份，受热可压缩弹性材料24份，配置方法与实施例1中一致。将所配置的受热可压缩弹性隔离液与钻井液按体积比75:25混合，放入高温增压稠化仪养护3个小时，随后将其放入超声波静胶凝强化分析仪(UCA)进行温压循环实验。取空白隔离液也进行相同的温压循环实验，温度最高设定值为90℃，升温速率为2℃/min，编号为实施例4。
实施例5
受热可压缩弹性材料的制备方法与实施例1中一致。
受热可压缩弹性隔离液，其组成按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.8份(其中PC-S32S和黄原胶的比例为3:2)，消泡剂0.6份，表面活性剂0.9份，加重剂50份，受热可压缩弹性材料24份，配置方法与实施例1中一致。将所配置的受热可压缩弹性隔离液与钻井液分别按体积比100:0、95:5、75:25、50:50、25:75、5:95、0:100混合，于六速旋转粘度计中测试其流变参数，编号为实施例5，测试数据见表1。
表1实施例5受热可压缩弹性隔离液与钻井液的流变性
Figure BDA0003012115810000071
实施例6
受热可压缩弹性材料的制备方法与实施例1中一致。
受热可压缩弹性隔离液，其组成按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.8份(其中PC-S32S和黄原胶的比例为3:2)，消泡剂0.6份，表面活性剂0.9份，加重剂50份，受热可压缩弹性材料24份，配置方法与实施例1中一致。将所配置的受热可压缩弹性隔离液与水泥浆分别按体积比100:0、95:5、75:25、50:50、25:75、5:95、0:100混合，于六速旋转粘度计中测试其流变参数，编号为实施例6，测试数据见表2。
表2实施例6受热可压缩弹性隔离液与水泥浆的流变性
Figure BDA0003012115810000081
数据分析：
图1a为实施例1空白隔离液50℃循环实验温压变化曲线；
图1b为实施例1受热可压缩弹性隔离液50℃循环实验温压变化曲线；
图2a为实施例2空白隔离液75℃循环实验温压变化曲线；
图2b为实施例2受热可压缩弹性隔离液75℃循环实验温压变化曲线；
图3a为实施例3空白隔离液90℃循环实验温压变化曲线；
图3b为实施例3受热可压缩弹性隔离液90℃循环实验温压变化曲线；
图4a为实施例4空白隔离液90℃循环实验温压变化曲线；
图4b为实施例4受热可压缩弹性隔离液受25％钻井液污染90℃循环实验温压变化曲线。
由图1至图4的温压循环实验曲线可知，受热可压缩弹性隔离液具有很好的减缓环空压强升高的性能，且在反复的升温降温循环实验中，其减缓环空压强升高的性能稳定，具有很好的循环降压性。图1中当循环的最高温度设定为50℃时，空白隔离液在50℃时的压强稳定为4805psi，受热可压缩弹性隔离液在50℃时的压强稳定为3206psi，压强降低了33.3％；图2中，空白隔离液在75℃时的压强上升到了9210psi，而受热可压缩弹性隔离液在75℃时的压强仅为4508psi，压强降低了51.1％；图3中，空白隔离液在90℃时的压强高达12000psi，受热可压缩弹性隔离液在90℃时的压强则为5528psi，压强降低了53.9％。当受热可压缩弹性隔离液受到25％钻井液污染时，其在90℃时的压强稳定为6807psi，降压性能稍受影响，但仍比空白隔离液的12000psi低得多，其循环性能不受影响。
由表1可知，在钻井液与受热可压缩弹性隔离液的混合体中，随着隔离液加量的增加，流性指数n的值呈现上下震荡的形态，在0.64～0.75的区间徘徊，均小于1，其偏差值仅为0.11。流性指数n主要用于表征流体的非牛顿性，n值相差不大，说明受热可压缩弹性隔离液的加入不会影响钻井液的流变性能，不会使其发生絮凝、闪凝、增稠等现象。同理在表2中，随着隔离液加量的增加，流性指数n的值呈现上下震荡的形态，在0.64～0.80的区间徘徊，均小于1，偏差值仅为0.16，并且其塑性黏度ηp呈现逐渐减小的趋势，说明受热可压缩弹性隔离液的加入可以降低水泥浆的黏度，不会使水泥浆发生早凝、增稠等现象。
综上可知，受热可压缩弹性隔离液具有很好的减缓环空压强升高的性能，在90℃条件以下可循环性能良好；经25％钻井液污染后，降压性能稍微下降，其循环使用的性能不受影响。受热可压缩弹性隔离液与钻井液、水泥浆的相容性良好。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种受热可压缩弹性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取石蜡、聚乙烯蜡和松香混合得石蜡混合物，并将其加热，使石蜡混合物处于熔融状态；所述石蜡、聚乙烯蜡和松香的比例为100:（5~10）:（8~15）；
（2）取无机多孔材料放入步骤（1）所述熔融状 态下的石蜡混合物中，搅拌、过滤、风干，得包裹体；所述无机多孔材料为多孔陶粒，尺寸分布在3~4毫米；所述石蜡混合物与无机多孔材料的质量比为1：（1~2）；
（3）高强中空颗粒与步骤（2）所述包裹体混合，得混合物1；所述高强中空颗粒为中空的高分子材料，其抗压强度为30~40MPa，高强中空颗粒与包裹体的质量比为1:（1~3）；
（4）取橡胶粉与混合物1混合得受热可压缩弹性材料；所述的橡胶粉为高弹模丁苯橡胶粉；橡胶粉与混合物1的质量比为1：（1~3）。
2.根据权利要求1所述的受热可压缩弹性材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述加热的温度为130~150℃。
3.根据权利要求1所述的受热可压缩弹性材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的搅拌为机械搅拌，搅拌的速率为400~700转/分钟，搅拌的时间为2~6分钟，搅拌时石蜡混合物的温度为70~80℃；步骤（2）中所述的过滤为筛网过滤，所述筛网的目数为30~80目；步骤（2）中所述的风干为自然风干，风干的温度为25~30℃，风干时间为1~3小时。
4.根据权利要求1所述的受热可压缩弹性材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的混合为机械搅拌混合，搅拌速率为100~200转/分钟；步骤（4）中所述的混合为机械搅拌混合，搅拌速率为100~300转/分钟。
5.权利要求1-4任一项所述的制备方法制备的受热可压缩弹性材料。
6.受热可压缩弹性隔离液，其特征在于，按质量份数计，包括如下组分：水100份，隔离剂1.0~2.5份，消泡剂0.5~1.0份，表面活性剂0.3~1.5份，加重剂40~70份，受热可压缩弹性材料10~30份；其中受热可压缩弹性材料为权利要求5中所述的受热可压缩弹性材料。
7.根据权利要求6所述的受热可压缩弹性隔离液，其特征在于，所述的隔离剂为PC-S32S和黄原胶，两者的比例为3:（1~3）；所述的消泡剂为PC-X62L。
8.根据权利要求6所述的受热可压缩弹性隔离液，其特征在于，所述的加重剂为重晶石，粒度为250~350目；所述的表面活性剂为AR-812。
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Heat Storage of Paraffin-Based Composite Phase Change Materials and Their Temperature Regulation of Underground Power Cable Systems;Peiling Xie等;《Materials》;20210205;第14卷;740:1-13 *

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