CN113390726B - 一种封隔器泄漏封堵材料、实验方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种封隔器泄漏封堵材料、实验方法及装置，封隔器泄漏封堵材料包括基液和堵漏材料；所述基液采用黄原胶水溶液；所述封堵材料包括架桥材料、填充材料和纤维材料；所述架桥材料和填充材料均采用方解石类材料，架桥材料的粒径大于填充材料的粒径。本发明提供的物理堵漏材料成本较低，制备简单，且具备高酸溶性，可解除能力强，能为气井后期动管柱作业提供便利且不伤害地层。

Description

一种封隔器泄漏封堵材料、实验方法及装置
技术领域
本发明涉及气井环空带压治理技术领域，具体涉及一种封隔器泄漏封堵材料、实验方法及装置。
背景技术
对于一些高压气田生产井中，普遍具有埋藏深、高温、高压、含硫化氢的特点，且大多数气井位于人口稠密地区。封隔器是气井第一道井屏障中至关重要的一个部件，一旦封隔器密封受损，就会造成A环空异常带压，给气井的完整性和安全开采提出严峻的挑战。保证气井完整性状况，是实现气田安全、高效开发的前提。国内外目前并没有专门针对治理封隔器泄漏的方法，究其原因主要面临以下挑战：
(1)温度-时间的化学封堵剂原理上可以实现封堵，但未开展相应实验与现场应用，且使用化学封堵剂的费用较高；
(2)后期若需要起管柱作业，封堵材料必须具备良好的可解除能力，避免储层损害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：常用的化学堵漏材料，费用很高，且可解除能力差，本发明提供了解决上述问题的一种封隔器泄漏封堵材料、方法及装置。
本发明通过下述技术方案实现：
一种封隔器泄漏封堵材料，包括基液和堵漏材料；所述基液采用黄原胶水溶液；所述封堵材料包括架桥材料、填充材料和纤维材料；所述架桥材料和填充材料均采用方解石类材料，架桥材料的粒径大于填充材料的粒径。
本发明提供了一种物理堵漏材料，利用架桥材料在模拟环空内起到架桥、稳固作用，利用填充材料起到填充作用，黄原胶水溶液起携带作用，用于将堵漏材料从地面携带至地下，纤维材料分散性强能够更好地与其他材料混合，相互配合，进一步提高封堵层承压能力和稳定性。本发明提供的物理堵漏材料成本较低，制备简单，且具备高酸溶性，可解除能力强，能为气井后期动管柱作业提供便利且不伤害地层。
进一步优选，所述黄原胶水溶液的浓度选取的依据是：基于黄原胶水溶液的切力确定；黄原胶水溶液的切力满足以下公式：
θ＝d(ρ固-ρ液)g/6；
式中：d为颗粒直径—mm，ρ固为碳酸钙颗粒密度—g/cm3，ρ液为黄原胶水溶液密度—g/cm3，g为重力系数—N/Kg，θ为黄原胶水溶液切力—Pa。
黄原胶水溶液的切力包括初切力和终切力，黄原胶水溶液的粘度包括表观粘度和塑性粘度。基于黄原胶水溶液与堵漏材料混合浆液为基础，堵漏材料以碳酸钙计算，按照上述公式计算出黄原胶水溶液的切力；再通过配制不同浓度的黄原胶水溶液，筛选出切力与理论计算值相符或相近的切力对应的黄原胶水溶液浓度，选定的特定浓度的黄原胶水溶液作为基液。
进一步优选，所述方解石类材料主要成分为碳酸钙，耐温>160℃，酸溶率>95％。优选方解石材料，以满足堵漏试验、相应高温环境模拟以及满足可解除性需求。
进一步优选，所述纤维材料的长径比大于200。
纤维材料优选采用合成纤维，具备高酸溶、高分散性、高长径比的特性，酸溶率>80％、长径比大于200，有效提高封堵层稳定性，在封堵材料中优选加量为0.5％～2％(相对于基液的质量体积比)。
进一步优选，所述架桥材料分为四级：四级架桥材料、三级架桥材料、二级架桥材料和一级架桥材料；其中，四级架桥材料的粒度分布为D90＝3.0mm、D50＝2.7mm，三级架桥材料的粒度分布为D90＝2.0mm、D50＝1.6mm，二级架桥材料的粒度分布为D90＝1.2mm、D50＝0.70mm，一级架桥材料的粒度分布为D90＝0.75mm、D50＝0.46mm。
进一步优选，所述架桥材料按级别，四级架桥材料、三级架桥材料、二级架桥材料和一级架桥材料四者质量占比依次为4.0～4.5:2.5～3.5:1.8～2.5:1.5～2.0，更优选为4:3:2:1.6。
进一步优选，所述填充材料分为四类：目数为80-120目的填充材料、目数为120-200目的填充材料、目数为200-300目的填充材料和大于300目的填充材料。
进一步优选，按照封堵材料在封堵装置内的装填顺序，由下至上依次包括第一封堵段、第二封堵段和第三封堵段；按堵漏材料相对于基液的质量体积比计：
所述第一封堵段的组成包括：6％～15％的架桥材料、10％～15％的填充材料和0.5％～2％的纤维材料；所述第二封堵段的组成包括：30％～55％的填充材料；所述第三封堵段的组成包括：25％～40％的架桥材料，15％～30％的填充材料和0.5％～2％的纤维材料。
一种封隔器泄漏封堵实验方法，包括以下步骤：
步骤1：将封堵材料加入模拟环空；
步骤2：封堵材料沉降封堵，进行正向加压，测试正向承压能力和漏失量；
步骤3：正向封堵后，反向加压，测试不同堆积高度下反向承压能力。
一种封隔器泄漏封堵实验装置，包括套管、钢管和钢板；所述套管的轴向上端口和下端口通过法兰封堵，
所述钢管和钢板置于套管内，钢管的顶端与套管是上端口的法兰连接，钢管的底端安装钢板；钢管底段的周向外侧壁与套管内壁之间的环形空间、以及钢板的周向外侧壁与套管内壁之间的环形空间作为模拟环空，用于填充上述的一种封隔器泄漏封堵材料。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供了一种物理堵漏材料，利用架桥材料在模拟环空内起到架桥、稳固作用，利用填充材料起到填充作用，黄原胶水溶液起携带作用，用于将堵漏材料从地面携带至地下，纤维材料分散性强能够更好地与其他材料混合，相互配合，进一步提高封堵层承压能力和稳定性。本发明提供的物理堵漏材料成本较低，制备简单，且具备高酸溶性，可解除能力强，能为气井后期动管柱作业提供便利且不伤害地层。
2、封隔器完全泄漏，通道仅为几个毫米，物理堵漏材料粒径过大或者过小，都会影响在泄漏处架桥堵漏效果。如常用的7寸油层套管内径为152.5mm；封隔器下入位置深(约5000m)，泄漏尺寸小，常用的TNT封隔器外径约146.05mm，物理堵漏材料封堵封隔器泄漏部位，对粒径的要求很高，本发明通过对基液和方解石材料粒度筛选，得出了两者的最优组合；封堵配方分三段，中间段以小粒径填充颗粒为主，可实现正向承压时正向填充，反向承压时反向填充的效果，正向承压的目的是压实，反向承压的目的是检验该配方能承多少压力而不破，；纤维材料分散性强，长径比更高，相较于行业内现用纤维材料，能够更好地与其他材料混合，相互配合，进一步提高封堵层承压能力和稳定性；且具备高酸溶性，能为气井后期动管柱作业提供便利且不伤害地层。该方法及配方为封隔器泄漏封堵提供了一种理论依据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明封堵承压实验装置。
图2为本发明粒度分析结果；其中，图2(a)表示四级架桥材料的粒度分布，图2(b)表示三级架桥材料的粒度分布，图2(c)表示二级架桥材料的粒度分布，图2(d)表示一级架桥材料的粒度分布，图2(e)表示目数为80-120目的填充材料的粒度分布，图2(f)表示目数为120-200目的填充材料的粒度分布，图2(g)表示目数为200-300目的填充材料的粒度分布，图2(h)表示大于300目的填充材料的粒度分布。
图3为本发明封堵材料每段配置关系；图中，A表示第一封堵段，B表示第二封堵段，C表示第三封堵段。
图4为实施例1封堵方法正向承压能力与累积漏失量曲线。
图5为实施例1封堵方法不同堆积厚度下反向承压能力曲线。
附图中标记及对应的零部件名称：1-套管，2-第一压力表，3-第二压力表，4-泵入口，5-加压口，6-法兰，7-可伸缩支架，8-可旋转支架，9-钢板，10-钢管，11-堵头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种封隔器泄漏封堵材料，由基液和堵漏材料组成，具体配方如下所示：
(1)基液采用黄原胶水溶液；
1)首先，计算黄原胶水溶液切力的理论值，基于如下公式计算：
θ＝d(ρ固-ρ液)g/6；
式中：d为颗粒直径—mm，ρ固为碳酸钙颗粒密度—g/cm3，ρ液为黄原胶水溶液密度—g/cm3，g为重力系数—N/Kg，θ为黄原胶水溶液切力—Pa。
设定：d＝1.2-3mm，ρ固＝2.63g/cm3，ρ液＝1g/cm3，g＝9.8N/Kg。
计算获得黄原胶水溶液切力的理论值为：3.195～7.987Pa。
2)其次，在200mL的清水中，加入浓度为0.05％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％的黄原胶，测试其表观粘度及切力，测试值如表1所示。
表1不同浓度的黄原胶水溶液表观粘度及切力测试结果
Figure BDA0003110989270000041
3)最后，综合上述理论计算值与测量值匹配，优选出黄原胶的最优加量为0.5％，即优选采用浓度为0.5％的黄原胶水溶液。
(2)封堵材料采用架桥材料、填充材料和纤维材料；
架桥材料和填充材料均采用方解石类材料，方解石类材料主要成分为碳酸钙，耐温>160℃，酸溶率>95％。纤维材料优选采用合成纤维，具备高酸溶、高分散性、高长径比的特性，酸溶率>80％、长径比大于200，有效提高封堵层稳定性。
利用马尔文激光粒度和高清成像粒度分析系统仪开展粒度分析，测试封堵材料粒度分布、累积粒度分布和特征参数D90、D50和D10值。
表2架桥材料和填充材料的粒度分布
封堵材料 D<sub>10</sub>(mm) D<sub>50</sub>(mm) D<sub>90</sub>(mm)
四级架桥材料 1.6mm 2.7mm 3.0mm
三级架桥材料 0.8mm 1.6mm 2.0mm
二级架桥材料 0.41mm 0.70mm 1.2mm
一级架桥材料 0.25mm 0.46mm 0.75mm
填充材料(80-120目) 2.32μm 53.08μm 390.35μm
填充材料(120-200目) 2.07μm 32.96μm 205.58μm
填充材料(200-300目) 2.92μm 30.51μm 170.80μm
填充材料(超细) 1.14μm 7.06μm 17.28μm
所述的粒度分布D90、D50和D10值意义如下：D10表示某样品的累计粒度分布数达到10％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占10％。粒度分布D50表示某样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％。粒度分布D90表示某样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占90％。
(3)按照封堵材料在封堵装置内的装填顺序，由下至上依次包括第一封堵段、第二封堵段和第三封堵段；按堵漏材料相对于基液的质量体积比计：
所述第一封堵段的组成为：清水+0.5％黄原胶+6％四级架桥材料+4.5％三级架桥材料+2.8％二级架桥材料+2.2％一级架桥材料+2％填充材料(80-120目)+2％填充材料(120-200目)+2％填充材料(200-300目)+5％填充材料(超细)+2％纤维材料；
所述第二封堵段的组成为：清水+0.01％黄原胶+10％填充材料(80-120目)+15％填充材料(120-200目)+20％填充材料(200-300目)+10％填充材料(超细)；
所述第三封堵段的组成为：清水+0.5％黄原胶+18％四级架桥材料+13.5％三级架桥材料+8.4％二级架桥材料+6.6％一级架桥材料+6％填充材料(80-120目)+6％填充材料(80-120目)+6％填充材料(200-300目)+6％填充材料(超细)+1.5％纤维材料。
实施例2
本实施例提供了一种封隔器泄漏封堵方法，具体步骤如下所示：
步骤1：配置堵漏材料；基于实施例1提供的方案，制作基液、筛选堵漏材料，配制获得堵漏材料。
步骤2：将堵漏材料加入模拟环空；
步骤3：堵漏材料沉降封堵，采用加压泵进行正向加压，测试正向承压能力和漏失量；采用阶段加压方式，测试正向封堵承压能力，实验结果见图4所示。
步骤4：正向封堵后，反向加压，测试不同堆积高度下反向承压能力；测试不同堆积厚度情况下反向封堵承压能力，实验结果见图5所示。
将三段配方以一定时间间隔加入到装置中，等待一段时间后进行承压实验，碳酸钙堆积层承压至22.5MPa时，由于压实作用，10分钟后压力降至17.5MPa并保持稳定，直至加至24MPa保持稳定后停止正向加压，累积漏失量500mL，碳酸钙堆积层高度90cm。当碳酸钙堆积层高度为90cm时，其承压能力约0.9MPa。随着堆积高度的不断增加，承压能力也随之上升。
步骤4中所述的“堆积厚度”是指第二封堵段和第三封堵段的总堆积厚度。
每段封堵段，配制方法按照堵漏材料粒径从小到大顺序加入基液搅拌均匀，最后加入纤维材料混合均匀。
实施例3
本实施例提供了一种封隔器泄漏封堵装置，具体结构如下所示：
包括套管1、钢管10和圆形钢板9。套管1的轴向上端口和下端口通过法兰6封堵，钢管10和钢板9置于套管1内，钢管10的顶端与套管1是上端口的法兰6连接(可拆卸或固定连接)，钢管10的底端安装钢板9(可拆卸或固定连接)，钢管10、钢板9和套管1三者的轴线重合。套管1作为模拟套管，钢管10作为模拟油管，钢板9作为模拟封隔器，钢管10底段的圆周向外侧壁与套管1内壁之间的圆环形空间、以及钢板9的圆周向外侧壁与套管1内壁之间的圆环形空间作为模拟环空，用于填充实施例1提供的封隔器泄漏封堵材料。
套管1外径为2-7/8”，内径5.51mm，高度3m；圆形刚板9的直径为56mm，厚度10cm。此外，在套管1的上端和下端分别设置第一压力表2和第二压力表3，用于观察正反向实验时压力数据。在套管1的上端设置泵入口4，通过泵入方式，将封堵材料加注进入套管1中。在套管1的下端设置加压口5，用于反向承压能力实验压力供给。
作为优选方案，在套管1外设置可伸缩支架7和可旋转支架8，由于套管1的高度较大，不利于工作人员将封堵材料由套管1上端加入，因此通过设置可伸缩支架7和可旋转支架8以实现将套管1由竖立状态调整为倾斜状态，待工作人员将封堵材料由套管1上端加入后，再将套管1竖立设置。具体地，可伸缩支架7是通过焊接方式与套管1相连接的，焊接位置位于模拟套管中部，一共有3根，分别焊接于0°，120°，240°。其作用为固定支撑整套装置；可旋转支架8的一端与套管1侧壁铰接连接、另一端与地面铰接连接，可旋转支架8沿长轴方向可拉伸或缩短。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种封隔器泄漏封堵材料，其特征在于，包括基液和堵漏材料；
所述基液采用黄原胶水溶液；
所述封堵材料包括架桥材料、填充材料和纤维材料；
所述架桥材料和填充材料均采用方解石类材料，架桥材料的粒径大于填充材料的粒径；
所述黄原胶水溶液的浓度选取的依据是：基于黄原胶水溶液的切力确定；
黄原胶水溶液的切力满足以下公式：
θ＝d(ρ固-ρ液)g/6；
式中：d为颗粒直径—mm，ρ固为碳酸钙颗粒密度—g/cm3，ρ液为黄原胶水溶液密度—g/cm3，g为重力系数—N/Kg，θ为黄原胶水溶液切力—Pa；
所述架桥材料分为四级：四级架桥材料、三级架桥材料、二级架桥材料和一级架桥材料；其中，四级架桥材料的粒度分布为D90＝3.0mm、D50＝2.7mm，三级架桥材料的粒度分布为D90＝2.0mm、D50＝1.6mm，二级架桥材料的粒度分布为D90＝1.2mm、D50＝0.70mm，一级架桥材料的粒度分布为D90＝0.75mm、D50＝0.46mm；
所述填充材料分为四类：目数为80-120目的填充材料、目数为120-200目的填充材料、目数为200-300目的填充材料和大于300目的填充材料；
按照封堵材料在封堵装置内的装填顺序，由下至上依次包括第一封堵段、第二封堵段和第三封堵段；按堵漏材料相对于基液的质量体积比计：
所述第一封堵段的组成包括：6％～15％的架桥材料、10％～15％的填充材料和0.5％～2％的纤维材料；
所述第二封堵段的组成包括：30％～55％的填充材料；
所述第三封堵段的组成包括：25％～40％的架桥材料，15％～30％的填充材料和0.5％～2％的纤维材料。
2.根据权利要求1所述的一种封隔器泄漏封堵材料，其特征在于，所述方解石类材料主要成分为碳酸钙，耐温>160℃，酸溶率>95％。
3.根据权利要求1所述的一种封隔器泄漏封堵材料，其特征在于，所述纤维材料的长径比大于200。
4.根据权利要求3所述的一种封隔器泄漏封堵材料，其特征在于，所述架桥材料按级别，四级架桥材料、三级架桥材料、二级架桥材料和一级架桥材料四者质量占比依次为4.0～4.5:2.5～3.5:1.8～2.5:1.5～2.0。
5.一种封隔器泄漏封堵实验方法，其特征在于，采用权利要求1至4任一项所述的一种封隔器泄漏封堵材料，包括以下步骤：
步骤1：将封堵材料加入模拟环空；
步骤2：封堵材料沉降封堵，进行正向加压，测试正向承压能力和漏失量；
步骤3：正向封堵后，反向加压，测试不同堆积高度下反向承压能力。
6.一种封隔器泄漏封堵实验装置，其特征在于，包括套管(1)、钢管(10)和钢板(9)；所述套管(1)的轴向上端口和下端口通过法兰(6)封堵，
所述钢管(10)和钢板(9)置于套管(1)内，钢管(10)的顶端与套管(1)是上端口的法兰(6)连接，钢管(10)的底端安装钢板(9)；钢管(10)底段的周向外侧壁与套管(1)内壁之间的环形空间、以及钢板(9)的周向外侧壁与套管(1)内壁之间的环形空间作为模拟环空，用于填充权利要求1至4任一项所述的一种封隔器泄漏封堵材料。
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