CN113845339A - 一种破碎地层用井壁强化组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井工程技术领域的一种破碎地层用井壁强化组合物及其制备方法和应用。所述的破碎地层用井壁强化组合物，包含重量份数计的以下组分：水泥100份，胶结强化剂5～30份，界面强化剂5～20份，活性填充剂1～5份，高温稳定剂0～40份，水35～60份。其中，所述胶结强化剂包含环氧树脂与环氧树脂乳化剂、增塑剂、纳米材料在内的组分。本发明所述破碎地层用井壁强化组合物克服了常规水泥与碳酸盐岩粘接性能较差、固化后硬、脆、不抗冲击，且不能用于破碎地层井壁强化的缺点。本发明的井壁强化组合物固化后与灰岩、碳酸盐等岩石粘接强度高，弹韧性好，不会出现钻杆碰撞后破损掉块的问题，可用于解决深井破碎性地层井壁失稳难题。

Description

一种破碎地层用井壁强化组合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及钻井工程技术领域，更进一步说，涉及一种破碎地层用井壁强化组合物及其制备方法和应用。
背景技术
随着勘探开发逐渐向深层特深层进军，深部油气藏已经成为国内外石油公司增储上产的重要阵地，而在深部钻探过程中，钻遇破碎性地层造成的井壁失稳给工程技术带来巨大挑战。如中石化西北油田分公司的顺北区块，由于钻遇深部(井深7000～8000m、温度140～170℃)白云岩、碳酸盐岩破碎带导致的坍塌掉块、频繁卡钻及侧钻复杂，5口井共损失钻井周期900余天，深井、超深井破碎地层井壁失稳难题至今未能解决。
中国专利CN109207131A公开了一种井壁修补强化剂及其制备方法，其是使用烯基单体、交联剂等在引发剂作用下聚合生成高分子凝胶的方式来修补井壁破碎地层。但是凝胶的强度、与碳酸盐岩界面的粘接强度是难以达到井壁强化剂固化后的效果。
目前，针对超深井破碎性地层钻进难题主要依靠钻井液的应力支撑、强化封堵、控制粘切等技术措施，但都不能有效根除复杂，掉块卡钻时有发生。因此，钻遇破碎带并且严重影响钻进时，通常会打水泥塞回填并重新侧钻，这样做不仅浪费进尺，还会增加钻井周期，另外重新侧钻还是有可能钻遇破碎地层。针对破碎地层钻井的复杂问题，目前还没有很好的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述破碎地层失稳的问题，本发明提出一种破碎地层用井壁强化组合物。具体地说涉及一种破碎地层用井壁强化组合物及其制备方法和应用。
本发明所述破碎地层用井壁强化组合物克服了常规水泥与碳酸盐岩粘接性能较差、固化后硬、脆、不抗冲击，且不能用于破碎地层井壁强化的缺点。本发明的井壁强化剂固化后与灰岩、碳酸盐等岩石粘接强度高，弹韧性好，不会出现钻杆碰撞后破损掉块的问题。
本发明目的之一是提供一种破碎地层用井壁强化组合物，包含重量份数计的以下组分：
水泥100份，
胶结强化剂5～30份，优选为10～30份，
界面强化剂5～20份，优选为10～20份，
活性填充剂1～5份，优选为3～5份，
高温稳定剂0～40份，优选为15～40份，更优选为15～35份，
水35～60份。
其中，
所述胶结强化剂为高分子纳米复合乳液，所述胶结强化剂包含环氧树脂与环氧树脂乳化剂、增塑剂、纳米材料在内的组分。所述胶结强化剂具体可由包括以下步骤在内的方法制备而成：
将包含环氧树脂与环氧树脂乳化剂、增塑剂、纳米材料在内的组分混合，再加入水，搅拌乳化，即得。
所述的环氧树脂：环氧树脂乳化剂：增塑剂：纳米材料：水的重量比为100:(10～30):(3～8)：(0.1～1)：(50～90)，优选为100:(10～30):(3～8)：(0.1～0.6)：(50～85)。
所述环氧树脂可为本领域常用树脂，优选为E44或E51；
所述环氧树脂乳化剂可为深圳凯思特新材料有限公司生产的EPR-125型增韧水性环氧树脂乳化剂；
所述增塑剂可为端环氧液体丁腈橡胶；
所述纳米材料可为氧化石墨烯、碳纳米管中的至少一种；
所述搅拌的温度可为45～65℃；所述搅拌的速度可为5000～10000r/min。
所述界面强化剂为一级粉煤灰、矿渣、偏高岭土以重量比1:(0.5～3):(1～5)混合而成，其中，优选为1:(0.5～3):(2～4)；
所述水泥为油井G级水泥与超细水泥以重量比1:(0.5～2)混合而成，其中超细水泥粒径小于10μm。
所述活性填充剂具体可选自液硅，平均粒径为1～80nm。
所述高温稳定剂可选自为纯度大于98％的二氧化硅粉末，粒径为0.1～1um。
所述的破碎地层用井壁强化组合物，还可包含降滤失剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述降滤失剂可为1～2重量份，优选为1～1.5重量份；
所述降滤失剂具体可选自AMPS聚合物、CMC类(羧甲基纤维素)衍生物或PVA(聚乙烯醇树脂)类聚合物中的至少一种。
所述的破碎地层用井壁强化组合物，可包含分散剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述分散剂可为0.5～2重量份，优选为0.6～1.2重量份；
所述分散剂可选自木质素磺酸盐类、聚羧酸类减水剂或萘系分散剂中的至少一种。
所述的破碎地层用井壁强化组合物，还可包含缓凝剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述缓凝剂可为0～10重量份，优选为3～9重量份；
所述缓凝剂可选自AMPS聚合物、羟基羧酸类缓凝剂中的至少一种。
所述的破碎地层用井壁强化组合物，还可包含消泡剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述消泡剂为0.1～0.5重量份，优选为0.2～0.4重量份；
所述消泡剂可为本领域常用消泡剂，优选为中国石化石油工程技术研究院生产的DZX消泡剂。
所述的破碎地层用井壁强化组合物，还可包含增韧剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述增韧剂可为1～5重量份，优选为1～3重量份；
所述增韧剂为碳纤维与水镁石纤维按重量比1:(1～5)进行混合，其中所述碳纤维长度为1.5～3mm，所述水镁石纤维长度为1.5～5mm。
所述的破碎地层用井壁强化组合物，可包含密度调节剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述密度调节剂可为0～200重量份；
所述密度调节剂可为加重剂或减轻剂，所述加重剂为碳酸钙、重晶石或铁矿粉中的至少一种；所述减轻剂为天然漂珠、中空玻璃微珠或聚合物中空微珠中的至少一种。
本发明目的之二是提供所述的破碎地层用井壁强化组合物的制备方法，具体可包括以下步骤：
将包含所述水泥、胶结强化剂、界面强化剂、活性填充剂、高温稳定剂、水在内的组分按所述用量进行混合，即得。
本发明目的之三是所述的破碎地层用井壁强化组合物在破碎地层处理中的应用。
本发明使用强粘接、高弹性、高韧性井壁强化组合物修复粘接破碎地层，将破碎带的破碎岩石粘接，提高岩石完整性，可重新使用钻头钻进，从而解决深井破碎地层钻井难题。本发明的井壁强化组合物(也即破碎地层井壁强化剂)在到达破碎地层之后，在压差的作用下，一部分井壁强化组合物或滤液进入地层微裂缝，大部分留在破碎地层井眼中。在地层温度压力下，井壁强化组合物中的水泥开始水化，由于自由水含量的减少，胶结强化剂中的环氧树脂乳液破乳，形成聚合物膜，在高温、高压、强碱条件下，环氧树脂、端环氧液体丁腈橡胶会逐渐固化，一方面可填充水泥石内孔隙，一方面可以聚集在水泥、纤维、界面强化组合物小颗粒的表面形成聚合物膜，增强小颗粒、纤维与水泥基体的相容性及粘接性。最终，环氧树脂形成的薄膜、端环氧丁腈橡胶形成的膜和水泥的水化产物、纤维、界面强化组合物中的颗粒粘结在一起，在三维空间中形成了连续的致密的三维网状结构，提高水泥固结物本体的机械性能及弹韧性，可保证钻杆碰撞不损坏；而与岩石表面接触的井壁强化组合物，其中的界面强化剂在碱性环境下会被激活，固化井壁上残余的泥饼，环氧树脂和液硅可以吸附在岩石表面、已固化泥饼的表面，固化后可以提高固结物与地层岩石交界面的粘接能力；同时，进入微裂缝中的井壁强化组合物，也会在温度压力及碱性条件下固化，粘接微裂缝，即提高破碎岩石的完整性及内聚力。
与常规水泥浆相比，本发明的井壁强化组合物具有以下优点：
(1)固化后与破碎地层碳酸盐岩粘接性能较好。
(2)可进入破碎地层微裂缝并固化，提高破碎地层岩石内聚力及岩石完整性。
(3)本发明的井壁强化组合物固化后与碳酸盐岩粘接强度高，其抗剪切强度可明显提高。
(4)本发明的井壁强化组合物在与含有泥饼的碳酸盐岩一起固化后，其抗剪切强度可提高190.9％。
(5)使用驱替的实验研究表明，本发明的井壁强化组合物可进入微裂缝并固化，岩心固化抗压强度得到大幅提高。
(6)本发明的井壁强化组合物弹韧性好，钻杆碰撞时不会发生破碎。抗折强度可提高53.8％，抗拉强度可提高65.5％，弹性模量可降低55.1％。
(7)本发明中所述的超细水泥、胶结强化剂等，进入到地层之后，在高温、高压、碱性等环境下会固化，可提高深部破碎地层岩石粘接强度及岩石完整性，该技术可解决破碎地层坍塌掉块造成的卡钻复杂，保障后期的安全钻进。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
原料来源
环氧树脂E44，济宁华凯树脂有限公司；
环氧树脂E51，济宁华凯树脂有限公司；
环氧树脂乳化剂：深圳凯思特新材料有限公司生产的EPR-125型增韧水性环氧树脂乳化剂；
端环氧液体丁腈橡胶：靖江市广胜橡塑材料厂；
氧化石墨烯：深圳市中森领航科技有限公司，氧含量为54％；
碳纳米管：深圳市中森领航科技有限公司；
降滤失剂：河北聚金新材料科技有限公司生产的JJ-06降滤失剂；巴斯夫PolytrolFL 32分散型降滤失剂；中石化石油工程技术研究院生产的PFL-L降滤失剂；
缓凝剂：中石化石油工程技术研究院生产的DZH-2；
消泡剂：中国石化石油工程技术研究院生产的DZX消泡剂；
液硅：粒径1～80nm，中石化石油工程技术研究院生产；
高温稳定剂：纯度大于98％的二氧化硅粉末，粒径为0.1～1um，苏州木田新材料有限公司。
测试方法
(1)水泥浆性能测试方法：弹性模量测试方法为国际标准ISO.JIS.ASTM.DIN；
(2)抗压强度测试方法为国际标准ASTM C-348-86；
(3)抗拉强度测试方法为国际标准API 102B；
(4)抗折强度测试方法参考标准SY/T5546-92；
(5)抗剪切强度测试方法参考中国地质大学硕士学位论文《固井二界面泥饼活化机理研究》，使用的仿地井筒为碳酸盐岩露头制成，抗剪切强度用来表征井壁强化组合物与井壁(井壁无泥饼、井壁有泥饼)的粘接强度。
(6)岩心抗压强度测试方法参考国标GB/T 50266-99，通过岩心固化抗压强度测试来表征井壁强化组合物进入裂缝地层深部的粘接强度，岩心固化抗压强度方法：碳酸盐岩露头标准取芯(2.5×5cm)，使用岩石力学试验机，测定单轴抗压强度，选取抗压强度相当的岩心进行下列对比试验。将破损的岩心放入岩心夹持器中，设定围压10MPa，将井壁强化组合物注入破损岩心中，于170℃条件下固化20天，再次测定抗压强度，即为岩心固化抗压强度。
实施例1
步骤1：胶结强化剂制备：将100g环氧树脂E44加热到50℃，向环氧树脂中加入20gEPR-125型增韧水性环氧树脂乳化剂，5g端环氧液体丁腈橡胶，0.5g氧化石墨烯，搅拌5min，搅拌过程中缓慢加水，然后将转速调到6000r/min，继续向体系中加水，水的总加量为50g，搅拌乳化，得到胶结强化剂。
步骤2：界面强化剂制备：称取10g一级粉煤灰、15g矿渣、20g偏高岭土，混合均匀得到界面强化剂。
步骤3：称取油井G级水泥50重量份，超细水泥50重量份，高温稳定剂35重量份，搅拌均匀，然后加水45重量份搅拌，分别加入河北聚金新材料科技有限公司生产的JJ-06降滤失剂1重量份，中国石化工程院生产的SMS-19型分散剂1重量份，缓凝剂3.5重量份，DZX消泡剂0.2重量份，胶结强化剂10重量份，界面强化剂10重量份，液硅3重量份，长度为2mm的碳纤维0.5重量份，长度为3mm的水镁石纤维2重量份，搅拌均匀后，然后测量水泥浆密度并记录后，倒入模具成型，即得。
配置出的水泥浆密度为1.83g/cm3，150℃和80MPa环境下稠化时间为8.5h。养护72小时，测量弹性模量4.0GPa，抗压强度25MPa，抗拉强度4.8MPa，抗折强度4.0MPa。
对比例1
除了不加入胶结强化剂，其他步骤条件及组份与实施例1相同。
配置出的水泥浆密度为1.83g/cm3，150℃和80MPa环境下稠化时间为9h。养护72小时，测量弹性模量8.9GPa，抗压强度23.5MPa，抗拉强度2.9MPa，抗折强度2.6MPa。
实施例2
步骤1：胶结强化剂制备：将100g环氧树脂E44加热到65℃，向环氧树脂中加入30gEPR-125型增韧水性环氧树脂乳化剂，8g端环氧液体丁腈橡胶，0.1g碳纳米管，搅拌5min，搅拌过程中缓慢加水，然后将转速调到8000r/min，继续向体系中加水，水的总加量为60g，搅拌乳化，得到胶结强化剂。
步骤2：界面强化剂制备：称取10g一级粉煤灰、5g矿渣、40g偏高岭土，混合均匀得到界面强化剂。
步骤3：称取油井G级水泥50重量份，超细水泥50重量份，高温稳定剂30重量份，中空玻璃微珠30重量份，搅拌均匀，然后加水50重量份搅拌，分别加入巴斯夫Polytrol FL 32分散型降滤失剂1.5重量份，成都川峰化学工程有限公司生产的SXY-2型分散剂1重量份，缓凝剂7重量份，DZX消泡剂0.2重量份，胶结强化剂30重量份，界面强化剂20重量份，液硅5重量份，长度为3mm的碳纤维0.4重量份，长度为2mm的水镁石纤维1重量份，搅拌均匀，然后测量水泥浆密度并记录后，倒入模具成型，即得。
配置出的水泥浆密度为1.53g/cm3，160℃和95MPa环境下稠化时间为7.3h。养护72小时，测量弹性模量3.1GPa，抗压强度23.9MPa，抗拉强度4.5MPa，抗折强度4.0MPa，井壁无泥饼的抗剪切强度2.8MPa，井壁有泥饼时抗剪切强度1.6MPa。
对比例2
除了不加入界面强化剂，其他步骤条件及组份与实施例2相同。
配置出的水泥浆密度为1.51g/cm3，160℃和85MPa环境下稠化时间为7.1h。养护72小时，测量弹性模量3.2GPa，抗压强度22.5MPa，抗拉强度4.3MPa，抗折强度4.2MPa，井壁无泥饼的抗剪切强度1.1MPa，井壁有泥饼时抗剪切强度0.55MPa。
实施例3
步骤1：胶结强化剂制备：将100g环氧树脂E51加热到45℃，向环氧树脂中加入10gEPR-125型增韧水性环氧树脂乳化剂，4g端环氧液体丁腈橡胶，0.2g碳纳米管，搅拌5min，搅拌过程中缓慢加水，然后将转速调到10000r/min，继续向体系中加水，水的总加量为80g，搅拌乳化，得到胶结强化剂。
步骤2：界面强化剂制备：称取10g一级粉煤灰、30g矿渣、30g偏高岭土，混合均匀得到界面强化剂。
步骤3：称取油井G级水泥50重量份，超细水泥50重量份，高温稳定剂20重量份，重晶石45重量份，搅拌均匀，然后加水55重量份搅拌，分别加入PFL-L降滤失剂1.5重量份，河南卫辉市化工有限公司生产的USZ分散剂1重量份，缓凝剂9重量份，DZX消泡剂0.2重量份，胶结强化剂15重量份，界面强化剂15重量份，液硅3重量份，长度为2mm的碳纤维0.8重量份，长度为1.5mm的水镁石纤维1重量份，搅拌，然后测量水泥浆密度并记录后，倒入模具成型，即得。配置出的水泥浆密度为2.21g/cm3，170℃和100MPa环境下稠化时间为5.1h。岩心固化抗压强度15.4MPa。
对比例3
除了不加入胶结强化剂、界面强化剂，其他步骤条件及组分与实施例3相同。
配置出的水泥浆密度为2.20g/cm3，170℃和100MPa环境下稠化时间为5.2h。岩心固化抗压强度4.6MPa。
比较实施例和对比例性能结果可见：
实施例1相对于对比例1，水泥石弹性模量降低55.1％，抗拉强度提高65.5％，抗折强度提高53.8％。
实施例2相对于对比例2，井壁无泥饼时的抗剪切强度提高154.5％，井壁有泥饼时的抗剪切强度提高190.9％，表明界面强化剂具有良好的增强界面粘接性能。
实施例3相对于对比例3，岩心固化抗压强度提高234.8％，这是由于水泥、胶结强化剂等可以进入微裂缝并固化产生的优良效果。

Claims (12)

1.一种破碎地层用井壁强化组合物，包含重量份数计的以下组分：
水泥100份，
胶结强化剂5～30份，
界面强化剂5～20份，
活性填充剂1～5份，
高温稳定剂0～40份，
水35～60份；
其中，
所述胶结强化剂包含环氧树脂与环氧树脂乳化剂、增塑剂、纳米材料在内的组分。
2.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于：
所述胶结强化剂为高分子纳米复合乳液，由包括以下步骤在内的方法制备而成：
将包含环氧树脂与环氧树脂乳化剂、增塑剂、纳米材料在内的组分混合，再加入水，搅拌乳化，即得。
3.根据权利要求2所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于：
所述的环氧树脂：环氧树脂乳化剂：增塑剂：纳米材料：水的重量比为100:(10～30):(3～8)：(0.1～1)：(50～90)，优选为100:(10～30):(3～8)：(0.1～0.6)：(50～85)。
4.根据权利要求2所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于：
所述增塑剂为端环氧液体丁腈橡胶；
所述纳米材料选自氧化石墨烯、碳纳米管中的至少一种；
所述搅拌的温度为45～65℃。
5.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于：
所述界面强化剂为一级粉煤灰、矿渣、偏高岭土以重量比1:(0.5～3):(1～5)混合而成；
和/或，
所述水泥为油井G级水泥与超细水泥以重量比1:(0.5～2)混合而成，其中超细水泥粒径小于10μm。
6.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于：
所述活性填充剂为液硅，平均粒径为1～80nm；
和/或，
所述高温稳定剂为纯度大于98％的二氧化硅粉末，粒径为0.1～1um。
7.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于包含降滤失剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述降滤失剂为1～2重量份；
所述降滤失剂为AMPS聚合物、CMC类衍生物或PVA类聚合物中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于包含分散剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述分散剂为0.5～2重量份；
所述分散剂选自木质素磺酸盐类、聚羧酸类减水剂或萘系分散剂中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于包含缓凝剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述缓凝剂为0～10重量份；
所述缓凝剂为AMPS聚合物、羟基羧酸类缓凝剂中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的破碎地层用井壁强化组合物，其特征在于包含消泡剂；
以所述水泥重量为100重量份数计，所述消泡剂为0.1～0.5重量份。
11.根据权利要求1～10之任一项所述的破碎地层用井壁强化组合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将包含所述水泥、胶结强化剂、界面强化剂、活性填充剂、高温稳定剂、水在内的组分按所述用量进行混合，即得。
12.根据权利要求1～10之任一项所述的破碎地层用井壁强化组合物或者根据权利要求11所述的制备方法制备的组合物在破碎地层处理中的应用。
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