CN114479790A - 一种用于油基钻井液的堵漏剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油基钻井液用堵漏剂。该油基钻井液用堵漏剂的组成包括：纤维材料4～20份；石墨材料10～25份；高弹改性沥青颗粒55～86份；其中，所述高弹改性沥青颗粒具有核壳结构，且是以硅微粉为核，以改性沥青为壳；所述改性沥青由改质基质沥青、改性剂和增容剂组成。本发明油基钻井液用堵漏剂与油基钻井液配伍性能好，且堵漏速度快，抗高温能力强，对漏层孔隙或裂缝不同尺寸适应性较宽。

Description

一种用于油基钻井液的堵漏剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及石油钻井堵漏领域，具体涉及一种用于油基钻井液的堵漏剂。
背景技术
近些年来，页岩气的勘探和开发发展得十分迅速，油基钻井液具有越来越广泛的应用。油基钻井液主要应用于髙温深井、海上钻井、大斜度定向井、水平井等各种复杂井段。但是油基钻井液井漏问题也日益严峻，井漏的发生会给钻井工程带来诸多不便。例如耗费钻井时间，损失钻井液和堵漏材料。引起卡钻、井喷、井壁失稳等一系列问题，甚至导致井眼报废。而且还会对油层造成损害，造成重大经济损失。由于油基钻井液价格昂贵，油基钻井液的堵漏问题就显得更为重要。
目前应用最广泛、成本较低的堵漏剂为桥接类堵漏剂。桥接堵漏主要是利用多种堵漏材料按一定比例配制堵漏浆，进而堵塞裂缝、孔隙通道，通过架桥、支撑、连接、封堵、填充等作用来堵塞漏层，其关键技术在于堵漏剂中颗粒尺寸的分布是否和漏失通道直径相匹配。然而在钻井过程中，有时不能准确掌握漏失地层的裂缝宽度和孔隙尺寸，无法优选和确定堵漏剂的配方，从而增加了成功施工的不确定性，降低了堵漏成功率。
目前关于水基钻井液的堵漏剂较多，油基钻井液堵漏剂较少。水膨体用作堵漏材料虽然已经表现出了技术优势，但目前这类产品用于钻井堵漏作业中还存在一些不足：凝胶强度较差，吸水后膨胀倍数大、膨胀速率快，热稳定性不好等等。对油基钻井液堵漏剂的基本要求是与油基钻井液配伍性能好，对高渗透及微裂缝地层堵漏效果好，承压能力高。
CN101089116A公开了一种钻井液用自适应防漏堵漏剂，主要由预交联聚合物颗粒、植物纤维、烯类单体聚合物、碳酸钙等材料组成。该方法首先需要通过聚合反应制备预交联聚合物颗粒，该聚合物遇水溶胀而不溶解，起到堵水堵漏的作用。同时还需要添加一定的烯类聚合物。该堵漏剂组成和制备工艺复杂，在水基钻井液使用时，可以因聚合物的遇水溶胀，起到一定的封堵作用，但并不适合于油基钻井液中。
CN104388067A公开了一种油基钻井液用复合防漏剂，以球状凝胶、刚性材料、柔性纤维和柔性颗粒四种组分复合而成。该复合防漏剂对于不同渗透性漏失地层具有良好的适应性，但是该复合防漏剂中的刚性材料超细碳酸钙为亲水材料，在油基钻井液中容易团聚，分散效果差，会影响使用效果。
由此可见，目前用于油基钻井液的堵漏材料较少，多数为适于水基钻井液使用的堵漏剂，在用于油基钻井液时会引起油基钻井液粘度升高、随钻封堵效果不好等问题。油基钻井液防漏堵漏技术仍然是石油工程领域十分关注和有待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种油基钻井液用堵漏剂及其制备方法和应用，该堵漏剂与油基钻井液配伍性能好，且堵漏速度快，抗高温能力强，对漏层孔隙或裂缝不同尺寸适应性较宽。
本发明提供了一种油基钻井液用堵漏剂，该油基钻井液用堵漏剂的组成包括：
纤维材料4～20份；
石墨材料10～25份；
高弹改性沥青颗粒55～86份；
其中，所述高弹改性沥青颗粒具有核壳结构，且是以硅微粉为核，以改性沥青为壳；所述改性沥青由改质基质沥青、改性剂和增容剂组成。
所述纤维材料为天然纤维和/或合成纤维；所述天然纤维如木纤维、竹纤维等中的一种或多种；所述合成纤维如聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维等中的一种或多种；所述纤维材料的长度0.5～2.5mm。
所述石墨材料为鳞片石墨、弹性石墨或膨胀石墨中的至少一种。
所述高弹改性沥青颗粒的粒径可以为40～80目、80～120目、120～160目、160目以上中的两种以上的不同粒径分布组合，（40目标准筛下，80目标准筛上部分计为40～80目，依此类推，160目以上为160目标准筛下部分）。不同粒径分布组合时，以高弹改性沥青颗粒的质量为基准，每种粒径分布的含量≤90%，优选≤70%，更优选≤50%。
以高弹改性沥青颗粒的重量计，改性沥青占70%～90%，硅微粉占10%～30%。
所述硅微粉为超细石英粉，粒度为200目～500目，优选220目～325目。
所述改性沥青软化点为60～120℃，优选90～120℃，针入度为20～60 0.1mm，粘韧性不小于5 N·m，优选为5～20 N·m。
以所述改性沥青的重量计，改质基质沥青占85%～98%；改性剂占1%～5%；增容剂占1%～10%。
所述改性剂为SBS、SIS或结构与之类似的高分子聚合物中的至少一种；所述增容剂为抽出油、环烷油、催化油浆中的一种或几种。
所述改质基质沥青由基础沥青经改质剂改质而得。所述改质剂为正磷酸和五氧化二磷经反应得到。其中，正磷酸与五氧化二磷的质量比为2:1～3:1。
所述基础沥青为减压渣油、直馏沥青、脱油沥青、调和沥青中的一种或几种；所述改质剂占基础沥青重量的1%～10%。
所述改质剂，采用如下方法制备：将五氧化二磷分次加入到正磷酸中，搅拌下进行反应，得到改质剂。所述五氧化二磷优选均分3～5次缓慢加入到正磷酸中。所述搅拌速度为100～500转/分，反应温度为80～120℃，反应时间为10～60min。
所述改质基质沥青的制备方法为：将基础沥青加热至熔融状态，加入所述改质剂，在120～150℃下搅拌混合反应20～60min，得到改质基质沥青。
所述改性沥青的制备方法包括：将增容剂加热至100～150℃，加入改性剂充分溶胀熔融，然后加入到改质基质沥青中，高速剪切，剪切温度150～190℃，剪切的时间为20～60min，然后置于150～180℃烘箱中发育1～4小时，得到所述改性沥青。
所述的高弹改性沥青颗粒采用如下方法制备：先制备改性沥青，然后加入硅微粉，经剪切、冷冻、粉碎得到高弹改性沥青颗粒。其中，所述的剪切时间为10～60min，所述冷冻时间1～10小时，冷冻温度-30℃～-50℃。
本发明第二方面提供了一种所述油基钻井液堵漏剂的制备方法，包括：将纤维材料、高弹改性沥青颗粒以及石墨材料按比例混合均匀，即可得到本发明所述的油基钻井液堵漏剂。
本发明第三方面提供了一种上述堵漏剂在油基钻井液中的应用。
所述应用具体为：所述堵漏剂作为随钻堵漏使用：向油基钻井液中加入所述堵漏剂，以油基钻井液100重量份计，所述堵漏剂的加入量为1～10重量份，进一步优选为2～5重量份。作为随钻堵漏使用时，在20～40目砂床中，滤液侵入深度小于3cm；对于封堵0.5mm裂缝，承压能力≥8MPa。
所述应用还包括，所述堵漏剂和桥接材料一起加入油基钻井液中形成堵漏浆，用于堵漏作业。所述的桥接材料是指与漏失通道宽度相适应的粒径较大的颗粒材料，通常为大于0.5mm的颗粒状材料，其可以在漏失通道中互相接触形成“桥状结构”。所述的桥接材料可以是秸秆类材料和/或果壳类材料，秸秆类材料如小麦秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆等，果壳类材料如核桃壳、杏仁壳、花生壳等，所述的桥接材料的长度3～6mm；以油基钻井液100重量份计，所述堵漏剂的加入量为1～10重量份，进一步优选为2～5重量份；所述的桥接材料的加入量为1～5重量份。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明的堵漏剂组成中包括高弹改性沥青颗粒，所述高弹改性沥青颗粒是以硅微粉为核，改性沥青为壳的核壳结构，使得所述封堵剂既具有一定的粘弹性，又具有一定的强度，能更好的嵌入不规则孔道和裂缝，提高了其在井下的使用效果。
（2）本发明堵漏剂在制备改性沥青过程中首先采用正磷酸与五氧化二磷反应制备基础沥青改质剂，且二者具有特定的质量比，生成的多聚磷酸可以提高基础沥青的软化点，并改善沥青的微观结构。而基础沥青经改质剂改质后含有过量的正磷酸，可与硅微粉发生部分反应，使得到的改性沥青颗粒核-壳结构更牢固，提高了改性沥青的整体高温稳定性。不仅制备工艺简单，而且降低了成本。所得堵漏剂颗粒粒径可控，具有一定的弹性变形能力，而且抗高温性能优良，能够在高温钻井作业中使用。
（3）本发明的堵漏剂，优化了不同的颗粒粒径级配和分布，在压差的作用下，能进入具有不同形状和尺寸的孔隙或裂缝中产生封堵，封堵范围较广，其封堵效果对漏层孔隙或裂缝尺寸的依赖程度较低。
（4）本发明的堵漏剂，与油基钻井液配伍性能更好。此外本发明的堵漏剂具有很好的封堵性和井壁稳定性，可以很好地分散在油基钻井液中，对钻井液流变性能影响小，可辅助生成致密泥饼，提高封堵效果。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。其中，本发明中，wt%表示质量分数。
实施例1
将50g正磷酸置于烧瓶中，将25g五氧化二磷分3次均匀缓慢地加入，将上述溶液在边搅拌边加热的条件下进行反应。搅拌速度250转/分，温度100℃，反应时间30min，得到改质剂。
将200g直馏沥青加热至熔融状态，加入17.5g上述制备的改质剂，在140℃下搅拌混合反应35min，得到改质基质沥青。将15.2g抽出油加热至130℃，加入8.6gSBS充分溶胀熔融后加入到上述改质基质沥青中，采用高速剪切乳化机进行剪切，剪切温度185℃，剪切时间35min。然后置于170℃烘箱中发育2小时，得到改性沥青。
向所得改性沥青中加入36.5g硅微粉（250目）剪切30min，冷却到室温后放入-30℃冷柜中冷冻4小时；再用粉碎机进行粉碎。将所得产物用40目、80目、120目和160目标准筛进行筛分，得到40～80目、80～120目、120～160目，＞160目不同粒径的高弹改性沥青颗粒。
取上述高弹改性沥青颗粒86g（其中40～80目颗粒40wt%，120～160目颗粒35wt%，＞160目颗粒25wt%），聚丙烯纤维（长度为0.5mm）9.6g，弹性石墨14.2g混合均匀得到堵漏剂。
实施例2
将60g正磷酸置于烧瓶中，将20g五氧化二磷分3次均匀缓慢地加入，将上述溶液在边搅拌边加热的条件下进行反应。搅拌速度350转/分，温度115℃，反应时间40min，得到改质剂。
将200g直馏沥青加热至熔融状态，加入12.6g上述制备的改质剂，在145℃下搅拌混合反应45min，得到改质基质沥青。将11.5g环烷油加热至140℃，加入7.5gSBS充分溶胀熔融后加入到上述改质基质沥青中，采用高速剪切乳化机进行剪切，剪切温度180℃，剪切时间30min。然后置于175℃烘箱中发育3.5小时，得到改性沥青。
向所得改性沥青中加入28.4g硅微粉（325目）剪切30min，冷却到室温后放入-40℃冷柜中冷冻5小时；再用粉碎机进行粉碎。将所得产物用40目、80目、120目和160目标准筛进行筛分，得到40～80目、80～120目、120～160目，＞160目不同粒径的高弹改性沥青颗粒。
取上述高弹改性沥青颗粒55g（其中40～80目颗粒25wt%，80～120目颗粒45wt%，＞160目颗粒30wt%），聚酯纤维（长度为1.5mm）9.4g，弹性石墨12.6g混合均匀得到堵漏剂。
实施例3
将45g正磷酸置于烧瓶中，将16.8g五氧化二磷分3次均匀缓慢地加入，将上述溶液在边搅拌边加热的条件下进行反应。搅拌速度300转/分，温度120℃，反应时间45min，得到改质剂。
将200g直馏沥青加热至熔融状态，加入8.5g上述制备的改质剂，在150℃下搅拌混合反应40min，得到改质基质沥青。将17.2g抽出油加热至145℃，加入9.8gSBS充分溶胀熔融后加入到上述改质基质沥青中，采用高速剪切乳化机进行剪切，剪切温度190℃，剪切时间45min。然后置于165℃烘箱中发育2.5小时，得到改性沥青。
向所得改性沥青中加入43.6g硅微粉（225目）剪切40min，冷却到室温后放入-35℃冷柜中冷冻4.5小时；再用粉碎机进行粉碎。将所得产物用40目、80目、120目和160目标准筛进行筛分，得到40～80目、80～120目、120～160目，＞160目不同粒径的高弹改性沥青颗粒。
取上述高弹改性沥青颗粒80g（其中80～120目颗粒40wt%，120～160目颗粒40wt%，＞160目颗粒20wt%），聚丙烯腈纤维（长度为1.0mm）13.6g，鳞片石墨17.4g混合均匀得到堵漏剂。
实施例4
将40g正磷酸置于烧瓶中，将13.6g五氧化二磷分3次均匀缓慢地加入，将上述溶液在边搅拌边加热的条件下进行反应。搅拌速度400转/分，温度110℃，反应时间35min，得到改质剂。
将200g直馏沥青加热至熔融状态，加入18.5g上述制备的改质剂，在150℃下搅拌混合反应35min，得到改质基质沥青。将19.8g抽出油加热至145℃，加入6.5gSBS充分溶胀熔融后加入到上述改质基质沥青中，采用高速剪切乳化机进行剪切，剪切温度185℃，剪切时间50min。然后置于175℃烘箱中发育4小时，得到改性沥青。
加入52.5g硅微粉（250目）剪切30min，冷却到室温后放入-30℃冷柜中冷冻4小时；再用粉碎机进行粉碎。将所得产物用40目、80目、120目和160目标准筛进行筛分，得到40～80目、80～120目、120～160目，＞160目不同粒径的高弹改性沥青颗粒。
取上述高弹改性沥青颗粒70g（其中40～80目颗粒15wt%，80～120目颗粒35wt%，120～160目颗粒35wt%，＞160目颗粒15wt%），聚酰胺纤维（长度为0.5mm）8.8g，弹性石墨22.6g混合均匀得到堵漏剂。
对比例1
将19.8g抽出油加热至145℃，加入6.5gSBS充分溶胀熔融后加入到200g直馏沥青中，采用高速剪切乳化机进行剪切，剪切温度185℃，剪切时间50min。然后置于175℃烘箱中发育4小时，得到改性沥青。
加入52.5g硅微粉(250目)剪切30min，冷却到室温后放入-30℃冷柜中冷冻4小时；再用粉碎机进行粉碎。将所得产物用40目、80目、120目和160目标准筛进行筛分，得到40～80目、80～120目、120～160目，＞160目不同粒径的高弹改性沥青颗粒。
取上述高弹改性沥青颗粒70g（其中40～80目颗粒15wt%，80～120目颗粒35wt%，120～160目颗粒35wt%，＞160目颗粒15wt%），聚酰胺纤维（长度为0.5mm）8.8g，弹性石墨22.6g混合均匀得到堵漏剂。
对比例2
将40g正磷酸置于烧瓶中，将13.6g五氧化二磷分3次均匀缓慢地加入，将上述溶液在边搅拌边加热的条件下进行反应。搅拌速度400转/分，温度110℃，反应时间35min，得到改质剂。
将200g直馏沥青加热至熔融状态，加入18.5g上述制备的改质剂，在150℃下搅拌混合反应35min，得到改质基质沥青。将19.8g抽出油加热至145℃，加入6.5gSBS充分溶胀熔融后加入到上述改质基质沥青中，采用高速剪切乳化机进行剪切， 剪切温度185℃，剪切时间50min。然后置于175℃烘箱中发育4小时，得到改性沥青。
冷却到室温后放入-30℃冷柜中冷冻4小时；再用粉碎机进行粉碎。将所得产物用40目、80目、120目和160目标准筛进行筛分，得到40～80目、80～120目、120～160目，＞160目不同粒径的高弹改性沥青颗粒。
取上述高弹改性沥青颗粒70g（其中40～80目颗粒15wt%，80～120目颗粒35wt%，120～160目颗粒35wt%，＞160目颗粒15wt%），聚酰胺纤维（长度为0.5mm）8.8g，弹性石墨22.6g混合均匀得到堵漏剂。
表1实施例1-4及对比例1中改性沥青的性质
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对比例1
软化点，℃ 92.3 102.53 108.4 114.5 83.6
针入度，1/10mm 52 46 41 36 60
粘韧性，N·m 10.2 8.6 11.5 6.2 4.8
取适量白油和氯化钙水溶液（浓度20wt%），按油水体积比（85:15）配制基液，加入2.5份乳化剂高速搅拌，再加入2.5份有机土，3.0份降滤失剂，充分剪切乳化均匀，得到基浆。
采用砂床评价试验(测侵入深度)评价堵漏性能，采用堵漏模拟装置(测0.5mm裂缝承压能力)评价承压能力。取上述配置基浆分别加入实施例1～4及对比例1～2所得堵漏剂，加入量均为4wt%。砂床试验的砂子目数为20～40目，试验压力0.7MPa，测试时间30min。堵漏模拟装置中采用堵漏模块为0.5mm裂缝模板，采用氮气缓慢进行加压。具体试验结果见表2。
表2 实施例1～4及对比例堵漏剂堵漏性能评价结果
侵入深度/cm 侵入深度降低率（%） 承压能力/MPa
基浆 12.8 - -
基浆+4%实施例1 2.4 81.25 8.0
基浆+4%实施例2 2.2 82.28 8.0
基浆+4%实施例3 1.6 87.50 8.0
基浆+4%实施例4 1.5 88.28 8.0
基浆+4%对比例1 5.2 59.37 6.5
基浆+4%对比例2 3.9 69.53 4.5
由表2中数据可以看出，油基钻井液中加入随钻堵漏剂后，砂床滤失量明显减少，滤液侵入深度小于3cm；对于0.5mm裂缝，承压能力可以达到8.0MPa以上，取得了良好的封堵效果。
此外，所述堵漏剂还可以和桥接材料一起加入钻井液中形成堵漏浆，用于堵漏作业。
在100重量份基浆（同上）中分别加入5重量份实施例1-实施例4以及对比例1、对比例2制备堵漏剂和3重量份长度为3～6mm的秸秆制成堵漏浆，采用砂床滤失仪和HPHT动态漏失仪测定堵漏浆的堵漏效果（见表3），其中堵漏模块为1.0mm、3.0mm和5.0mm的裂缝模板。
表3 堵漏浆的堵漏性能
Figure DEST_PATH_IMAGE002

Claims (14)

1.一种油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述油基钻井液用堵漏剂的组成包括：
纤维材料4～20份；
石墨材料10～25份；
高弹改性沥青颗粒55～86份；
其中，所述高弹改性沥青颗粒具有核壳结构，且是以硅微粉为核，以改性沥青为壳；所述改性沥青由改质基质沥青、改性剂和增容剂组成。
2.按照权利要求1所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述纤维材料为天然纤维和/或合成纤维；所述天然纤维选自木纤维、竹纤维中的一种或多种；所述合成纤维选自聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维或聚丙烯腈纤维中的一种或多种；所述纤维材料的长度0.5～2.5mm。
3.按照权利要求1所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述石墨材料为鳞片石墨、弹性石墨或膨胀石墨中的至少一种。
4.按照权利要求1所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：以高弹改性沥青颗粒的重量计，改性沥青占70%～90%，硅微粉占10%～30%。
5.按照权利要求1或4所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述改性沥青软化点为60～120℃，优选90～120℃，针入度为20～60 0.1mm，粘韧性不小于5N·m，优选为5～20N·m。
6.按照权利要求1或4所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：以所述改性沥青的重量计，改质基质沥青占85%～98%，改性剂占1%～5%，增容剂占1%～10%。
7.按照权利要求6所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述改性剂为SBS、SIS或结构与之类似的高分子聚合物中的至少一种；所述增容剂为抽出油、环烷油、催化油浆中的一种或几种。
8.按照权利要求6所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述改质基质沥青由基础沥青经改质剂改质而得；所述改质剂为正磷酸和五氧化二磷经反应得到。
9.按照权利要求8所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述基础沥青为减压渣油、直馏沥青、脱油沥青、调和沥青中的一种或几种；所述正磷酸与五氧化二磷的质量比为2:1～3:1；所述改质剂占基础沥青重量的1%～10%。
10.按照权利要求8或9所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述改质基质沥青的制备方法为：将基础沥青加热至熔融状态，加入所述改质剂，在120～150℃下搅拌混合反应20～60min，得到改质基质沥青。
11.按照权利要求6所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述改性沥青的制备方法包括：将增容剂加热至100～150℃，加入改性剂充分溶胀熔融，然后加入到改质基质沥青中，高速剪切，剪切温度150～190℃，剪切的时间为20～60min，然后置于150～180℃烘箱中发育1～4小时，得到所述改性沥青。
12.按照权利要求1或4所述的油基钻井液用堵漏剂，其特征在于：所述的高弹改性沥青颗粒采用如下方法制备：先制备改性沥青，然后加入硅微粉，经剪切、冷冻、粉碎得到高弹改性沥青颗粒。
13.一种按照权利要求1-12任一项所述的油基钻井液用堵漏剂的制备方法，包括：将纤维材料、高弹改性沥青颗粒以及石墨材料按比例混合均匀，得到所述的油基钻井液堵漏剂。
14.按照权利要求1-12任一项所述的油基钻井液用堵漏剂的在油基钻井液中的应用。
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