專利名稱：：一種鉆井用高強度預交聯凝膠堵漏劑及其制備方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于石油鉆井過程中的鉆井用堵漏劑及其制備方法。
背景技術：
：井漏是石油鉆井過程中危害最嚴重的復雜情況之一，耗費鉆井吋間，損失鉆井液和堵漏材料，甚至引起卡鉆、井噴、井塌等一系列復雜情況，導致井眼報廢，而且還會對油層造成損害，造成重大經濟損失。在鉆井堵漏作業(yè)中，橋接堵漏是目前較為普遍采用的堵漏方法，它具有成本低及施工方便等優(yōu)點，但這些材料的也存在著明顯的缺陷一是堵漏過程中自身的可變形性較差，稍大于漏層孔隙裂縫或是與漏層孔隙裂縫形狀不匹配的顆粒就不易進入，在漏層表面形成堆積，并未適當深入漏層；二是這些堵漏材料不具有膨脹性或只有微小的膨脹量，即使將漏層堵住，由于受波動壓力或抽吸壓力等外力的作用，很容易被返排出來。由于上述原因，使用這些材料處理井漏時，往往易造成堵漏效果不佳和堵漏后發(fā)生重復性漏失，因此，迫切需要尋找一種新型的堵漏材料。預交聯凝膠是近年來在國外石油行業(yè)研究、應用都很廣泛的油田化學品，目前國內主要應用于采油作業(yè)進行堵水、調剖和調驅使用，對吸水后的凝膠抗擠壓強度和吸水速率要求較低。而在石油鉆井堵漏作業(yè)中，由于壓差大，要求預交聯凝膠的抗擠壓強度大，否則在高壓差的作用下，進入漏層的預交聯凝膠顆粒易進入深部地層或剪切破碎，導致堵漏作業(yè)失敗。同時，為了達到最佳的堵漏效果，堵漏用預交聯凝膠不僅應具有一定的強度、而且要呈彈性而非塑性狀態(tài)(類似橡膠而非塑料)，易使其能夠適應不同形狀的漏失通道，解決漏層對堵漏材料的選擇效應；其初始吸水膨脹速率要慢，進入漏層后自身體積還能持續(xù)膨脹，使其具有一定的擴張充填和內部擠緊壓實的雙重作用，以便很好的封堵漏層。高強度預交聯凝膠堵漏劑堵漏機理為(1)彈性顆粒的架橋充填作用。由于高強度預交聯凝膠堵漏劑吸水后形成彈性的凝膠顆粒，具有一定的粒徑分布，在地層孔道中通過架橋充填作用起到較好的封堵作用。(2)彈性顆粒的擠壓變形及擴張充填作用。由于高強度預交聯凝膠堵漏劑吸水后形成的凝膠顆粒具有很高的彈塑性和韌性，在一定的外力作用下，能擠壓變形而進入較小孔道內，進入后通過其彈性作用進一步擠壓充填，從而進一步改善堵漏效果。Q)延遲膨脹封堵作用。高強度預交聯凝膠堵漏劑初始吸水膨脹速率較慢，進入漏層后自身體積還能持續(xù)膨脹，具有遇水延遲膨脹特性，進入漏層后，受漏失通道尺寸的限制，堵漏劑體積無法增大，因此，形成的水化膨脹應力直接作用在其周圍巖石和堵漏材料上，使"封堵層"更加致密緊湊，與裂縫間摩擦阻力進一步加強，增強了"封堵層"在正向或負向壓差作用下的抗突破能力，提高地層承壓能力，在一定程度上拓展了安全密度窗口。(4)強力吸附提高封堵強度。由于高強度預交聯凝膠堵漏劑中含有一定的陽離子基團，陽離子基團能與帶負電的巖石表面產生較強的靜電吸附作用，特別是碎石與凝膠緊密吸附結合在一起，進一步提高了封堵強度。高強度預交聯凝膠堵漏劑的上述特點，克服了常規(guī)橋接堵漏材料只能通過架橋充填封堵漏層的缺陷，適應范圍更廣，封堵能力強。在實際應用過程中，在漏層孔隙或裂縫尺寸未知的情況下，可使用較大尺寸的高強度預交聯凝膠堵漏劑顆粒堵漏，對尺寸大于高強度預交聯凝膠堵漏劑顆粒直徑的較大孔隙或裂縫，堵漏劑可通過架橋充填起到封堵作用；對尺寸小于堵漏劑顆粒直徑的較小孔隙或裂縫，顆粒可通過擠壓變形及擴張充填起到封堵作用。
發(fā)明內容針對現有技術的不足,本發(fā)明提供一種高強度預交聯凝膠堵漏劑及其制備方法。本發(fā)明的產品堵漏速度快、封堵范圍廣、對漏層孔隙或裂縫尺寸依賴性弱，該堵漏劑遇水后吸水膨脹，具有抗擠壓強度高、彈性好和初始吸水膨脹速率慢等優(yōu)點，適合于在鉆井過程中進行堵漏。本發(fā)明的技術方案如下一種高強度預交聯凝膠堵漏劑，以100質量份計，原料的組分為丙烯酰胺單體12-20份，丙烯酸單體2-5份，陽離子單體3-6份，交聯劑O.01-0.03份，引發(fā)劑O.03-0.06份，填充材料3-7份，其余為水;按以下方法制得將丙烯酰胺單體、陽離子單體和交聯劑加入水中溶解，加入填充材料，攪拌均勻；再加入中和度為70%的丙烯酸氫氧化鈉溶液，通氮氣保護，充分攪拌20-30min;調溫至反應溫度30-6(TC時加入引發(fā)劑，停止通氮和攪拌，反應3-5小時。所說的陽離子單體是二甲基二烯丙基氯化銨、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨或丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨。所說的交聯劑是N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺。所說的引發(fā)劑是過硫酸銨或過硫酸鉀。所說的填充材料是淀粉或膨潤土。.一種高強度預交聯凝膠堵漏劑的制備方法，步驟如下(1)將丙烯酰胺單體、陽離子單體和交聯劑加入水中，充分溶解，然后加入填充材料，攪拌均勻；(2)用20%的氫氧化鈉溶液中和丙烯酸，中和至中和度為70%;(3)將步驟(2)配好的丙烯酸溶液加入到步驟(1)配好的液體中，然后加入到裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的反應器中，通氮氣保護，充分攪拌20-30min;調溫至反應溫度30-6(TC，加入引發(fā)劑，停止通氮和攪拌，反應3-5小時；將產物取出，105'C下干燥，粉碎可得顆粒狀高強度預交聯凝膠堵漏劑。本發(fā)明的堵漏劑適合于在鉆井過程中進行堵漏，可用于高礦化度堵漏液和不同井深的漏層。應用方法根據需要選擇6-8Xwt的膨潤土漿為堵漏基漿，基漿粘度和切力要適當，漏斗粘度一般控制在30-50s為宜。在地面配漿罐連續(xù)攪拌條件下，通過加重漏斗加入本發(fā)明的高強度預交聯凝膠堵漏劑510y。wt(基于基漿重量)。若漏速超過20mVh,可考慮復配3-5%的復合堵漏劑(棉耔殼、核桃殼、云母等材料的混合物)。配制量應以漏速大小、漏失通道形狀和段長以及井眼尺寸等綜合確定，通常范圍為2050m3。將鉆桿(應采用光鉆桿或帶大水眼的鉆具)下至漏層頂部20-50m位置，立即泵入已配好的堵漏漿至漏失層段，注入量以能全部覆蓋漏層段并加210m3，然后靜止堵漏8h。本發(fā)明的高強度預交聯凝膠具有以下特點厶吸水膨脹速率較慢，0.5h膨脹倍數3-7倍，最終膨脹倍數25-35倍，此特性有利于堵漏漿的配制與泵送，同時保證堵漏劑進入漏層后自身體積還能持續(xù)膨脹，以便很好的封堵漏層；么抗擠壓強度大，粒徑4-5咖的凝膠顆粒通過2mm裂縫的抗擠壓強度約為0.5MPa,而目前油田常用的預交聯凝膠抗擠壓強度一般不超過0.3MPa，較高的抗擠壓強度有利于預交聯凝膠顆粒在近井壁地帶對漏層產生有效封堵，防止其易進入深部地層或剪切破碎而導致堵漏作業(yè)失??；、耐溫耐礦化度能力強，高強度預交聯凝膠在常溫150'C溫度范圍內穩(wěn)定存在，具有較高的熱穩(wěn)定性能，且其性能不受礦化度影響，可用于高礦化度堵漏液，并適用于不同井深的漏層。本發(fā)明的高強度預交聯凝膠作為堵漏劑使用具有以下顯著優(yōu)點(1)封堵速度快，堵漏成功率高。高強度預交聯凝膠堵漏劑產品為形狀不規(guī)則的顆粒狀固體，可通過架橋充填作用、擠壓變形及擴張充填封堵作用、延遲膨脹封堵作用和強力吸附作用等多種作用機理，在孔隙、裂縫和溶洞中快速產生封堵，在漏失通道中形成具有較高強度的封堵層，達到堵漏的目的。(2)封堵層承壓能力強，不易出現重復漏失。高強度預交聯凝膠堵漏劑初始吸水膨脹速率較慢，進入漏層后自身體積還能持續(xù)膨脹，具有遇水延遲膨脹特性，進入漏層后，受漏失通道尺寸的限制，堵漏劑體積無法增大，因此，形成的水化膨脹應力直接作用在其周圍巖石和堵漏材料上，使"封堵層"更加致密緊湊，與裂縫間摩擦阻力進一步加強，增強了"封堵層"在正向或負向壓差作用下的抗突破能力，提高地層承壓能力，在一定程度上拓展了安全密度窗口。漏層一旦被堵住，在后續(xù)的鉆井過程中不易再出現漏失現象。(3)適用溫度和礦化度范圍廣。高強度預交聯凝膠堵漏劑在常溫15(TC溫度范圍內穩(wěn)定存在，具有較高的熱穩(wěn)定性能，可使用于不同井深的漏層；高強度預交聯凝膠堵漏劑性能不受礦化度影響，可用于高礦化度鹽水鉆井液或堵漏液。具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述，但是不應該認為本發(fā)明被下面特定例子所限定。各實施例中組分的含量以重量份表示。實施例l.將20份丙烯酰胺、4份二甲基二烯丙基氯化銨(陽離子單體)和0.01份N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯劑)加入水中，充分溶解，然后加入6份膨潤土，攪拌均勻后加入2份中和度為70%的丙烯酸。將上述反應液加入到裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的反應器中，通氮氣保護，充分攪拌20min，調至所需的反應溫度6(TC，加入O.03份引發(fā)劑過硫酸銨，停止通氮和攪拌，反應5小時；將產物取出，105'C下干燥，粉碎可得顆粒狀高強度預交聯凝膠堵漏劑。實施例2.將15份丙烯酰胺、5份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(陽離子單體)和0.02份N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯劑)加入水中，充分溶解，然后加入5份淀粉，攪拌均勻后再加入3份中和度為70%的丙烯酸。將上述反應液加入到裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的反應器中，通氮氣保護，充分攪拌20min，調至所需的反應溫度40'C，加入O.06份引發(fā)劑過硫酸鉀，停止通氮和攪拌，反應3.5小時；將產物取出，105'C下干燥，粉碎可得顆粒狀高強度預交聯凝膠堵漏劑。實施例3.將12份丙烯酰胺、3份丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(陽離子單體)和0.03份N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯劑)加入水中，充分溶解，然后加入3份膨潤土，攪拌均勻后再加入4份中和度為70%的丙烯酸。將上述反應液加入到裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的反應器中，通氮氣保護，充分攪拌20min，調至所需的反應溫度5(TC，加入O.05份引發(fā)劑過硫酸銨，停止通氮和攪拌，反應4小時；將產物取出，105'C下干燥，粉碎可得顆粒狀高強度預交聯凝膠堵漏劑。取上述實驗方法制備的產品，進行相關性能評價，有關實驗數據如下1、吸水性能稱取一定質量的產品置于燒杯中，加入一定體積蒸餾水、靜置，用篩網過濾、再靜置，最后稱其質量。吸水倍數=(吸水后質量一吸水前質量)/吸水前質量。表1實施例l-3產品在不司礦化度中的吸水倍數(24h)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2實施例1-3的產品吸水倍數隨時間的變化關系(2(TC)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表1和表2可知，研制的高強度預交聯凝膠堵漏劑吸水膨脹速率較慢，0.5h吸水倍數為3-7倍，最終膨脹倍數25-35倍，且具有較好的抗鹽能力。此特性有利于堵漏漿的配制與泵送，同時保證堵漏劑進入漏層后自身體積還能持續(xù)膨脹，以便很好的封堵漏層.2、抗擠壓強度將充分吸水后的高強度預交聯凝膠堵漏劑(粒徑4-5mm)放入下部有裂縫(裂縫寬度2mm)的不銹鋼圓筒容器中，然后通過加壓孔通入氮氣加壓，推動圓筒容器中的活塞下行，活塞推動高強度預交聯凝膠堵漏劑下行，下行到一定程度，延遲膨脹型堵漏劑由于受到裂縫塊端面的阻礙而開始受壓，當壓力增大到高強度預交聯凝膠堵漏劑的最大抗擠壓強度時，高強度預交聯凝膠堵漏劑從裂縫中被擠出，此時的壓力定義為高強度預交聯凝膠堵漏劑的抗擠壓強度。表3高強度預交聯凝膠堵漏劑抗擠壓強度的比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表3可以看出，研制的高強度預交聯凝膠堵漏劑具抗擠壓強度大于0.45MPa,具有較好的抗擠壓性能。3、耐溫性能將高強度預交聯凝膠堵漏劑分別置于20'C、40°C、6(TC和8(TC的蒸餾水中，研究產品在不同溫度下的吸水倍數和抗擠壓強度，實驗結果見表4。表4高強度預交聯凝膠堵漏劑抗溫性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表4可以看出，研制的高強度預交聯凝膠堵漏劑具有良好的抗溫性能，在實驗的溫度范圍內，其性能受溫度影響不大。權利要求1.一種預交聯凝膠堵漏劑，其特征在于，以100質量份計，原料的組分為丙烯酰胺單體12-20份，丙烯酸單體2-5份，陽離子單體3-6份，交聯劑0.01-0.03份，引發(fā)劑0.03-0.06份，填充材料3-7份，其余為水；按以下方法制得將丙烯酰胺單體、陽離子單體和交聯劑加入水中溶解，加入填充材料，攪拌均勻；再加入中和度為70％的丙烯酸氫氧化鈉溶液，通氮氣保護，充分攪拌20-30min；調溫至反應溫度30-60℃時加入引發(fā)劑，停止通氮和攪拌，反應3-5小時。2.如權利要求1所述的預交聯凝膠堵漏劑，其特征在于，所述陽離子單體是二甲基二烯丙基氯化銨、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨或丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨。3.如權利要求1所述的預交聯凝膠堵漏劑，其特征在于，所述交聯劑是N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺。4.如權利要求l所述的預交聯凝膠堵漏劑，其特征在于,所述引發(fā)劑是過硫酸銨或過硫酸鉀。5.如權利要求l所述的預交聯凝膠堵漏劑，其特征在于，所述填充材料是淀粉或膨潤土。6.—種權利要求l所述預交聯凝膠堵漏劑的制備方法，步驟如下(1)將丙烯酰胺單體、陽離子單體和交聯劑加入水中，充分溶解，然后加入填充材料，攪拌均勻；(2)用20%的氫氧化鈉溶液中和丙烯酸，中和至中和度為70%;(3)將步驟(2)配好的丙烯酸溶液加入到步驟(1)配好的液體中，然后加入到裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的反應器中，通氮氣保護，充分攪拌20-30min;調溫至反應溫度30-6(TC，加入引發(fā)劑，停止通氮和攪拌，反應3-5小時；將產物取出，105'C下干燥，粉碎可得顆粒狀高強度預交聯^l膠堵漏劑。全文摘要本發(fā)明涉及一種鉆井用高強度預交聯凝膠堵漏劑及其制備方法，原料組分為丙烯酰胺單體12-20份，丙烯酸單體2-5份，陽離子單體3-6份，交聯劑0.01-0.03份，引發(fā)劑0.03-0.06份，填充材料3-7份，其余為水；將丙烯酰胺單體、陽離子單體和交聯劑加入水中溶解，加填充材料攪拌；再加入中和度為70％的丙烯酸氫氧化鈉溶液，通氮氣保護，充分攪拌；反應溫度30-60℃時加入引發(fā)劑，反應3-5小時。本發(fā)明的預交聯凝膠堵漏劑吸水膨脹速率較慢，保證堵漏劑進入漏層后自身體積還能持續(xù)膨脹，以便很好的封堵漏層；同時還具有抗擠壓強度大、耐溫耐礦化度能力強具有特點，適合于在鉆井過程中進行堵漏。文檔編號C09K8/42GK101586023SQ20091001710公開日2009年11月25日申請日期2009年7月8日優(yōu)先權日2009年7月8日發(fā)明者呂開河,彭洪軍,王樹永申請人:中國石油大學(華東);中國石化集團勝利石油管理局井下作業(yè)公司