一种多元协同堵漏剂及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种多元协同堵漏剂及其应用。以重量份计，该多元协同堵漏剂包括组分一：刚性颗粒40-50重量份、柔性材料15-20重量份、超细填充材料15-20重量份、膨胀型聚合物15-20重量份；或者，其包括组分二：刚性颗粒50-70重量份、柔性材料10-25重量份、超细填充材料10-25重量份、膨胀型聚合物10-30重量份。本发明的多元协同堵漏剂，刚柔相济、弹塑性结合，充分利用了各材料间的协同增效作用，可有效封堵不同宽度的裂缝，并具备承压强度高、抗高温、可变形及与漏失地层粘结力强的性能，可应用于钻井工程堵漏作业，能解决不同程度的井漏问题。
【专利说明】一种多元协同堵漏剂及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多元协同堵漏剂及其应用，属于石油钻井用助剂【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着油气勘探开发的进一步深入，在钻进压力衰竭地层、破碎或弱胶结地 层、裂缝发育地层及多套压力层系地层中，各种井漏问题日益突出。井漏是钻井工程中最普 遍最常见的技术难题，井漏诱发的井壁失稳、因漏致塌、致喷问题是长期以来油气勘探开发 过程中的世界性难题，是制约勘探开发速度的主要技术瓶颈。同时井漏造成钻井液损失巨 大，而在储层漏失对储层损害引起的损失更是难以估量。
[0003] 堵漏剂作为钻井工程防漏堵漏过程中必不可少的物质基础，采用封堵效果好的堵 漏剂是解决井漏问题的关键。目前，国内外堵漏剂品种很多，根据其作用机理可分为桥堵 齐?、高失水堵剂、暂堵剂、化学堵剂、无机胶凝堵剂和软（硬）塞类堵剂六种常见类型，这些 产品均取得了一定的应用效果，但也存在一些不足。如桥堵剂难以与漏失通道的尺寸合理 匹配、可变形性较差、与地层胶结能力弱，化学凝胶类堵剂具有很强的滞留能力而不受漏失 通道尺寸限制但其抗温能力、承压效果差且成本高，无机胶凝堵剂承压强度高但易于被地 层流体稀释后冲走，其他种类的堵漏剂也具有诸如此类的不足。因此，需要研制一种综合性 能较好的堵漏剂，使其能够有效解决不同程度的井漏问题，并满足以下性能要求：a.有效 封堵漏失通道，自适应性强；b.低压或高压下均能形成有效封堵，承压强度高；c.对钻井液 性能影响小，抗高温；d. -定的可变形性；e.吸附功能，以便能与漏失地层产生强粘结力作 用。
【发明内容】
[0004] 鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种多元协同堵漏剂及其应 用，能够解决不同程度井漏问题并具备承压强度高、抗高温、可变形性及与漏失地层粘结力 强的性能。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案得以实现：
[0006] -种多元协同堵漏剂，以重量份计，其包括组分一：
[0007] 刚性颗粒40-50重量份、柔性材料15-20重量份、超细填充材料15-20重量份、膨 胀型聚合物15-20重量份；
[0008] 或者，其包括组分二：刚性颗粒50-70重量份、柔性材料10-25重量份、超细填充材 料10-25重量份、膨胀型聚合物10-30重量份。
[0009] 上述的多元协同堵漏剂中，优选的，在组分一或组分二中，所述刚性颗粒包括大理 石和/或核桃壳。
[0010] 上述的刚性颗粒可以再产生堵漏效果开始时首先以一定粒径级配的颗粒材料形 成初级堵塞。
[0011] 上述的多元协同堵漏剂中，为满足有效封堵< 2mm宽的裂缝需求，设计了两种尺 寸分布的颗粒材料，通过这两种合理的粒径级配能够解决较小程度裂缝的井漏问题；优选 的，在组分一中，以重量份计，所述刚性颗粒包括如下组分：粒径为0. 9-2. Omm的刚性颗粒 40-50重量份，粒径为0. 45-0. 9mm的刚性颗粒50-60重量份。
[0012] 上述的多元协同堵漏剂中，为满足有效封堵宽的裂缝需求，设计了四种 尺寸分布的颗粒材料，通过这四种合理的粒径级配能够解决较大程度裂缝的井漏问题，优 选的，在组分二中，以重量份计，所述刚性颗粒包括如下组分：粒径为5. 0-6. 0mm的刚性颗 粒20-40重量份，粒径为3. 2-5. 0mm的刚性颗粒20-40重量份，粒径为2. 0-3. 2mm的刚性颗 粒20-25重量份，粒径为0. 9-2. 0mm的刚性颗粒10-15重量份。
[0013] 上述的多元协同堵漏剂中，刚性颗粒具备高强度、高温下不水化、抗压、抗拉、不变 形等特点，能有效提高封堵层的承压强度，可以在漏失通道凹凸不平的粗糙表面及狭窄部 位捕集、重力沉降，产生挂阻并架桥，多数情况下，该挂阻并架桥作用是形成相互支撑、相互 依托的堆砌式架桥，能够形成对漏失层的初级封堵。本申请中，利用合理的不同粒径的刚性 颗粒，能够形成不同的相互间作用力，形成多级支撑，适用于不平的表面，更能够适应裂缝 的环境。
[0014] 上述的多元协同堵漏剂中，柔性材料能够弥补刚性颗粒粒径难以与裂缝尺寸完全 匹配的缺陷，优选一定尺寸的可变形性柔性材料，可以实现剩余缝隙的有效封堵；优选的， 所述柔性材料为抗温能力达160°C、弹性系数在0. 45以上的改性天然橡胶颗粒；更优选的， 所述柔性材料的粒度分布为：D1(I = 0. 45mm、D5(l = 1. 15mm、D9(l = 2. 11mm。
[0015] 上述的多元协同堵漏剂中，所述柔性材料为具有良好弹性的改性天然橡胶类高分 子材料产品，经过加工粉碎后制备成具有一定粒度分布的颗粒材料。
[0016] 上述的多元协同堵漏剂中，柔性材料具有一定的强度、较好的弹性及抗高温特征， 在钻井液中可很好的分散，压差作用下在颗粒材料初级封堵的基础上产生自适应变形，可 以被挤进不同大小的缝隙内，粒径大于缝宽的在挤进的裂缝内卡住，压差减小时能释放弹 性能量，通过较强弹性作用对裂缝产生扩张变形堵塞，粒径小于缝宽的可在裂缝内发生滞 留、堆积及充填堵塞，提高封堵层的稳定性，使柔性材料能够更加紧密地与漏失通道结合在 一起，产生变形镶嵌封堵、变形蠕动封堵及弹性膨胀封堵作用。
[0017] 上述的多元协同堵漏剂中，超细填充材料能够进一步填充剩余的微小孔隙，达到 提高填充加固能力的效果，对微裂缝或孔吼封堵效果最好、最为经济实用；优选的，所述超 细填充材料为1200目以上的微米级超细碳酸钙；更优选的，所述碳酸钙的粒度分布为：D 1(I =0. 0044mm. D5(l = 0. 0092mm、D9(l = 0. 0156mm。
[0018] 上述的多元协同堵漏剂中，超细填充材料表面积大，表面吸附活性强且有较好的 分散性，压差作用下能够很容易地随着堵漏浆的滤失填充剩余微小孔隙，使堵漏剂不仅具 备较好的封堵能力及抗温性，且具有很强的填充加固能力，形成紧密的填充垫层。
[0019] 上述的多元协同堵漏剂中，膨胀型聚合物能够进一步降低封堵层渗透率、提高与 漏失层岩石的吸附胶结能力，设计了一定尺寸分布的膨胀性聚合物材料，更能够达到形成 渗透率极低封堵层、堵死漏失层的效果；优选的，以重量份计，所述膨胀型聚合物的组分包 括改性木质素材料30-50重量份，部分水溶性合成聚合物颗粒50-70重量份；其中，以重量 份计，部分水溶性合成聚合物颗粒的原料包括瓜胶20-30重量份、丙烯酸钠10-20重量份、 丙烯酰胺10-20重量份、聚合醇5-10重量份、过硫酸铵0. 5-1. 0重量份及二甲基丙烯酸乙 二醇酯2-3重量份；
[0020] 所述膨胀型聚合物的粒度分布为：D1(l = 0. 038mm、D5(l = 0. 186mm、D9(l = 0. 720mm， 以溶解度为2wt%的聚合物水溶液计算。
[0021] 上述的膨胀型聚合物的组分中，改性木质素材料为现有技术中常规的改性木质素 材料。上述的膨胀型聚合物为从天然产物中提取的衍生物（这里选取改性木质素）和部分 水溶性合成聚合物颗粒组成的混合物，其中天然产物中提取的衍生物为含有芳香基、酚羟 基、醇羟基、碳基共扼双键等活性基团的木质素分子引入COO' SCV链后改性而成；部分水 溶性合成有机聚合物颗粒制备方法为：将瓜胶、丙烯酸钠、丙烯酰胺、聚合醇、过硫酸铵及二 甲基丙烯酸乙二醇酯在氮气、60_80°C条件下反应3h，然后经过干燥、粉碎、过筛而制成的颗 粒。
[0022] 由于所使用的膨胀型聚合物材料在水溶液中是部分溶解水、部分不溶于水的状 态，可以在封堵层表面迅速大量吸附形成聚合物胶束，所以这里的2%聚合物水溶液状态即 为2%膨胀型聚合物材料被溶解后形成的胶体体系，这种状态下的粒度分布更能准确反映 实际尺寸。
[0023] 上述的多元协同堵漏剂中，膨胀型聚合物为由从天然产物中提取的衍生物、部分 水溶性合成有机聚合物组成的混合物，膨胀型聚合物通过吸附、聚集成束、变形膨胀及限制 渗透等作用，能够在封堵层表面迅速大量吸附形成聚合物胶束，且可产生膨胀变形，形成稳 定的空间网络结构，相当于一道堵塞隔墙，形成低渗透率的封堵层，降低封堵层渗透率，增 强堵漏效果。
[0024] 本发明还提供上述的多元协同堵漏剂在钻井过程中发生井漏后，与基浆混合配制 成堵漏浆，进行停钻堵漏处理的应用。
[0025] 上述的应用中，优选的，该应用是将具有组分一的多元协同堵漏剂与基浆混合后 用于封堵彡2mm宽的裂缝的井漏（用于解决较小程度的井漏问题），多元协同堵漏剂的添 加量为基浆重量的4-6% ;或者，将具有组分二的多元协同堵漏剂与基浆混合后用于封堵 宽的裂缝的井漏（用于解决较大程度的井漏问题），多元协同堵漏剂的添加量为基 浆重量的12-14%。
[0026] 上述的应用中，优选的，所述基浆为水基钻井液（可以为石油钻井中所有类型的 水基钻井液）；优选的，以重量份计，所述基浆的组份包括：4wt %膨润土、0. 3wt%钻井液用 增粘剂80A51、0· 5wt %水解聚丙烯腈铵盐NPAN、2wt %钻井液用褐煤树脂SPNH、2wt %钻井 液用磺化浙青FT-1、其余量为水。
[0027] 根据具体实施方案，基浆（钻井液）是这样制备得到的：将怀安膨润土和水制成 1500ml预水化膨润土浆，然后加入钻井液用增粘剂、水解聚丙烯腈铵盐NPAN、钻井液用褐 煤树脂SPNH、钻井液用磺化浙青FT-1，混合均匀。
[0028] 本发明的多元协同堵漏剂在应用时，将钻井液和多元协同堵漏剂混合均匀形成堵 漏浆，然后注入油井中的漏失层。
[0029] 本发明还提供上述的多元协同堵漏剂的制备方法，其是将多元协同堵漏剂的原料 组分按配比称取，在常温常压条件下，混合搅拌均匀（例如加入混合机或捏合机中搅拌均 匀），即制成本发明的多元协同堵漏剂，然后可包装放置待用或出售。
[0030] 本发明的多元协同堵漏剂的组分组合多元协同，体现了刚柔相济、弹塑性结合的 特点，加入刚性颗粒和柔性材料刚柔相济，刚性颗粒形成初步架桥，柔性材料变形封堵较小 缝隙，加入超细填充材料和膨胀型聚合物弹塑性结合，超细填充材料形成填充堵塞，膨胀型 聚合物吸附在封堵层表面形成胶束并能有效限制渗透，最终在漏失通道处形成坚硬牢固低 渗透率的封堵层。
[0031] 举例对本发明的多元协同堵漏剂性能进行评价，采用高温高压动静态堵漏试验装 置（海安石油科研仪器有限公司的DL-A型高温高压动静态堵漏试验装置）进行实验，以不 同宽度尺寸的钢板缝来模拟井下裂缝，缝宽可选取1-6_六种级别，通过在给定配方钻井 液中添加一定量堵漏浆，测试不同温度、压力、时间、钻井液密度条件下钻井液漏失量，漏失 量越小，说明封堵效果越好；选择影响堵漏性能的主要因素（温度、压力、时间及钻井液密 度，这里的钻井液密度是指未添加多元协同堵漏剂之前的钻井液密度，可以认为是基浆的 密度），改变其中一个量，恒定其它条件，进行动态堵漏效果评价（转速为400r/min)，通过 漏失量变化来反映对堵漏剂封堵效果的影响。
[0032] 基浆（钻井液）组份：4wt%怀安膨润土 +0· 3wt%钻井液用增粘剂80A51+0. 5wt% 水解聚丙烯腈铵盐NPAN+2wt%钻井液用褐煤树脂SPNH+2Wt%钻井液用磺化浙青FT-1+余 量水；
[0033] 多元协同堵漏剂的添加量为基楽总重量的4wt% ,以重量份计，多元协同堵漏剂包 括如下组分：
[0034] 刚性颗粒45重量份（其中，40 %的粒径0. 9-2. 0mm的刚性颗粒，60 %的粒径 0. 45-0. 9mm的刚性颗粒）、柔性材料20重量份、超细填充材料15重量份、膨胀型聚合物20 重量份。
[0035] 堵漏浆（基浆+多元协同堵漏剂）是这样制备得到的：将怀安膨润土和水制成 1500ml预水化膨润土浆，然后加入钻井液用增粘剂、水解聚丙烯腈铵盐NPAN、钻井液用褐 煤树脂SPNH、钻井液用磺化浙青FT-1和多元协同堵漏剂，混合均匀。
[0036] 1)评价温度对堵漏剂性能的影响
[0037] 在压力20MPa(逐步提高压力并稳定在20MPa)、时间lOmin(当压力逐步增加到 20MPa并稳定后测定lOmin内的累计漏失量）、钻井液密度1. 25g/cm3及缝宽2mm的条件下， 参考石油天然气行业标准SY/T5840-2007钻井液用桥接堵漏材料室内试验方法测定温度 对漏失量的影响，结果如图1所示。实验结果表明，随着温度升高，漏失量有所增大，但增幅 比较平缓，反映出多元协同堵漏剂的封堵能力有所下降，最终结果表明其抗温可达160°C。
[0038] 2)评价压力对堵漏剂性能的影响
[0039] 在温度160°C、时间lOmin(逐步提高压力并稳定在一个数值lOmin)、钻井液密度 1. 25g/cm3及缝宽2mm的条件下，参考石油天然气行业标准SY/T5840-2007钻井液用桥接堵 漏材料室内试验方法测定压力对漏失量的影响，结果如图2所示。实验结果表明，随着压力 升高，漏失量在增加到5MPa压力前增幅较大，在5-13MPa压力之间变化平缓，说明形成了有 效封堵层，而在压力超过13MPa后又出现较大增幅，在压力大于18MPa后趋于平稳，反映出 升压过程中伴随着封堵层的不断稳固，高压下漏失量虽然增加但没有急剧增大，最终结果 表明其承压可达20MPa。
[0040] 3)评价时间对堵漏剂性能的影响
[0041] 在压力20MPa(逐步提高压力并稳定在20MPa)、温度160°C、钻井液密度1. 25g/cm3 及缝宽2mm的条件下，参考石油天然气行业标准SY/T5840-2007钻井液用桥接堵漏材料室 内试验方法测定时间（压力稳定后的稳定时间）对漏失量的影响，结果如图3所示。实验 结果表明，随着时间延长，漏失量在5min内增幅较大，5min后变化平缓，lOmin后基本不再 变化，说明已经形成了稳定的封堵层，反映出堵漏剂在3-5min内即可迅速形成有效封堵。
[0042] 4)评价钻井液密度对堵漏剂性能的影响
[0043] 在温度160°C、20MPa(逐步提高压力并稳定在20MPa)、时间10min(当压力逐步增 加到20MPa并稳定后测定lOmin内的累计漏失量）及缝宽2mm的条件下，测定钻井液密度 对漏失量的影响，结果如图4所示。实验结果表明，随着密度的增大，漏失量逐渐减少且变 化趋于平缓，反映出堵漏剂可适用于不同密度钻井液，高密度下封堵能力增强。
[0044] 由上可见，本发明提供的多元协同堵漏剂可适用于不同密度的钻井液，3_5min内 即可有效封堵裂缝，抗温、承压强度分别达160°C、20MPa。
[0045] 本发明的突出效果为：
[0046] 本发明的多元协同堵漏剂，采用刚性颗粒、柔性材料、超细填充材料及膨胀型聚合 物的组合，能够有效封堵不同程度的漏失通道，并具备承压强度高、抗高温、可变形性及与 漏失地层粘结力强的性能，能够为钻井工程中井漏问题的解决提供技术支撑，减少因井漏 导致的复杂事故及经济损失，缩短钻井周期，确保安全、优质、快速钻井。
【专利附图】
【附图说明】
[0047] 图1是温度对堵漏剂性能的影响图；
[0048] 图2是压力对堵漏剂性能的影响图；
[0049] 图3是时间对堵漏剂性能的影响图；
[0050] 图4是钻井液密度对堵漏剂性能的影响图。
【具体实施方式】
[0051] 下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，以使本发明技术方案更易于理 解、掌握，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方 法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0052] 实施例1
[0053] 本实施例提供一种多元协同堵漏剂，以重量份计，其包括组分：
[0054] 刚性颗粒核桃壳颗粒50重量份（其中，40%的粒径分布0. 9-2. Omm的核桃壳颗 粒，60%的粒径分布0. 45-0. 9mm粒径分布的核桃壳颗粒）、柔性材料改性天然橡胶颗粒15 重量份、超细填充材料超细碳酸钙15重量份、膨胀型聚合物颗粒20重量份（其中，50%的 改性木质素材料，50 %的部分水溶性合成聚合物颗粒，以重量份计，部分水溶性合成聚合物 颗粒的原料包括瓜胶20重量份、丙烯酸钠15重量份、丙烯酰胺15重量份、聚乙二醇8重量 份、过硫酸铵1. 0重量份及二甲基丙烯酸乙二醇酯2重量份）。
[0055] 上述的部分水溶性合成有机聚合物颗粒制备方法为：将瓜胶、丙烯酸钠、丙烯酰 胺、聚合醇、过硫酸铵及二甲基丙烯酸乙二醇酯在氮气、60_80°C条件下反应3h，然后经过干 燥、粉碎、过筛而制成的颗粒。
[0056] 本实施例的多元协同堵漏剂是在常温常压条件下，将多元协同堵漏剂的原料组分 按配比称取后加入混合机或捏合机中混合搅拌均匀得到的。
[0057] 将4wt%的本实施例的多元协同堵漏剂加入到基楽（4wt%怀安膨润土、0. 3wt% 钻井液用增粘剂80Α51、0· 5wt%水解聚丙烯腈铵盐NPAN、2wt%钻井液用褐煤树脂SPNH、 2wt %钻井液用磺化浙青FT-1、余量水）中制备成1500mL堵漏浆，用于封堵彡2mm宽裂缝的 井漏。
[0058] 参考石油天然气行业标准SY/T5840-2007钻井液用桥接堵漏材料室内试验方法 测试本实施例4%的多元协同堵漏剂加入基浆形成堵漏浆后对宽的裂缝的封堵效 果，结果见表1。
[0059] 表 1
[0060]
【权利要求】
1. 一种多元协同堵漏剂，以重量份计，其包括组分一： 刚性颗粒40-50重量份、柔性材料15-20重量份、超细填充材料15-20重量份、膨胀型 聚合物15-20重量份； 或者，其包括组分二：刚性颗粒50-70重量份、柔性材料10-25重量份、超细填充材料 10-25重量份、膨胀型聚合物10-30重量份。
2. 根据权利要求1所述的多元协同堵漏剂，其特征在于：在组分一或组分二中，所述刚 性颗粒包括大理石和/或核桃壳。
3. 根据权利要求1或2所述的多元协同堵漏剂，其特征在于：在组分一中，以重量 份计，所述刚性颗粒包括如下组分：粒径为〇. 9-2. 0mm的刚性颗粒40-50重量份，粒径为 0. 45-0. 9mm的刚性颗粒50-60重量份。
4. 根据权利要求1或2所述的多元协同堵漏剂，其特征在于：在组分二中，以重量 份计，所述刚性颗粒包括如下组分：粒径为5. 0-6. 0mm的刚性颗粒20-40重量份，粒径为 3. 2-5. 0mm的刚性颗粒20-40重量份，粒径为2. 0-3. 2mm的刚性颗粒20-25重量份，粒径为 0. 9-2. 0mm的刚性颗粒10-15重量份。
5. 根据权利要求1所述的多元协同堵漏剂，其特征在于：所述柔性材料为抗温能力达 160°C、弹性系数在0. 45以上的改性天然橡胶颗粒；优选的，所述柔性材料的粒度分布为： D10 = 0. 45mm、D50 = 1. 15mm、D90 = 2. 11mm。
6. 根据权利要求1所述的多元协同堵漏剂，其特征在于：所述超细填充材料为1200 目以上的微米级超细碳酸钙；优选的，所述碳酸钙的粒度分布为：D 1(I = 0. 0044mm、D5Q = 0. 0092mm、D9Q = 0. 0156mm。
7. 根据权利要求1所述的多元协同堵漏剂，其特征在于：以重量份计，所述膨胀型聚合 物的组分包括改性木质素材料30-50重量份，部分水溶性合成聚合物颗粒50-70重量份； 其中，以重量份计，部分水溶性合成聚合物颗粒的原料包括瓜胶20-30重量份、丙烯酸钠 10-20重量份、丙烯酰胺10-20重量份、聚合醇5-10重量份、过硫酸铵0. 5-1. 0重量份及二 甲基丙烯酸乙二醇酯2-3重量份； 优选的，所述膨胀型聚合物的粒度分布为：D1(I = 0· 038mm、D5(l = 0· 186mm、D9。= 0. 720mm，以溶解度为2wt%的聚合物水溶液计算。
8. 权利要求1-7任一项所述的多元协同堵漏剂在钻井过程中发生井漏后，与基浆混合 配制成堵漏浆，进行停钻堵漏处理的应用。
9. 根据权利要求8所述的应用，其特征在于：该应用是将具有组分一的多元协同堵漏 剂与基浆混合后用于封堵< 2_宽的裂缝的井漏，多元协同堵漏剂的添加量为基浆重量的 4-6% ； 或者，将具有组分二的多元协同堵漏剂与基浆混合后用于封堵宽的裂缝的井 漏，多元协同堵漏剂的添加量为基楽重量的12-14 %。
10. 根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述基浆为水基钻井液；优选的，以重量 份计，所述基楽的组份包括：4wt%膨润土、0. 3wt%钻井液用增粘剂80A51、0. 5wt%水解聚 丙烯腈铵盐NPAN、2wt %钻井液用褐煤树脂SPNH、2wt %钻井液用磺化浙青FT-1、其余量为 水。
【文档编号】C09K8/508GK104232039SQ201410487887
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】张希文, 刘新云, 张国辉 申请人:中国石油天然气股份有限公司