一种基于地温加热的胶囊型膨胀体及其用于封堵地层漏失及其提高地层承载能力的方法与流程
本发明涉及油气井或地热井钻完井技术领域，具体涉及有效封堵复杂漏失型地层的一种基于地温加热胶囊型膨胀体及其堵漏方法和工艺。
背景技术
井漏问题(主要是指恶性漏失)及由此引发的一些井下复杂问题，至今无有效可靠的技术解决，“恶性漏失”主要表现为钻井液大量漏失并且很难有效封堵，常常是不计时间，不计次数，不计漏失量，不计方法的堵漏。现在使用的堵漏技术比较粗糙繁杂，仍以经验为主，缺乏有效堵漏材料，未形成系列配套技术，不能同时满足“流得进、冲不稀、扛得住、排得开、填得满、抗得住、隔得断”的七项要求。
目前，堵漏材料存在着以下不足：一是堵漏过程中自身的可变形性较差，稍大于漏层孔隙、裂缝或与漏层孔隙、裂缝形状不匹配的颗粒就不易进入，在漏层表面形成堆积，并未深入漏层；二是堵漏材料不具有膨胀性或只有微小的膨胀量，在外部力的作用下不易稳定地滞留在漏层中。三是堵漏材料对地层孔隙或裂缝依赖性较强，若堵漏剂颗粒粒径与漏失地层孔喉直径匹配不合理，将起不到有效的堵漏作用，只是在井壁外形成简单的封门，防漏堵漏适应性较差。四是堵漏材料对钻井液流变性能影响大，加入时需要大量室内和现场评价测试，增加成本和钻井风险；五是堵漏材料后期酸溶性差，对储层有潜在伤害，不利于储层保护；六是对微裂缝地层封堵能力弱且堵塞的抗压强度不高，钻井中可能因高压差被再次压漏，不适合应用于储漏同层的漏失层。
国内外对堵漏材料研究及专利申报较多，国外主要美国专利研究为主，例如2002年5月专利us6395186b1提出了一种用于提高连续堵漏剂流速的方法和装置，此发明专利主要的创新部分为一种液体-堵漏剂-过滤单元，其具有载体液体和聚结固体颗粒。
2006年11月专利us7134496b2单相微乳液改善了用反相乳液在钻井过程中形成滤饼的去除能力，单相微乳从沉积滤饼中除去油和固体，还可以用微乳液溶解滤饼桥接颗粒。
2012年8月专利us8252729b2提出了一种使用钻井液的方法和组合物，所述钻井液包括亚微米沉淀重晶石，其平均粒径低于1um。亚微米沉淀重晶石具有良好粒度分布，至少10％的沉淀重晶石直径低于0.2um，至少50％低于0.3um。通过沉淀重晶石的方法可以增加不同堵漏功能，减少钻井液漏失。
2015年7月专利us8783352b2提出了一种用水基钻井液提高页岩地层稳定性的方法，公开了任意形状的有效直径为1～500nm纳米颗粒组合物，包括亚类，如纳米粉体、纳米团簇和纳米晶体。本发明的纳米颗粒还可以通过表面改性提高其在钻井液中的稳定性，纳米颗粒表面电荷密度的改变改善了页岩稳定特性。
2018年3月专利us9910026b2提出了一种包括金属基体模型的复合材料示踪剂，主要由纳米材料模块和金属模块组合，厚度大约为10nm至200um，可以随着钻井液流动进入不同地层，嵌入到裂缝中进行井底的堵漏作用。
综上所述，国外堵漏剂专利主要改变钻井液颗粒的大小，以及采用桥接方式，改进堵漏功能。
中国专利主要采用改进堵漏材料的成分来减少钻井液的漏失，从而增加堵漏能力，如专利201110047689.x提出了一种可控膨胀堵漏剂，加工成本比较高，配方比例不好控制，均为市面上销售产品，购置时需要严格按行业标准或企标检验，只有合格者才能使用，推广比较困难。
专利201110088331.1提出了一种广谱可变形随钻防漏堵漏剂，该堵漏剂堵漏效率高、不依赖于漏层孔隙及裂缝尺寸、酸溶率高、可用于渗透性、裂缝性非储层及储层随钻防漏堵漏。
专利201210548442.0公开了一种可降解地下封堵材料属于材料制备的技术领域，在使用一定期限后，会部分自动溶解，有利于环保。
专利201210015064.x提出了一种五恒高分子封堵材料，发生放热化学反应的两种物质反应后发生膨胀，最后硬化，对水流的封堵，空间的填充，物料的粘结强度等都有很好的效果。
专利201310727758.0能够有效对抗地层水的稀释；进一步增强了封堵层的强度，为后续水泥封固建立了有效的屏障。
专利201310667534.5提出了一种延迟膨胀凝胶材料，用量较大、成本较高，且架桥剂、填塞剂推荐使用任意比，没有考虑级配和浓度配比问题，容易造成材料浪费和堵漏成功率低。
专利201310510834.2公开了一种钻井用微裂缝微纳封堵材料及制备方法，封堵材料由100～200份石蜡纳米乳液和200～400份复合超细碳酸钙复配而成。
专利201510411556.4公开了一种可控膨胀堵漏剂的可控膨胀速度，具有良好可变形性和自适应性，可以降低封堵层的渗透率，增强封堵层强度，提高封堵层承压能力，成本较低，无毒、无害、无污染，绿色环保。
201510696183.x公开了一种高强度自膨胀堵漏剂提供的高膨胀堵漏剂，起到高强度堵漏的作用，解决了普通堵剂无法驻留的难题。同时本堵漏剂配制时的溶解性和注入时的流动性较好，施工便捷、安全。
201710301790.0公开了一种可吸水膨胀堵漏剂，本发明堵漏剂合成及使用过程中考虑了不同裂缝开度下，堵漏剂的不同组成；同时考虑惰性材料的粒度级配和浓度，减少材料浪费；堵漏成功率高，对环境友好。
201110047689.x公开了一种可控膨胀堵漏剂及其制备方法，所得堵漏剂具有一定可变形性和强度，但是该堵漏剂采用的化工产品对环境不够友好，且制作成本较高。
综合分析上述专利和当前存在的堵漏问题，有些堵漏剂不能完全满足上述7项要求，常规的封堵办法效果比较差，如纤维、树脂封堵后主要在进入井壁表面附近的孔隙，不太容易进入远离井壁的位置，当井筒钻井液发生压力波动、流速变化，容易被冲刷和被排走，失去封堵的效果和作用，乳浊液类封堵材料颗粒小的进入远离井壁的裂缝太深，后期不容易从孔隙排出，阻止了后期产油和产气效率和产量，且没有能充分利用地层温度和压力的作用。其次，以往堵漏剂封堵难度大，适应性不强，其他类型的堵漏剂(如核桃壳类型)堵的小裂缝，且核桃壳类型的堵漏剂不会根据孔隙大小发生形变，且堵大的裂缝很难堵。总体来说，上述堵漏剂有些堵得很浅，有些堵的很深，不能有效封堵地层孔隙，而且成本较高，加工工艺和现场施工工艺难度都较大，而且工艺配方复杂，成本较高，
本专利选择一种既可以降解和产生较大弹性变形的胶囊型膨胀体型堵漏材料，适应孔隙直径的变化，发生弹性形变，胶囊型膨胀体材料可发生降解产生气体物质，随着钻井液或者循环工作液带出井底，在浅层井内温度较低不发生化学反应，在地层温度较高时，才发生化学反应，充分利用地层温度的梯度变化。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于地温加热的胶囊型膨胀体及其应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于地温加热的胶囊型膨胀体，包括：
胶囊外壳，
液体或/和固体温控膨胀材料组成；
所述胶囊外壳为耐碱膨胀性强的胶囊型膨胀体材料；
所述液体或/和固体温控膨胀材料为温控膨胀材料类型a或/和温控膨胀材料类型b。
进一步的，所述液体或/和固体温控膨胀材料为温控膨胀材料类型a时，常温常压下为液体或固体物质a，膨胀原理为物理气化或升华反应：
进一步的，所述液体或/和固体温控膨胀材料为温控膨胀材料类型b为固体单物质或者混合物b，膨胀原理为物质分解或者化学反应：
进一步的，所述胶囊型膨胀体外径在0.1～10mm。小外径膨胀体可以进入更小裂缝并远距离地层封堵，大外径膨胀体可以进入大裂缝和孔洞并远距离地层封堵，不同尺度外径膨胀体可优选配制比例实现有效地层漏失封堵。
本发明的胶囊型膨胀体适合不同地温梯度漏失地层，可以适用于地温为80～450℃范围的深井、超深井裂缝型、孔洞型地层油气井或者地热井；根据地层封堵需要和地层温度选用单一膨胀原理或两种膨胀原理的胶囊型膨胀体类型；温控膨胀材料可以是一种或不发生化学反应的两种气化材料，也可以是不同温度发生化学反应的单物质或混合物。
本发明还提供一种利用本发明胶囊型膨胀体封堵地层漏失和提高地层承载能力的具体操作方法，当地层发生漏失时，将所述胶囊型膨胀体与钻井液或气体循环介质按比例混合，随钻井液或气体循环介质在钻柱内循环并在压差作用下进入井周较远距离地层的裂缝和孔洞空间，当地温不断加热达到膨胀材料发生物理-化学反应温度时，体积快速膨胀为原来的3～10倍，胶囊型膨胀体弹性变形自适应封堵各种类型的漏失性地层。
进一步的，所述胶囊型膨胀体占钻井液体积比例为3％～8％，可与钻井液无害配伍且不需要改变钻井工艺。
本发明的有益技术效果是：相对于现有技术，本发明的技术效果如下：
(1)使用的胶囊型膨胀体能同时满足“流得进、冲不稀、扛得住、排得开、填得满、隔得断、抗得住”七项要求，这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力的重要性质；
(2)当钻井液循环温度较低时，胶囊型膨胀体不会发生膨胀，不会影响钻进作业；
(3)充分利用地层温度来发生化学反应，膨胀由小颗粒变成大颗粒，膨胀速度快，不需要附加的外作用因素，工艺简单，膨胀颗粒的结构和制造也简便，成本低廉。
(4)胶囊型膨胀体可以比较容易进入地层孔隙，近井壁和远离井壁的裂缝性地层都可以进入，进入后容易快速封堵孔隙。
(5)膨胀后的胶囊型膨胀体外壳选用可降解(在一定时间后降解)，并释放气体，快速排出，不会堵塞地层，恢复地层渗透率，不影响产能，对地层不构成伤害。
(6)胶囊型膨胀体外壳在地层高温持续作用一定时间后可降解破裂并释放气体和残余膨胀物，解除地层封堵，恢复地层渗透率。
(7)胶囊型膨胀体由小颗粒快速变成大颗粒封堵漏失地层，不需要额外作业，具有封堵快速有效、自适应、长距离、可解除等优势。
(8)混配搅拌钻井液时，胶囊型膨胀体不会发生变形，不会对钻井液的组分产生影响，可与钻井液无害配伍且不需要改变钻井工艺，在相对低温的井筒内循环流动时保持不膨胀状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于地温加热胶囊型膨胀体封堵地层漏失和提高地层承载能力的方法和工艺的剖面示意图；
图2为一种基于地温加热胶囊型膨胀体封堵地层漏失和提高地层承载能力的方法和工艺的囊型膨胀体材料发生物理气化反应的示意图；
图3为一种基于地温加热胶囊型膨胀体封堵地层漏失和提高地层承载能力的方法和工艺的胶囊型膨胀体材料发生化学分解反应的示意图；
图中1-钻柱、2-钻井液或气体循环介质、3-胶囊型膨胀体、4-井壁、5-漏失性地层、6-地层缝洞、7-小尺寸裂缝、8-大尺寸裂缝、9-膨胀后膨胀体、10-胶囊型膨胀体外壳、11-物理气化型物质a、12-化学分解型物质b、13-膨胀后膨胀体外壳、14-气态型物质a、15-气态型物质c、16-分解后残余物质d。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于地温加热胶囊型膨胀体封堵地层漏失和提高地层承载能力的方法和工艺，结构组成及工作流程如图1、图2和图3所示：一种基于地温加热胶囊型膨胀体(3)由胶囊外壳和液体或固体温控膨胀材料组成，地面配制后随液体钻井液或气体循环介质(2)在钻柱(1)内循环并在压差作用下进入井周较远距离地层的裂缝和孔洞等空间，地层裂缝孔隙主要分为地层缝洞(6)、小尺寸裂缝(7)及大尺寸裂缝(8)三种类型，当地温加热胶囊型膨胀体(3)到一定温度后快速大幅度膨胀，弹性变形自适应封堵各种类型的漏失性地层(5)并提高地层承载能力。
胶囊型膨胀体3由外壳和气化类或化学反应类材料组成，外壳为耐碱膨胀性强的可降解材料，弹性变形大。胶囊型膨胀体3可以进入相对井壁更深的地层裂缝和孔洞中，不会随着钻井液压力波动而堵不住井壁，提供更持续稳定封堵效果。
如图2所示胶囊型膨胀体(3)的温控膨胀材料类型a为常温常压下液体或固体物质a(11)(例如sicl4)，膨胀原理为物理气化或升华反应：
如图3所示胶囊型膨胀体(3)的温控膨胀材料类型b为固体单物质或者混合物b(12)(例如硝酸盐类、碱式碳酸盐类、亚硝酸钠、硫酸铵、硫酸亚铁等)，膨胀原理为物质分解或者化学反应：
进一步说明封堵地层和提供地层承载能力原理，胶囊型膨胀体(3)按3％～8％比例配制于液体钻井液或气体循环介质中，通过钻柱(1)或连续油管随钻井液或气体循环介质(2)，在压差作用下进入近井壁和较远距离范围的地层区域，当地温不断加热达到膨胀材料发生物理-化学反应温度时，体积快速膨胀为原来的3～10倍以上，胶囊型膨胀体(3)弹性变形自适应封堵地层裂缝和孔洞。
应用范围，胶囊型膨胀体(3)适合不同地温梯度漏失性地层(5)，可以适用于地温为80～450℃范围的深井、超深井、特超深井裂缝型、孔洞型地层油气井或者地热井；根据地层封堵需要和地层温度范围选用单一膨胀原理或复合膨胀原理的胶囊型膨胀体类型；温控膨胀材料可以是一种或不发生化学反应的两种气化材料，也可以是在不同温度发生化学反应的单一物质或多种物质的混合物。胶囊型膨胀体(3)外径在0.1～10mm范围内，小外径膨胀体可以进入小尺寸裂缝(7)并远距离地层封堵，大外径膨胀体可以进入大尺寸裂缝(8)和地层缝洞(6)并远距离地层封堵，不同尺度外径膨胀体可优选配制比例实现有效地层漏失封堵。
储层保护的特点，胶囊型膨胀体外壳(10)为可大幅度弹性变形的可降解材料，满足钻完井阶段堵漏和提高地层承载能力的要求且投产后降解解除地层伤害。胶囊型膨胀体外壳(10)在地层高温持续作用一定时间，满足钻井、建井、完井周期要求后，可降解破裂并释放气体和残余膨胀物，解除地层封堵，恢复地层渗透率。混配搅拌钻井液(2)时，胶囊型膨胀体(3)不会发生变形，不会对钻井液(2)的组分产生影响，可与钻井液无害配伍且不需要改变钻井工艺，在相对低温的井筒内循环流动时保持不膨胀状态。
为了更加清晰说明该发明的方法和工艺，举例说明如下：
实施列1
对于一口深井钻井作业，地温梯度为2.6℃/100m，在3000m附近井段发生了裂缝性地层漏失现象，地层温度约为100℃，拟采用本发明的胶囊型膨胀体(3)进行堵漏。根据井温和漏失地层特点选择本发明的物理气化型膨胀体为注入堵漏材料，在合理设计堵漏材料与钻井液配比基础上(胶囊材料与钻井液体积比例为3％～5％)，利用现场设备配制含膨胀型胶囊体的堵漏钻井液，胶囊型膨胀体(3)在配液罐内混匀后，通过钻井液泵-水龙带-钻杆-钻铤-钻头-环空流道空间，随钻井液循环。由于钻井液快速大排量循环，通常钻井液喷出钻头的温度低于地层原始温度20～30℃，如果在井口采取附加措施或低温大气环境作业，可以产生相对于地层温度降30～40℃，也就是与地层产生超过40℃温差。该工况下，选择物理气化型膨胀体进行地层堵漏，根据地层温度和井筒钻井液温度差，可选择液态sicl4或br2作为温控材料，该类材料在温度超过60～70℃后产生气化，体积迅速膨胀。也就是说，该sicl4或br2物理气化型膨胀体随钻井液循环过程中不会发生膨胀，在正压差作用下随钻井液漏失进入3000m井段的地层孔洞和裂缝以后，随着膨胀体在地层运移，地层温度对胶囊型膨胀体(3)持续性加热，直到膨胀体的温度超过气化温度，sicl4或br2温控材料从液态气化为气态，体积迅速膨胀到原来的3～10倍，膨胀后的弹性体堵塞于地层孔洞和裂缝中，随着大量膨胀性膨胀体相互堆积，且变形自适应，就完全贴合了孔洞和裂缝壁面，裂缝和孔洞流体流通通道被完全堵塞，形成了有效封堵漏失地层，阻止了进一步的钻井液漏失进入地层，同时使地层具备了更高的承载能力。由于膨胀后的胶囊外壳具有一定寿命(约半年时间)，可以实现整个钻完井过程持续封堵地层。钻完井结束后，进入采油气生产作业阶段，地层持续的高温高压作用于膨胀体的时间超过预期寿命，膨胀后的胶囊外壳逐渐发生分解破裂，包裹的气体和胶囊外壳在生产压差作用下排出地层，原来的裂缝又恢复了其连通性。从而实现钻完井阶段有效封堵地层，采油气阶段恢复生产。
实施列2
在超深井-特超深井钻完井时发生地层漏失或者同层漏喷等复杂情况，假设需要在6000m的井段注入该封堵材料，地层温度按照3℃/100m的梯度变化，漏失地层温度约为200℃，计算后井筒钻井液超过140℃，与地层温差约60℃，据此可选择150～200℃产生化学分解反应生产大量气体的硝酸盐类温控材料，即选用化学分解型膨胀体进行地层堵漏。选定膨胀体后，根据漏失情况设计钻井液与胶囊型膨胀体比例(通常体积比例为5％～8％)，配置堵漏钻井液。类似的，该膨胀体与钻井液循环过程中不会发生膨胀，漏失到地层孔洞裂缝以后，地层温度对胶囊型膨胀体(3)持续性加热，直到超过化学分解临界温度后，温控材料从固态物质分解出气体，生成的大量气体促使膨胀体的体积迅速膨胀到原来的3～10倍，膨胀后的弹性体堵塞裂缝和孔洞，实现有效封堵地层漏失的作用。同样的，在采油气生产作业阶段，膨胀后的胶囊外壳发生分解破裂，失去封堵能力，恢复地层产能。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！