浅井高分子聚合冻胶堵漏剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种浅井高分子聚合冻胶堵漏剂，本发明还涉及一种浅井高分子聚合 冻胶堵漏剂的制备方法，属于石油钻井技术领域。
【背景技术】
[0002] 井漏是钻井过程中经常遇到的技术难题，会造成钻井液的大量流失，导致钻井成 本的上升，同时会导致井底压力发生变化，诱发井壁失稳、井塌、井涌、井喷等复杂事故的发 生，严重制约着钻井速度的提高。
[0003]目前在石油钻井钻遇地层漏失段时，由于缺乏新型的堵漏技术，一般采用常规堵 漏剂堵漏。国内处理浅井漏普遍采用的是桥接堵漏，桥接堵漏具有经济，使用方便，施工安 全的优点，可以解决由孔隙和裂缝造成的部分漏失和失返漏失。国内使用的桥接堵漏材料 大致分为三类：硬质果壳类、纤维状材料和薄片状材料。在堵漏过程中，任何一类材料单独 使用，其作用都是有限的，只有将上述三类材料以合理的比例和级配复合使用，才能收到应 有的效果，但是随着钻进的不断深入，漏失地层的温度也在不断升高，浸泡在泥浆中的硬质 果壳类材料和植物纤维类材料如核桃壳、榛子壳、棉籽壳和锯末等，在井内高温、高压和强 碱腐蚀的条件下，随着时间的推移，这些材料将慢慢变软、腐蚀，甚至某些材料会被烧焦，致 使桥接强度急剧下降，很容易造成堵漏失败或二次漏失，无法从根本上解决堵漏的难题。
[0004] 井深为2000~3000m称为浅井，井下温度通常在80 °C~100 °C。常规堵漏方法虽 然为石油钻井的堵漏工程发挥了作用，但同时存在着缺点或不足，耐温能力低、有效期短、 堵漏效率差、堵漏材料耗费量大、堵漏时间长、堵漏安全系数差，易出现井下复杂情况，这些 缺点直接影响钻探开发进程，因此传统的堵漏材料已经远远不能够满足日益发展的复杂井 的堵漏需求，因此研究一种浅井堵漏剂是十分必要的。
【发明内容】
[0005] 本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种浅井高分子聚合 冻胶堵漏剂，堵漏可靠，且耐温耐压。
[0006] 为解决以上技术问题，本发明的一种浅井高分子聚合冻胶堵漏剂，该堵漏剂的 原料组分及重量含量如下，精制棉钠盐溶液：120份、丙烯酰胺：（75~85)份、过硫酸铵： (13~17)份、硫酸铈：（2~5)份、P-D-甘露糖醛酸(M):4份、磷酸二氢铵：（1~1. 5)份、 复合硅酸盐水泥浆：1〇〇份、滑石粉：（80~90)份和混杂型微纤维：20份；所述复合硅酸盐 水泥衆的水灰比为〇. 44。
[0007] 相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：①精制棉钠盐提供交联反应的纤 维素；丙烯酰胺起到架桥吸附作用，使纤维素发生絮凝，相互交联；过硫酸铵引发交联反 应，同时使纤维脱浆；硫酸铈引发高分子物发生聚合、接枝反应；滑石粉和混杂型微纤维起 到架桥粒子的作用，提供最后形成"封堵墙"的强度保证。②该堵漏剂采用合成纤维与天然 纤维交联形成了相互缠绕的网状高分子聚合物，能够耐温1〇〇°C以上，抗压能力达到5MPa， 完全能够满足2000~3000m浅井的堵漏要求。③本发明中混杂型微纤维的添加比例使得 堵漏剂具有最高的强度，如果继续提高混杂型微纤维的重量比，反而会干扰凝胶化学物质 的化学交联作用，反而会降低其堵漏的承压能力。
[0008] 作为本发明的优选方案，所述精制棉钠盐的制备方法如下：①准备棉纤维聚合度 为12000~14000的精制棉和重量百分浓度为17. 5~18%的氢氧化钠溶液，精制棉与氢氧 化钠溶液的重量比为5:2 ;②将精制棉投入氢氧化钠溶液中，在60°C下搅拌并反应1. 5小 时以上，直至呈现均匀的白色悬浮乳液，得到精制棉钠盐初溶液；③对精制棉钠盐初溶液进 行超声微振动30分钟，得到精制棉钠盐溶液，超声频率为20kHz~30kHz，超声作用强度为 2.0W/cm2~3.OW/cm2。精制棉与氢氧化钠反应生成精制棉钠盐，使得精制棉内部的得到 充分湿润膨胀，提尚了精制棉的反应活性，有利于进一步的交联反应。超声处理可以提尚精 制棉钠盐的分子链接支程度，为后续与交联剂提供更多的接支端。反应机理为：
[0009] 作为本发明的优选方案，所述混杂型微纤维由碳酸钙晶须和有机微纤维进行均匀 混杂而成，所述碳酸钙晶须和有机微纤维的混合比为0.8:1。碳酸钙晶须和有机微纤维均匀 分散在高分子聚合冻胶中，与高分子聚合冻胶中的高分子聚合物交联形成相互缠绕的网状 高分子聚合物。碳酸钙晶须为形成"封堵墙"提供物理性的支撑作用，使其强度大幅提升； 有机微纤维与碳酸钙晶须相互缠绕，为形成的"封堵墙"提供物理性的支撑作用，使其强度 大幅提升；同时，增加了"封堵墙"在受地层压力作用下发生变形时的强度。
[0010] 作为本发明进一步的优选方案，所述碳酸钙晶须的长度20~30ym，直径0. 5~ Iym，pH值9. 0~9. 5,弹性模量为410~710GPa且抗拉强度不低于2. 058GPa;所述有 机微纤维由聚酯纤维和聚丙烯纤维组成，聚酯纤维和聚丙烯纤维的重量为7:3 ;所述聚酯 纤维的直径20~25ym，长度6~9mm，断裂伸长率彡15%，抗拉强度彡960MPa且弹性 模量彡9000MPa;所述聚丙烯纤维的长度为10~20mm，单丝纤度彡2. 2dtex，抗拉强度 多660MPa，弹性模量多350MPa。聚丙烯纤维可提高"封堵墙"的强度，提高"封堵墙"在受压 变形后的回弹性能。聚酯纤维可改善"封堵墙"的抗疲劳性能、抗裂性能和高温稳定性能， 可有效提高"封堵墙"的抗拉、抗压、抗剪切、以及抗冲击强度，弥补聚丙烯纤维在耐热及耐 老化方面的不足。
[0011] 作为本发明进一步的优选方案，所述聚酯纤维和聚丙烯纤维均在60°c下在亲水整 理剂中浸泡3小时。由于聚酯纤维和聚丙烯纤维结构规整但亲水性差，在高分子聚合冻胶 中难以分散均匀，对聚酯纤维和聚丙烯纤维采用亲水整理剂进行表面改性处理，可提高其 亲水性能，有利于它们在聚合物凝胶中均匀分散，使形成的"封堵墙"结构及强度均匀。
[0012] 本发明的另一个目的在于，提供一种浅井高分子聚合冻胶堵漏剂的制备方法，该 方法制备而成的堵漏剂，堵漏可靠，且耐温耐压。
[0013] 为解决以上技术问题，本发明的一种浅井高分子聚合冻胶堵漏剂的制备方法，依 次包括如下步骤：⑴按以下组分及重量含量准备原料，精制棉钠盐溶液：120份、丙烯酰胺： (75~85)份、过硫酸铵：（13~17)份、硫酸铈：（2~5)份、P-D-甘露糖醛酸（M) :4份、 磷酸二氢铵：（1~1. 5)份、复合硅酸盐水泥浆：100份、滑石粉：（80~90)份和混杂型微 纤维：20份；所述复合硅酸盐水泥浆的水灰比为0. 44 ;⑵向精制棉钠盐溶液中加入丙烯酰 胺，以400r/min的转速进行高速搅拌10分钟使两者充分混合，然后以300r/min的转速进 行中速搅拌，中速搅拌的同时加热至60°C并保持恒温；⑶向步骤⑵的反应产物和反应容器 中持续通入氮气，通入氮气3分钟后在保持中速搅拌且保持在恒温60°C下，缓慢加入过硫 酸铵颗粒，反应直至颗粒物消失后，继续回流反应1. 5小时；⑷将温度升高至80°C并保持恒 温，在保持中速搅拌下，缓慢加入硫酸铈颗粒，然后关闭反应容器的加料口，提升氮气的充 入量，保持反应容器内的压力为I. 3MPa，回流反应3小时以上直至反应物呈现白色乳液状， 得到高分子聚合冻胶；检测所述高分子聚合冻胶的分子量在400万以上；(5)在保持中速搅 拌的状态下，向上述高分子聚合冻胶中缓慢加入0-D-甘露糖醛酸（M)，加入完毕后继续中 速搅拌10分钟，并调节pH值为7~7. 5 ;(6)向步骤(5)的反应产物中加入复合硅酸盐水泥浆、 滑石粉和混杂型微纤维，中速搅拌15分钟以上直至混合均匀；(7)向步骤(6)的反应产物中加 入磷酸二氢铵，中速搅拌10分钟，得到浅井高分子聚合冻胶堵漏剂。
[0014] 相对于现有技术，本发明取得了如下有益效果：①精制棉钠盐提供交联反应的纤 维素，丙烯酰胺起到架桥吸附作用，使纤维素发生絮凝，相互交联。过硫酸铵引发交联反应， 同时使纤维脱浆；在加入过硫酸铵前通入氮气，确保反应环境无氧，避免纤维素在交联过程 中起粘，影响最终交联产物的分子量；回流反应I. 5h确保在交联反应引发剂的作用下，精 制棉纤维素与能提供架桥吸附作用的丙烯酰胺充分交联、共聚反应，使纤维素分子链变长， 且分子量剧增。硫酸铈进一步引发纤维素与丙烯酰胺之间、纤维素与丙烯酰胺通过过硫酸 铵交联共聚反应产物之间及纤维素与交联共聚反应物之间相互接枝，使产生的高分子聚合 物的分子量更大，分子链有更多的支链，为形成之后在触变剂的作用下形成凝胶提供更多 的支链，形成的凝胶强度更高。反应机理为：
[0015] ②尚分子聚合冻胶的分子量在400万以上说明交联、共聚、接枝反应的非常充分， 为形成"封堵墙"的强度提供保证。③高分子聚合冻胶中加入P-D-甘露糖醛酸（M)后，P-D-甘露糖醛酸（M)的钠离子与高分子聚合冻胶中的酰胺基交换，在羧基部位进行离子 取代，从而发生胶凝反应，形成胶块。0 -D-甘露糖醛酸（