一种密度可调高强抗温堵漏材料及其制备方法与流程

1.本发明属于油气、干热岩、地热钻井领域，更具体地，涉及一种密度可调高强抗温堵漏材料及其制备方法。


背景技术：

2.在油气、干热岩、地热钻井过程中，当钻遇压力衰竭地层、破碎或弱胶结地层、裂缝发育地层及多套压力层系等时，经常会发生井漏，桥接堵漏工艺仍然是最常用的方式。桥接堵漏作用机理就是惰性材料进入裂缝架桥封堵漏失层，不同粒径，不同软硬程度的颗粒材料形成“架桥”，“架桥”形成以后，形成了封堵漏失通道的基本骨架，漏失通道由大变小。骨架的强度决定着堵漏的成功与否。根据单颗粒桥堵非弹性破坏的最大压差理论，封堵带的强度与桥接材料的强度成正比例，即桥接材料的强度越高，形成的封堵带强度越高，因此选用高强度的架桥材料，有利于保证封堵墙的强度，提高堵漏效果。
3.为保证堵漏效果，现有堵漏浆一般由不同形状、不同大小、不同性质的多种堵漏材料复配而成，常用的有核桃壳、锯末、棉纤维等生物材料，橡胶粉、塑料片、纤维等有机材料及云母、长石、长石等矿物材料等。但是这些堵漏材料在应用中存在着一些问题。
4.(1)这些堵漏材料成分不同，密度差异大，当同时加入到堵漏浆时，由于不同堵漏材料之间及堵漏材料与堵漏浆之间存在密度差，重力作用下会出现低密度的核桃壳、橡胶粉上浮，而云母等矿物材料下沉，且大粒径材料上浮或下沉速度大于小粒径材料的问题，破坏堵漏浆的稳定性。
5.(2)常用的堵漏材料中核桃壳、锯末、纤维的密度要低，但抗温能力不足150℃，且由于吸水作用在溶液环境下强度衰减很快；树脂类塑料材料密度通常低于1.2g/cm3，但在温度下会发生变形、脆化，或者性质发生变化。而云母、长石、蛭石等矿物材料虽然抗温能力强且具有较高的强度，但密度大于2.0g/cm3，很容易沉降，见表1。处于中间范围与钻井液基浆密度接近的、密度1.2-2.0g/cm3、抗高温(150℃以上)承压能力好，且性能稳定的堵漏材料非常少。
6.(3)现有堵漏浆中的堵漏材料有多种组成，为了满足浆体的悬浮稳定性，需要堵漏浆保持一定的粘度和切力，但高粘度的堵漏浆一方面会增加泵送压力，另一方面浆体粘稠也限制了堵漏材料加量。且当堵漏浆进入较高温度漏层时，堵漏浆粘度变低，仍会发生堵漏材料分层现象，影响堵漏效果。
7.随着深井超井井日益增多，及干热岩开发潜力巨大，高温地层漏失对桥接堵漏材料在高温下的强度保持提出了更高要求。急需优选及研发与堵漏浆密度接近，且具备良好的抗温能力和高强度的桥堵材料。该堵漏材料应用时与钻井液体系密度接近，在钻井液中能够很好悬浮，可以简化堵漏材料种类，同时抗温抗压能力强，在漏层温度下能够形成一定强度的封堵墙。
8.酚醛树脂材料是由酚类和醛类在酸或碱催化剂存在下合成的缩聚物，它是世界上最先发现并实现工业化的合成树脂，因具有较高的力学强度、耐热性好、难燃、低毒、低发烟
等优点，被广泛应用于模塑料、涂料、摩擦材料、耐火材料、铸造树脂、粘合剂、泡沫塑料、半导体封装材料、光刻胶等领域。酚醛树脂塑料密度约为1.3g/cm3，可以用于钻井液堵漏，但酚醛性质脆，弹韧性差，影响堵漏承压能力。
9.表1部分常用堵漏材料性能
[0010][0011]


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的在于解决上述问题，开发一种可指定密度、密度在1.4-2.0g/cm3之间可调、抗温≥180℃，且抗温抗压能力好的堵漏材料及其制备方法，堵漏材料能够很好悬浮于堵漏浆中，不发生分层，解决桥接堵漏浆中堵漏材料抗温性不足、悬浮稳定性差的问题，简化堵漏材料种类，同时满足高温条件下的承压要求。
[0013]
本发明采用热固性酚醛树脂溶液为原料，在其中加入橡胶粉和无机粉体材料进行改性，制备出介于酚醛树脂和无机材料密度之间的堵漏材料，材料同时具有酚醛树脂和无机材料的双重优点，具有良好的抗温承压能力，同时加入的橡胶粉也增强了材料的弹韧性。
[0014]
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种密度可调高强抗温堵漏材料，该堵漏材料包括：
[0015]
酚醛树脂固相、橡胶粉、无机材料；
[0016]
所述酚醛树脂固相与所述橡胶粉的质量比为(35～70):(1～8)；
[0017]
所述无机材料与所述酚醛树脂固相的质量比为(2.5～0.15):1。
[0018]
根据本发明，所述酚醛树脂固相、所述橡胶粉、所述无机材料的用量在上述范围的有益指出在于该范围为最优的操作范围。如果无机材料含量太高，会造成形成的均匀溶液太粘稠，或无法混合，均匀性受到影响。而无机材料含量太低的话形成的堵漏材料密度低，抗温承压能力相对较差。(备注：无机材料含量越高，制备的堵漏材料抗温性越好，承压能力越高，但混合时形成的溶液越粘稠，操作难度加大)。
[0019]
作为优选方案，所述堵漏材料的组成为：
[0020]
酚醛树脂固相、橡胶粉、无机材料。
[0021]
作为优选方案，酚醛树脂固相与橡胶粉的质量比为(40～60):(2～5)。
[0022]
作为优选方案，无机材料与酚醛树脂固相的质量比为(1.2～0.17):1。
[0023]
作为优选方案，所述橡胶粉的目数为100-200目，进一步优选为120-180目。
[0024]
作为优选方案，所述无机材料包括膨润土、碳酸钙和重晶石粉末中的至少一种，当然，也可以采用本领域技术人员常规采用的其他无机材料，只要满足本发明的目的即可。
[0025]
作为优选方案，所述粉碎方式为冷冻粉碎和/或常温粉碎。
[0026]
本发明的第二方面提供上述的密度可调高强抗温堵漏材料的制备方法，该制备方法包括：
[0027]
(1)将热固性酚醛溶液用水进行稀释，得到混合均匀且粘稠的酚醛溶液；
[0028]
(2)向酚醛溶液中加入橡胶粉；
[0029]
(3)向体系中加入无机材料，混合均匀，得到混合物；
[0030]
(4)使混合物反应，然后进行干燥；
[0031]
(5)将干燥后的固体物粉碎至目标粒径，得到堵漏材料。
[0032]
作为优选方案，步骤(4)中，反应的温度为80-150℃。
[0033]
作为优选方案，步骤(4)中，干燥的时间为8-24h。
[0034]
根据本发明，在一个具体的实施方式中，步骤(1)中，如果溶解不开可以滴加10％的naoh溶液并不断搅拌，直到形成均匀粘稠的溶液。
[0035]
本发明的有益效果：
[0036]
本发明的方法制备的堵漏材料是酚醛树脂和无机材料的混合物，同时利用超细橡胶粉改善材料的脆性，具有以下优点：
[0037]
(1)本发明的方法在溶液状态下将酚醛树脂和无机材料均匀混合，因此反应完成后形成的材料整体结构均匀，密度介于酚醛树脂和无机材料之间，且可以根据需要通过调整酚醛树脂和无机材料的种类制备出介于两者之间任意密度的堵漏材料。
[0038]
(2)本发明的方法以水溶的热固性酚醛为原料，工艺简单，成本低。
[0039]
(3)本发明的方法制备的堵漏材料抗温超过180℃，抗压能力高，且有一定弹韧性，可以制备出酚醛树脂和无机材料之间的系列密度堵漏材
[0040]
(4)本发明制备出的堵漏材料加入到堵漏浆中，堵漏材料悬浮不沉降，堵漏浆中堵漏材料的粒度级配可保持均匀稳定。
[0041]
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
[0042]
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0043]
堵漏材料粒径搭配规律按照san-2工程分布规律进行，具体为：
[0044][0045]
式中：
[0046]v1
—留于s尺寸筛上的颗粒体积，％；
[0047]vt
—留于smin筛上的颗粒总体积，％；
[0048]smin
—所用最大目数筛尺寸，mm；
[0049]
k—常数，一般取1.1～1.2；
[0050]
w—需要封堵的裂缝宽度，mm。
[0051]
按照san-2工程分布规律计算出不同粒径材料的体积比，再根据体积比确定不同粒径的材料重量。
[0052]
堵漏评价：利用dlm-01a型堵漏模拟装置堵漏浆进行封堵效果评价，仪器最大承压为7mpa。
[0053]
实施例1：
[0054]
(1)称取100g固含量为50％的酚醛树脂溶液，加入2.5g 100目的橡胶粉，再加入8.5g超细碳酸钙，搅拌均匀后在80℃下保温反应24h。样品完全干燥后冷冻粉碎成不同粒径尺度的堵漏材料，测得堵漏材料的密度为1.4g/cm3，无机材料与酚醛树脂固相的比例为0.17:1。
[0055]
(2)配置堵漏浆a。在密度1.4g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入上述所得的堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的8％重量体积比。
[0056]
(3)配置堵漏浆b。在密度1.4g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入同样粒度及配比的核桃壳堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的8％重量体积比。
[0057]
(4)堵漏浆a与堵漏浆b分别在180℃下热滚16h后对比其封堵性能。堵漏浆a能够封堵3mm裂缝，承压1mpa。堵漏浆b封堵失败。
[0058]
实施例2：
[0059]
(1)称取100g固含量为50％的酚醛树脂溶液，加入1g 200目的橡胶粉，再加入17.61g超细碳酸钙，搅拌均匀后在100℃下保温反应18h。样品完全干燥后冷冻粉碎成不同粒径尺度的堵漏材料，测得堵漏材料的密度为1.5g/cm3，无机材料与酚醛树脂固相的比例为0.3522:1。
[0060]
(2)配置堵漏浆a。在密度1.5g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入上述所得的堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的8％重量体积比。
[0061]
(3)配置堵漏浆b。在密度1.5g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入同样粒度及配比的核桃壳堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的8％重量体积比。
[0062]
(4)堵漏浆a与堵漏浆b分别在180℃下热滚16h后对比其封堵性能。堵漏浆a能够封堵3mm裂缝，承压3mpa。堵漏浆b封堵失败。
[0063]
实施例3：
[0064]
(1)称取100g固含量为40％的酚醛树脂溶液，加入1.2g 150目的橡胶粉，再加入30.67g膨润土，搅拌均匀后在120℃下保温反应16h。样品完全干燥后冷冻粉碎成不同粒径尺度的堵漏材料，测得堵漏材料的密度为1.6g/cm3，无机材料与酚醛树脂固相的比例为0.76675:1。
[0065]
(2)配置堵漏浆a。在密度1.6g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入上述所得的堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的10％重量体积比。
[0066]
(3)配置堵漏浆b。在密度1.6g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入同样粒度及配比的核桃壳、云母、长石堵漏材料，三种材料的比例为2:2:1，堵漏材料总体
加量为浆体的10％重量体积比。
[0067]
(4)堵漏浆a与堵漏浆b分别在180℃下热滚16h后对比其封堵性能。堵漏浆a能够封堵3mm裂缝，承压4mpa，浆体放置24h后仍然能够成功封堵。堵漏浆b封堵失败。
[0068]
实施例4：
[0069]
(1)称取100g固含量为60％的酚醛树脂溶液，加入1g 120目的橡胶粉，再加入70g超细碳酸钙，搅拌均匀后在150℃下保温反应8h。样品完全干燥后冷冻粉碎成不同粒径尺度的堵漏材料，测得堵漏材料的密度为1.8g/cm3，无机材料与酚醛树脂固相的比例为1.1667:1。
[0070]
(2)配置堵漏浆a。在密度1.8g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入上述所得的堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的10％重量体积比。
[0071]
(3)配置堵漏浆b。在密度1.8g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入同样粒度及配比的核桃壳、云母、长石堵漏材料，三种材料的比例为2:2:1，堵漏材料总体加量为浆体的10％重量体积比。
[0072]
(4)堵漏浆a与堵漏浆b分别在180℃下热滚16h后对比其封堵性能。堵漏浆a能够封堵3mm裂缝，承压5mpa，浆体放置24h后仍然能够成功封堵。堵漏浆b封堵失败。
[0073]
实施例5：
[0074]
(1)称取100g固含量为35％的酚醛树脂溶液，加入2.8g 180目的橡胶粉，再加入73g超细碳酸钙，搅拌均匀后在150℃下保温反应8h。样品完全干燥后冷冻粉碎成不同粒径尺度的堵漏材料，测得堵漏材料的密度为2.0g/cm3，无机材料与酚醛树脂固相的比例为2.09:1。
[0075]
(2)配置堵漏浆a。在密度2.0g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入上述所得的堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的12％重量体积比。
[0076]
(3)配置堵漏浆b。在密度2.0g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入同样粒度及配比的核桃壳、云母、长石堵漏材料，三种材料的比例为2:2:1，堵漏材料总体加量为浆体的12％重量体积比。
[0077]
(4)堵漏浆a与堵漏浆b分别在180℃下热滚16h后对比其封堵性能。堵漏浆a能够封堵3mm裂缝，承压7mpa，浆体放置24h后仍然能够成功封堵。堵漏浆b封堵失败。
[0078]
(5)堵漏浆a在200℃下热滚16h后，封堵3mm裂缝，承压6mpa。
[0079]
实施例6：
[0080]
(1)称取100g固含量为70％的酚醛树脂溶液，加入1.4g 100目的橡胶粉，再加入26g重晶石粉，搅拌均匀后在100℃下保温反应20h。样品完全干燥后冷冻粉碎成不同粒径尺度的堵漏材料，测得堵漏材料的密度为1.6g/cm3，无机材料与酚醛树脂固相的比例为0.37:1。
[0081]
(2)配置堵漏浆a。在密度1.6g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入上述所得的堵漏材料，堵漏材料总体加量为浆体的12％重量体积比。
[0082]
(3)配置堵漏浆b。在密度1.6g/cm3的钻井液基浆中，按照san-2工程分布规律，加入同样粒度及配比的核桃壳、云母、长石堵漏材料，三种材料的比例为2:2:1，堵漏材料总体加量为浆体的12％重量体积比。
[0083]
(4)堵漏浆a与堵漏浆b分别在180℃下热滚16h后对比其封堵性能。堵漏浆a能够封
堵4mm裂缝，承压4mpa，封堵3mm裂缝，承压4.5mpa。堵漏浆b封堵失败。
[0084]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。