[发明专利]粘弹性固井封隔材料

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井领域所用的一种固井封隔材料，尤其是一种固井施工时为液体，注入后自行固化的粘弹性固井封隔材料。

背景技术

固井后的环空窜流是当前钻井工程面临的技术难题之一。它会导致地层与套管之间无法实现有效封隔，造成层间窜流或井口冒油气水，严重时可能导致全井报废。固井材料封隔性能的优劣直接影响井下环空封隔能力的好坏。然而，作为目前常见的固井材料，油井水泥是一种水硬性的胶凝物质，固化后的水泥石存在孔隙度高、体积收缩大等固有缺陷，容易在其本体或与套管、地层的胶结界面处产生微米级的间隙和裂缝，形成微小的窜流通道，导致环空密封失效。同时，钻井过程中起下钻的碰撞、射孔的冲击等外力作用，复杂区块较高的地层压力和高度活动状态的地下流体，也容易对脆性大、形变量小水泥石造成不可恢复的破坏，进而诱发固井后的环空窜流，影响正常油气生产和采收率。

发明内容

本发明在于克服背景技术中存在的问题，而提供一种粘弹性固井封隔材料，该粘弹性固井封隔材料，能够增强固井环空的抗窜封隔能力，提高了油气井的固井封隔质量。

本发明解决其问题可通过如下技术方案来达到：一种粘弹性固井封隔材料，其组分及配比按质量百分比如下：高分子聚合物主剂20-82.5%，交联剂3-9%，流态调节剂5-9%，悬浮剂0.5-1%，加重剂0-49.5%，水0-22%。

所述的交联剂的原材料组分及质量比为：丙酸铬0.5-1份，碱式乙酸铝0.5份，乙酸铬1份，水100份；所述的流态调节剂的原材料组分及质量比为：硅酸钠100份，氯化钠100份，异丙醇50份；所述的悬浮剂的原材料组分及质量比为：膨润土100份，PAC-HV高聚阴离子纤维素50份；所述的加重剂为G级高抗硫油井水泥；所述的高分子聚合物主剂制备过程：(1)按质量比将2份羧甲基纤维素钠置于100份去离子水中，室温下搅拌120-150min至充分溶解；(2)称取4份丙烯酰胺、8份丙烯酸、10份丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和0.5份甲基丙烯酸甲酯倒入100份去离子水中，室温下搅拌20-30min；(3)将上述两组溶液移入反应釜中，搅拌均匀；(4)在自来水循环冷却条件下，用浓度30%的氢氧化钠溶液将pH值调至7；(5)通入氮气并开始加热，升温至反应温度60℃，温度恒定后继续搅拌20min；(6)加入0.05份引发剂过硫酸铵，保温反应6-12h；(7)冷却至室温，出料备用。

所述的粘弹性固井封隔材料的密度为1.05-1.70×10³kg/m³，使用温度20-80℃。

粘弹性固井封隔材料，通过表面接枝改性，将具有反应活性的功能基团引入高分子聚合物主链，使其在交联固化反应过程中能够以交联剂中的活性金属离子为节点交联成规整的三维空间网络结构，并且质地柔韧、承压形变大。分子链上富含的羟基、羧基和氨基使得聚合物具有极佳的保水性以及优异的密封性能；同时，这些基团还能与水泥石和地层表面的阳离子反应，使该材料有良好的黏附性。选用无机盐和小分子醇类作为流态调节剂，控制了分子链卷曲程度、降低了活性基团的反应速率。使用反应温和的有机交联剂，解决了聚合物材料流动度小、成胶时间短、受温度影响大的缺陷。

通过在大分子主链上引入微量的疏水基团，提高了其在水中的分散性和稳定性；在流态调节剂中添加硅酸盐，控制了油井水泥的水化进程、降低了聚合物分子对水泥颗粒的吸附程度，从而解决了聚合物大加量下与油井水泥相容性不佳的缺陷。

将该粘弹性固井封隔材料与油井水泥浆配合使用，在固井环空内形成类似“三明治”的夹层结构，就相当于给硬脆的水泥石加上了高效、柔韧的密封圈。井下工况中，随着交联反应的进行，该粘弹性固井封隔材料的分子结构增大、粘度增加、首先呈粘性液体状态。在地层压力作用下，该材料会被挤入水泥石本体以及水泥石-套管、水泥石-地层胶结界面的孔隙、微裂纹内，填补上述缺陷。此时，粘稠的液态聚合物分子在窄间隙内的排列带有倾向性、堆积程度较紧密，分子运动不仅要克服接触面上摩擦阻力，还要破坏聚合物分子间的范德华力、氢键等作用力，促使改变分子构象所需的能量增大、抗窜密封能力增加，该粘弹性固井封隔材料中添加的固相颗粒还会填充在缝隙表面或内部形成桥堵，保证密封。进一步交联成型后，该粘弹性固井封隔材料的分子结构排列整齐、致密，呈弹性固体状态。在地层压力的作用下，该材料会向顶部的水泥石压紧并产生压缩形变，利用其致密的分子结构填满各处密封间隙，阻隔地层流体的渗漏，确保密封；材料内部的固相颗粒不仅会改善高分子聚合物主剂的柔韧性，还会形成“迷宫”密封效应，进而提高材料整体的封隔能力。