CN110616065B - 一种固井用高界面粘结力纤维颗粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固井领域，特别涉及一种用于固井用高界面粘结力纤维颗粒及其制备方法。该颗粒以刚性纤维或树脂作为芯料，以温敏树脂为中间层，以韧性纤维长丝缠绕为表皮层，同时提供一种制备高界面粘结力纤维颗粒的方法。该纤维颗粒在水泥浆中的添加比例随需要任意调整；颗粒随水泥浆到达井下，当温度达到温敏软化温度后，颗粒“释放”出纤维长丝，在水泥浆的带动下，纤维打开，产生体积位阻效应，完成封堵过程，同时提高水泥石的和强度和韧性。

Description

一种固井用高界面粘结力纤维颗粒及其制备方法

技术领域

本发明涉及固井领域，进一步地说，是涉及一种固井用高界面粘结力纤维颗粒及其制备方法。

背景技术

固井是石油钻井过程中非常重要的一个环节，固井质量和效率直接关系油井运行稳定和开采成本。

固井过程中发生井漏是需克服的难题，如若解决不好，将直接导致水泥浆的漏失，引起水泥浆失返、固井质量差等问题。同时水泥石脆性大，容易受外力脆裂，影响水泥环的密封完整性。

为解决上述两个问题固井中常常加入纤维(如专利CN201310066429“一种弹性固井水泥浆及其制备方法”)，即纤维的作用主要有两个方面：一是堵漏；二是增强水泥石韧性。

解决油气井的漏失问题一直是各大油气田关注的课题。常规固井水泥浆不具备堵漏功能，但在加入惰性纤维材料后，由于纤维的堆积和架桥作用，容易在漏失通道中形成网状结构，而水泥浆的常规性能不会发生太大变化，因此可对钻井、固井过程中的漏失进行一定程度的封堵。并且，纤维的加入还能提高水泥石的韧性，确保后期射孔作业更好地进行。

纤维作为一种惰性材料，常用来配制纤维水泥浆用于固井作业。纤维水泥浆就是在水泥浆基础配方中混入一定比例和长度的纤维材料，混合后的水泥浆性能与原浆相比没有太大的变化，并且纤维容易在漏失通道中通过堆积、架桥形成网状结构。因此，纤维水泥浆也可用于井漏封堵作业。目前，主要是通过改变纤维的加量(<5‰，占水泥的量)和长度(1～6mm)，形成纤维堵漏水泥浆体系。这种体系，一般是靠操作人员在水泥车上加入纤维。这里需要说明的是，因为纤维具有聚团缠绕性，所以不能干混在水泥中。同时，人工在水泥车上撒入纤维速度较慢，且纤维加入过多会影响水泥浆的流变性质，所以一般加入量<5‰(占水泥的量)。另外纤维的长度不能过长，这限制了纤维堵漏浆的堵漏效果，且传统纤维表面疏水或亲水性差与水泥胶结性不好。

目前，在固井过程中，传统防漏、堵漏方法均是通过向水泥浆中加入短切纤维的方法，但该方法的一个致命缺陷是添加量无法提高，因此在井漏严重的情况，无法保证固井质量；且存在短切纤维易团聚、缠绕，混不匀，只能人工抛洒。

发明内容

为有效的解决以上现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种高界面粘结力纤维颗粒，将其用于防漏堵漏，特别是用于形成防漏、堵漏油井水泥浆体系中和钻井液堵漏中，该纤维颗粒可在固井现场直接与水泥灰干混或与水泥浆湿混，在固井过程中，随水泥浆进入井下，到达温敏温度后，纤维颗粒在水泥浆剪切作用下，发生取向变形，增大体系流动阻力，有效封堵岩石缝隙。

本发明的目的之一在于提供一种固井用高界面粘结力纤维颗粒，该颗粒以刚性纤维或树脂作为芯料，以温敏树脂为中间层，以韧性纤维长丝缠绕为表皮层。

所述纤维颗粒的粒径为0.5～3.0mm，优选为0.7～1.5mm，特别优选为0.8～1.2mm。

所述刚性纤维或树脂优选为涤纶纤维、丙纶纤维(聚丙烯)、碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维、乙纶纤维(聚乙烯)、氯纶纤维(聚氯乙烯)、锦纶纤维(尼龙)、聚酯中的一种或几种，更优选涤纶纤维、氯纶纤维、锦纶纤维、聚酯中的一种或几种，特别优选涤纶纤维、锦纶纤维或聚酯中的一种或几种。

刚性纤维或树脂起支撑、承载温敏树脂的作用，只要是具有能够卷绕特征的纤维和树脂均可以作为本发明所述的芯层材料使用，不局限于上述所列纤维和树脂品种。

所述刚纤维或树脂的细度优选30～150旦，更优选50～120旦，特别优选80～100旦。

优选芯部刚性纤维或树脂的直径为0.3～0.8mm，更优选直径为0.5～0.7mm。

所述温敏树脂的软化温度优选为60～105℃，更优选温度为75～95℃。

所述温敏树脂优选为石蜡、松香、聚氨酯、聚乙烯醇、共聚烯烃、聚酯中的一种或几种，特别优选聚氨酯或共聚烯烃。

所述韧性纤维长丝的截面为圆形或非圆形，优选截面为圆形。

所述韧性纤维长丝的纤度优选为1～2dtex，更优选1.2～1.8dtex。

所述韧性纤维长丝的有效长度优选为8～20cm，更优选有效长度为12～15cm。

所述韧性长丝选自丙纶长丝、锦纶长丝或涤纶长丝中的至少一种，优选为丙纶长丝。

在本发明中，通过向防漏、堵漏浆液中加入纤维颗粒，所加入颗粒粒径较小，便于在水泥浆体系中混合均匀，不存在堵漏浆液中发生团聚的现象。同时，在注入井筒初期由于温度低未达到温敏树脂软化温度，所以不会解散释放出粘联的封堵纤维长丝。随着堵漏浆液进入井中，地层温度逐渐升高，当达到温敏树脂软化温度时，其粘联作用减弱，原有的颗粒状物发生形变，在水泥浆的带动下“释放”出韧性纤维长丝，并在流动剪切作用下使其均匀分散到堵漏浆液中。因此，本发明不但解决了加入传统短切纤维的加入量受限的缺陷，而且颗粒间不会团聚，避免了缠绕井下附件的风险，其添加方式为直接混合添加，添加量随需要任意可调，操作简单，避免了使用短切纤维过程中需要边注入边加入纤维的难度较高的操作工序，同时也避免了加入量过少而不能充分发挥其防漏和/或堵漏效果的问题，而且纤维颗粒在堵漏液中的分布更加均匀，因此，能有效的防漏和/或堵漏。

本发明的目的之二是提供一种固井用高界面粘结力纤维颗粒的制备方法，包括以下步骤：

(1)将温敏树脂加热熔融；

(2)将熔融的温敏树脂包覆到刚性纤维或树脂表面；

(3)将韧性纤维长丝缠绕到温敏树脂的表面；

(4)对步骤(3)得到的产物进行冷却、牵引、切割得到所述纤维颗粒。

优选的，所述纤维颗粒制备方法具体可包括如下步骤：

(1)将温敏树脂加入挤出机，加热熔融挤出；

(2)用送丝机将刚性纤维或树脂送入挤出机机头，将熔融的温敏树脂包覆到刚性纤维或树脂表面；

(3)将包覆温敏树脂的刚性纤维或树脂送入装有韧性纤维长丝的缠绕机里，在温敏树脂表面进行缠绕；

(4)将缠绕、复合后的中间产物依次、连续经过冷却器、牵引机和切割机，完成高界面粘结力纤维颗粒制备。

本发明制备过程中，所采用工艺均为现有技术中通常的加工工艺，所用设备也均是现有技术中的通常设备的组合。

本发明所提供的纤维颗粒及其制备方法具有如下特征：

①以温敏形状记忆聚合物作为粘结剂形成复合纤维颗粒；

②纤维颗粒可以干混加入水泥中或加入钻井泥浆中；

③纤维颗粒的加入量可以随需要任意调整，且不影响水泥浆的混配和注入；

④纤维颗粒进入油井中当达到温敏形状记忆聚合物的形变温度时，表层韧性纤维长丝取向变形，发挥防漏、堵漏作用；

⑤纤维颗粒同时具有明显提高水泥石的韧性的作用。

本发明的固井用纤维粒子是一种具有高界面粘结力的固体颗粒。针对性解决：①传统固井用纤维表面疏水或亲水性差与水泥胶结性不好的问题；②传统固井用纤维具有聚团缠绕性，不能干混在水泥中的问题。新材料可替代传统纤维应用，具有较好的推广和应用价值。

本发明纤维颗粒体积大小1mm³左右，在水泥浆中的添加比例随需要任意调整，不明显增加水泥浆体系粘度；随水泥浆到达井下，温度达到温敏软化温度后，纤维颗粒“释放”出韧性纤维长丝，在水泥浆的带动下，纤维打开，产生体积位阻效应，完成封堵过程，同时提高水泥石的强度和韧性。经过前期科研验证，证明原理可行，具有良好的效果。

附图说明

图1是纤维颗粒制备工艺流程图。

图2是纤维颗粒结构示意图。

附图标记说明：1-刚性纤维或树脂；2-送丝机；3-进料口；4-挤出机；5-缠绕机；6-冷却器；7-牵引机；8-切割机；9-产物；10-温敏树脂；11-韧性纤维长丝。

具体实施方式

实施例1

(1)固井用高界面粘结力纤维颗粒的制备

纤维粒子结构：芯部刚性纤维材质为锦纶纤维(南通锦达化纤有限公司，PH6-HTY)，细度85旦。温敏树脂为聚氨酯树脂(北京北化工程技术有限公司，BHT-2018)，热致形变温度95℃。外部为丙纶长丝(广州兰精化纤有限公司，LJ35)，纤度2dtex，长度12cm，截面为圆形。

制备方法包括：

1)将温敏树脂加入挤出机，加热熔融挤出；

2)用送丝机将刚性纤维送入挤出机机头，将熔融的温敏树脂包覆到刚性纤维表面；

3)将包覆温敏树脂的刚性纤维送入装有丙纶长丝的缠绕机里，在温敏树脂表面进行缠绕；

4)将缠绕、复合后的中间产物依次、连续经过冷却器、牵引机和切割机，得到高界面粘结力纤维颗粒，纤维粒子粒径1.0mm。

(2)加入纤维粒子的水泥浆和水泥石制备

称取500g油井水泥(冀东水泥股份有限公司，425#)，占水泥质量1％的上述制备的纤维粒子，和220g水。将水放在混合容器中，用搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的水泥和纤维粒子，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，制得纤维粒子水泥浆。

将上述纤维粒子水泥浆，倒入4cm×4cm×16cm的养护模块中，放入90℃的水浴中养护24小时，取出已经凝固的水泥，得到纤维粒子水泥石模块。按照SY/T5276-2000进行测试，测试抗压强度为28.3MPa。

实施例2

加入纤维粒子的水泥浆和水泥石制备

称取500g油井水泥，占水泥质量2％的实施1制备得到的纤维粒子，和220g水。将水放在混合容器中，用搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的水泥和纤维粒子，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，制得纤维粒子水泥浆。

将上述纤维粒子水泥浆，倒入4cm×4cm×16cm的养护模块中，放入90℃的水浴中养护24小时，取出已经凝固的水泥，得到纤维粒子水泥石模块。测试抗压强度为31.2MPa。

实施例3

加入纤维粒子的水泥浆和水泥石制备

称取500g油井水泥，占水泥质量3％的实施1制备得到的纤维粒子，220g水。将水放在混合容器中，用搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的水泥和纤维粒子，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，制得纤维粒子水泥浆。

将上述纤维粒子水泥浆，倒入4cm×4cm×16cm的养护模块中，放入90℃的水浴中养护24小时，取出已经凝固的水泥，得到纤维粒子水泥石模块。测试抗压强度为32.4MPa。

实施例4

加入纤维粒子的水泥浆和水泥石制备

称取500g油井水泥，占水泥质量4％的实施1制备得到的纤维粒子，220g水。将水放在混合容器中，用搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的水泥和纤维粒子，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，制得纤维粒子水泥浆。

将上述纤维粒子水泥浆，倒入4cm×4cm×16cm的养护模块中，放入90℃的水浴中养护24小时，取出已经凝固的水泥，得到纤维粒子水泥石模块。测试抗压强度为32.9MPa。

对比例1

空白水泥浆和水泥石制备

称取500g油井水泥，220g水。将水放在混合容器中，用搅拌器以低速(4000±200转/分)转动，并在15秒内加完称取的水泥，盖上搅拌器的盖子，并在高速(12000±500转/分)下继续搅拌35秒，制得空白水泥浆。

将上述空白水泥浆，倒入4cm×4cm×16cm的养护模块中，放入90℃的水浴中养护24小时，取出已经凝固的水泥，得到空白水泥石模块。测试抗压强度为24.1MPa。

Claims (9)

1.一种固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于所述纤维颗粒以刚性纤维或树脂为芯料，以温敏树脂为中间层，以韧性纤维长丝缠绕为表皮层，其中，所述纤维颗粒的粒径为0.5～3.0mm；所述韧性纤维长丝的纤度为1～2dtex，韧性纤维长丝的截面为圆形，韧性纤维长丝的有效长度为8～20cm；所述刚性纤维或树脂选自涤纶纤维、丙纶纤维、碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维、乙纶纤维、氯纶纤维、锦纶纤维、聚酯中的一种或几种；所述温敏树脂选自石蜡、松香、聚氨酯、聚乙烯醇、共聚烯烃、聚酯中的一种或几种；所述韧性纤维长丝选自丙纶长丝、锦纶长丝或涤纶长丝中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述纤维颗粒的粒径为0.7～1.5mm。

3.根据权利要求2所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述纤维颗粒的粒径为0.8～1.2mm。

4.根据权利要求1所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述刚性纤维或树脂的细度为30～150旦。

5.根据权利要求4所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述刚性纤维或树脂的细度为50～120旦。

6.根据权利要求1所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述温敏树脂的软化温度为60～105℃。

7.根据权利要求6所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述温敏树脂的软化温度为75～95℃。

8.根据权利要求1所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒，其特征在于：

所述韧性纤维长丝的纤度为1.2～1.8dtex，韧性纤维长丝的有效长度为12～15cm。

9.一种根据权利要求1～8之任一项所述的固井用高界面粘结力纤维颗粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将温敏树脂加热熔融；

(2)将熔融的温敏树脂包覆到刚性纤维或树脂表面；

(3)将韧性纤维长丝缠绕到温敏树脂的表面；

(4)对步骤(3)得到的产物进行冷却、牵引、切割得到所述纤维颗粒。

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