CN114958319A - 一种适用于裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井堵漏领域，具体涉及一种适合裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料及其制备方法。本发明的类胶囊智能堵漏材料由热塑性树脂包裹在外，内含有预制备成一定形状的记忆合金骨架材料、惰性堵漏材料、纤维堵漏材料。其中，记忆合金骨架材料占该类胶囊智能堵漏材料体积的10‑25%，纤维堵漏材料占重量的8‑16%，惰性堵漏材料占重量的5‑7%。本发明的类胶囊智能堵漏材料能感受地层温度变化，在进入漏失地层后，对高温环境做出响应，封堵漏失地层。该材料作为智能堵漏材料，可让其适应不同尺寸的裂缝或孔隙等漏失和不同温度的漏失地层，且同时具有堵漏效率高、承压能力强、性价比高、易于制作开发等特点。

Description

一种适用于裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种类胶囊智能堵漏材料及其制备方法，其属于石油钻井智能材料范畴。

背景技术

井漏是钻井过程中的一种复杂而常见的工况，在钻井过程中，大量钻井液漏入所钻地层，会对钻采工程造成严重危害与经济损失。随着油气勘探开发的不断深入，井漏事故的发生概率不断增加，井漏不仅会耗费钻井时间，还会损失大量钻井液，如果处理不当，甚至会引起井塌、井喷、卡钻等井下复杂事故，严重将导致井眼报废。有资料显示出，全球发生井漏的数量占总量的20%~25%，其中恶性漏失更是占据了50%。每年因为井漏造成的损失高达数亿美元，给油气井开发造成了不可估量的损失。而堵漏材料是堵漏技术的基础和关键，目前，国内外学者围绕漏失问题乃至恶性漏失已经研究和研发了许多堵漏材料，如核桃壳、硅藻土、锯末、坚果壳、石子、云母片等惰性颗粒类堵漏材料，其刚性较强，但变形性差，当其尺寸与井下孔隙或裂缝尺寸不匹配时，容易形成“封门”或“封尾”等不稳定封堵层而导致堵漏失败；石墨等弹性颗粒具有一定的变形性，但其无法实现体积膨胀，从而更好达到堵漏效果；凝胶颗粒和吸水树脂能通过吸收水分到体积膨胀的目的，但体积膨胀的同时会大大地减弱了自身的强度，从而堵漏效果不佳。如此，常规堵漏材料和一些新型堵漏材料在大裂缝和溶洞等表现不佳，适应性较差，堵漏成功率没能有效地提高，所以研发出新的高效堵漏材料是当前刻不容缓的研究课题。

智能材料是一种能感知外部刺激，进而进行自主判断并执行特殊功能的全新材料，将智能材料应用到钻井液防漏堵漏已是诸多研究人员的热门研究对象，有望为钻井液堵漏提供创新性解决方案和技术手段。其中，记忆合金属于智能材料中的一种，具有受到包括温度、压力、湿度等环境因素影响下从而产生形状记忆效益的能力。形状记忆合金的形状记忆效应指的是，在具有初始形态的形状时，给予其一定的刺激后施加外力使其从初始形态改变至临时变形形态，将刺激状态去掉后仍保持临时变形形态，然后在再次受到刺激后，从临时变形形态再恢复至初始形态的一种效应。

因此，针对井漏问题，特别是恶性漏失，将智能材料较好且高效地应用于井漏问题是亟需解决的前沿问题。

发明内容

本专利针对裂缝性井漏现象，特别是恶性漏失而发明，其运用智能材料能感知周围环境变化而做出相应反应的特点，与常规堵漏材料区分开来，且具有较高强度，是一种基于记忆合金为主体，呈类胶囊包裹状的复合堵漏材料，该材料可以较好地应用于恶性漏失和一些特殊条件下的井漏问题。

本发明所述类胶囊智能堵漏材料的制备方法由以下步骤实现：

（1）将记忆合金丝在可变形状态下缠绕成球状或螺旋状；

（2）将热塑性树脂在高温下塑形成两个半胶囊壳，冷却固形；

（3）将缠绕定型的记忆合金，惰性堵漏材料以及短切纤维填充在半胶囊壳中，用胶水将两个半胶囊壳粘合，室温下冷却成形。

上述发明的类胶囊智能堵漏材料制备方法中，在记忆合金的可变形状态下指的是根据漏失地层温度，将记忆合金丝加热，制作成指定形状，然后冷却固形，当记忆合金再次感受到此温度时，将发生记忆效应，恢复形状。

上述发明的类胶囊智能堵漏材料中，所述记忆合金为铜铝镍记忆合金，所述热塑性树脂为热塑性酚醛树脂，所述惰性堵漏材料为核桃壳，所述短切纤维为短切玻璃纤维材料，所述胶水为AB胶或502胶水。

上述发明的类胶囊智能堵漏材料中，所含材料组成分别为：铜铝镍合金占该类胶囊智能堵漏材料体积的10-25%，核桃壳占该类胶囊智能堵漏材料重量的5-7%，短切玻璃纤维占该类胶囊智能堵漏材料重量的8-16%。

上述发明的类胶囊智能堵漏材料，将其制成热塑性树脂外包裹的类胶囊或类球形结构，直径范围为6-10mm。

本发明的类胶囊智能堵漏材料是以形状记忆合金的记忆效应作为基础，记忆合金作为骨架支撑材料，发挥其超弹性和易加工性，与外包裹的热塑性树脂融和，同时结合短切纤维在其骨架上搭接缠绕并能融和在热塑性树脂中增强其强度的特点，形成高强度三维网状结构，惰性堵漏材料分散在其中，填补空隙，进一步提高堵漏强度，从而设计出的。

本发明的类胶囊智能堵漏材料中的记忆合金选用丝状的铜铝镍合金，其比镍钛合金等具有更高的性价比，同时也具有较高的力学性能，能满足堵漏所需要的力学强度。且丝状记忆合金的记忆效应较好，回弹作用大，能够很好地发生形状回复。

此种堵漏材料是广义上的桥接堵漏材料，当堵漏材料到达漏失层时，外层的热塑性树脂如同胶囊外壳一样，因为温度变化而软化或熔融，或因粘接处的胶水受热失效，使得外壳分离，同时内部的形状记忆合金受漏失处的温度和压力变化影响，做出响应而发生形变，填充在内部的短切纤维和记忆合金交错搭接，提高强度，分散的核桃壳填补孔隙进一步加强力学性能。发生形状回弹的形状记忆合金发挥其支架、支撑的作用，配合上短切纤维的连接和封堵作用，短切纤维同时能提升热塑性树脂的强度和韧性，核桃壳分散在其中，填补缝隙，进一步提高堵漏效果。

通过改变此堵漏材料中的材料颗粒的粒度分布以及整体尺寸，堵漏材料能够应用于不同尺寸的裂缝、孔隙通道，在其中形成架桥和支撑，从而达到对不同类型井漏的堵漏效果，尤其适合于裂缝性和溶洞性等恶性漏失情况。对于孔隙通道或溶洞性等漏失，堵漏材料的尺寸要介于漏失通道整体开度和通道开度的三分之一之间时才能起到封堵作用，这部分的材料在漏失压差的作用下进入漏失通道，在孔隙吼道处、裂缝变小或弯曲处通过架桥作用、捕集作用、沉积作用等产生封堵。堵漏材料的进一步膨胀形变使堵漏层的渗透性降低，堵漏强度增大，直到将漏层完全堵死。形状记忆合金和短切纤维架桥搭接形成的三维网状结构，可使裂缝变为多个不连续的空缺或孔隙，更方便于颗粒材料的充填。如果利用该类胶囊智能堵漏材料不能一次性将漏失通道堵死，可以进行再次灌堵漏浆的方式，来填补该堵漏材料产生的孔隙并增加其强度，使其发挥在一次堵漏中的作用。

本发明的类胶囊智能堵漏材料相较于普通堵漏材料，该堵漏材料具有智能化，能通过控制温度和调整粒径的分布来适应不同温度的漏失层和不同尺寸的裂缝、孔隙等漏失，尤其对裂缝性、溶洞性等恶性漏失。

本发明的类胶囊智能堵漏材料属于椭球状颗粒，制备工艺简单，易于工业化生产，同时对钻井液流动性影响较小，便于添加和施工。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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：

附图1是本发明的类胶囊智能堵漏材料的结构示意图。

附图2是本发明的类胶囊智能堵漏材料受热产生响应变形的示意图。

附图3是本发明中短切玻璃纤维对堵漏材料总滤失量的影响示意图。

附图4是本发明中短切玻璃纤维对该堵漏材料承压堵漏强度影响示意图。

附图5是本发明中铜铝镍记忆合金所占该堵漏材料体积分数对承压堵漏强度影响示意图。

具体实施方式

在本文中所指出的范围的端点和任何值都不局限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值的范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合得到一个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供了一种类胶囊智能堵漏材料，外包裹物为热塑性酚醛树脂，内包含物为铜铝镍记忆合金、短切玻璃纤维、核桃壳。

实施例1

以下实施例用于示例性地说明本发明的类胶囊智能堵漏材料及其制备方法。

1、具体实施步骤如下：

（1）把10g丝状铜铝镍合金设计并制备成一定的特殊形状，根据施工的便捷性和合金变形的简易型，本发明将铜铝镍合金在可变形状态下设计缠绕成球状或螺旋状，冷却固形。

（2）a、称取0.5g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳，混合均匀。

b、称取1g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳，混合均匀。

c、称取1.5g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳，混合均匀。

d、称取2g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳，混合均匀。

e、称取2.5g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳，混合均匀。

d2、称取1.5g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳，混合均匀。

（3）将第一步制备好的形状记忆合金和第二步混合均匀的填充材料添加到厚度为1mm的热塑性酚醛树脂半胶囊壳中，用AB胶水或502胶水将两个半胶囊壳粘合，室温下风干成型。

通过上述步骤可以制得直径约为8mm类胶囊智能堵漏材料。

2、测试结果：

实施例1采用JHB-2形高温高压动静态堵漏实验仪模拟裂缝性漏失，按照标准对该种堵漏材料进行堵漏实验评价，结果见表1。

表1

实验方案	裂缝宽度（cm）	温度（℃）	压力（MPa）	压稳时间（min）	总滤失量（ml）
						a	1.5	100	5	6	120
b	1.5	100	5	6	114
						c	1.5	100	5	5.5	98
d	1.5	100	5	5.5	103
						e	1.5	100	5	5.5	110
#	1.5	100	5		351
						d2	1.5	25	5		379

注：#号实验采用普通架桥堵漏材料。

由表1数据可以看出，在1.5cm的裂缝宽度下，实验#的普通架桥堵漏材料总滤失量为351ml，堵漏效果一般，实验d2是本发明的类胶囊智能堵漏材料在常温下的堵漏效果，可以看出，因为并没有达到形状记忆合金的形状回弹所需温度或温度不够让外层的热塑性树脂熔化，所以堵漏材料并没有发挥出效果，堵漏效果不佳；采用了本发明设计的类胶囊智能堵漏材料的实验a-e在一定条件下都能够封堵成功，且压稳时间较短，总滤失量都能控制在120ml以内，封堵效果好。

从图3可以看出短切玻璃纤维的用量对总滤失量的影响较大，实验a-e的短切玻璃纤维用量对应为该堵漏材料质量的大约的4-20%。当短切玻璃纤维用量为该堵漏材料质量的12%时，总滤失量最小且为98ml。由图3的a-e实验可以看出，总的滤失量随着纤维用量的增加先减小后增加，这是因为，当短切玻璃纤维用量在4-8%时，该材料发生响应后，纤维用量过少而不能与变形后的合金产生较好地缠绕编织来产生较好的架桥搭接的强度，也不能和遇热变形的热塑性酚醛树脂很好地融和从而提高强度，所以滤失量偏高；而当短切玻璃纤维用量在16-20%时，纤维量过多会导致记忆合金感受刺激后做出反应困难，变形过程受阻，延迟堵漏过程，从而漏失量增大，所以，此堵漏材料中短切玻璃纤维的较好用量应为8-16%。

对本发明的类胶囊智能堵漏材料高温高压下的封堵压差和封堵强度进行测试，结果如表2。

表2

实验方案	封堵压差（MPa）	封堵形成时间（min）	承压堵漏强度（MPa）	封堵是否稳定
					a	2.8	3.5	14.3	是
b	2.6	3	14.5	是
					c	2.1	2	15.4	是
d	2.3	2	15.8	是
					e	2.4	2	15.9	是
f	2.4	3	15.9	是
					#	6.6	45	4.8	否

注：#号实验方案为普通架桥堵漏材料。

从表2可以看出，采用本发明的类胶囊智能堵漏材料能比普通架桥堵漏材料产生更强的堵漏强度，可以在较短的时间和较小的压差下完成堵漏，且封堵后产生的封堵层稳定，不会发生反复漏失，当短切玻璃纤维用量在12%，封堵压差在2.1MPa下2min即可产生稳定有效封堵；而普通堵漏材料封堵压差较大，封堵时间较长，承压堵漏强度低下，封堵过后不稳定，会在封堵后会出现反复漏失的现象。

本发明的类胶囊智能堵漏材料封堵强度不低于14.3MPa，普通架桥堵漏材料仅为4.8MPa，类胶囊堵漏材料中短切玻璃纤维用量对承压堵漏强度的影响见图4。

图4中，清晰展示出了本发明的类胶囊智能堵漏材料对承压强度地大幅度提升，相较于普通架桥堵漏材料的承压堵漏强度提升约3倍。在短切玻璃纤维用量较少时，承压堵漏强度随着短切纤维用量的增加而大幅度增加，但增加到一定程度后对承压强度的影响变小。因为短切玻璃纤维能够很好和记忆合金交错搭接，同时融和热塑性酚醛树脂，提升其强度，在添加量为8-12%时，提升幅度最大，而在12%以后，只会有极小幅度的增加，这是受到材料整体规格的限制。

实施例2

以下实施例用于示例性地说明本发明的类胶囊智能堵漏材料及其制备方法。

1、具体实施步骤如下：

（1）a、称取10g细铜丝缠绕成球状或螺旋状，使其直径大约为3mm。

b、称取10g细铁丝缠绕成球状或螺旋状，使其直径大约为3mm。

c、称取10g丝状镍钛记忆合金缠绕成球状或螺旋状，使其直径大约为3mm。

d、称取10g丝状铜铝镍记忆合金，在可变形状态下将其缠绕成球状或螺旋状，使其直径大约为3mm。

（2）称取1.5g短切玻璃纤维，0.7g核桃壳碎，混合均匀

（3）将第一步制备好的形状记忆合金和第二步混合均匀的填充材料添加到厚度为3mm的热塑性酚醛树脂半胶囊壳中，用AB胶或502胶水将两个半胶囊壳粘合，室温下风干成型。

2、测试结果：

实施例2采用JHB-2形高温高压动静态堵漏实验仪模拟裂缝性漏失，按照标准版对该种堵漏材料进行堵漏实验评价，结果见表3。

表3

实验方案	列缝宽度（cm）	温度（℃）	压力（MPa）	压稳时间（min）	总滤失量（ml）	堵漏结果
							a	1.5	100	5		全漏	失败
b	1.5	100	5		全漏	失败
							c	1.5	100	5	5.5	98	成功
d	1.5	100	5	5.5	101	成功

表3中堵漏效果一栏展示出，因为细铜丝和细铁丝并不能发生形状记忆效应，不能对环境刺激产生响应，总滤失量高，并不能达到成功的堵漏效果；而采用铜铝镍记忆合金和镍钛记忆合金制作的堵漏材料在裂缝宽度为1.5cm下，产生了良好的堵漏效果，总滤失量小，且压力达到稳定时间较短，能快速形成堵漏效果。这说明，当堵漏材料进入裂缝漏失处时，外层热塑性酚醛树脂受热软化或熔融，或粘接处胶水受热失效，外壳分离，同时内部铜铝镍记忆合金和镍钛记忆合金感受到地层的温度变化，产生记忆形变，与软化或融化的热塑性树脂外壳结合，内包裹的短切玻璃纤维与合金骨架再形成架桥，并融和到热塑性酚醛树脂中，提升整体强度，核桃壳分散在其中，填补空缺和孔隙，进一步提升强度。

表3中，分别采用铜铝镍记忆合金和镍钛合金所制作出的堵漏材料性能表现差距不大，但铜铝镍合金形状记忆效应良好，相较于镍钛合金具有价格便宜且易于制作的优点，具有更高的性价比。

实施例3

根据本发明所述的具体制作步骤，对不同体积分数的铜铝镍记忆合金填充的类胶囊智能堵漏材料进行高温高压下的封堵压差和承压堵漏强度进行测试，结果如表4。

表4

实验方案	体积分数（%）	封堵压差（MPa）	封堵形成时间（min）	承压堵漏强度（MPa）	封堵是否稳定
						a	7.5	2.5	2.5	10.4	否
b	10	2.3	2	14.9	是
						c	12.5	2.2	2	15.9	是
d	15	2.1	2	15.7	是
						e	20	2.1	2	15.3	是
f	25	2.2	2	14.4	是
						g	30	2.3	2	14.3	否
h	35	2.4	2	11.7	否

表4中实验数据展示出，a至g号实验所制作的堵漏材料都能在较小地压差和较短的时间内产生良好堵漏效果，可见，铜铝镍形状合金所占类胶囊智能堵漏材料的体积分数对其堵漏效果的影响较小。在体积分数为12.5%时达到最好效果，能在2.2MPa的压差下，于2min内形成封堵层，且承压强度能达到15.9MPa，并不发生反复漏失，但当体积分数为7.5%和35%时，有反复漏失的情况出现，可能是因为缠绕成较小的球形影响了其形状记忆效应的发生或过多地占用了其他填充材料的空间，导致堵漏效果有所下降。从图5的变化可以看出，当体积分数为10-25%时，承压堵漏强度变化并不大，所以应优选形状记忆合金体积分数为10-25%作为该类胶囊智能堵漏材料的组成。

以上描述的具体技术方案仅用以说明本发明，并不用于限制本发明。尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，应当理解，凡是基于本发明的精神和原则之内，所做的任何修改和等同替换应当视为本发明所公开的内容，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料，其特征在于，是由热塑性树脂包裹在外，惰性堵漏材料、以及预先制成一定形状的记忆合金和纤维堵漏材料填充在内的方式组成。

2.根据权利要求1所述的类胶囊智能堵漏材料，其中，所述的热塑性树脂为热塑性酚醛树脂，惰性堵漏材料为核桃壳，形状记忆合金为铜铝镍合金，纤维材料为短切玻璃纤维。

3.根据权利要求1或2中所述的类胶囊智能堵漏材料，其特征在于，形状记忆合金占类胶囊智能堵漏材料体积的10%-25%，惰性堵漏材料占类胶囊智能堵漏材料重量的5-7%，短切纤维材料占类胶囊智能堵漏材料重量的8%-16%。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的形状记忆智能堵漏材料，其特征在于，形状为类胶囊型包裹结构，直径为6mm-10mm。

5.一种权利要求1-4中任意一项所述的一种适用于裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料，其特征在于制备方法如以下步骤：

（1）将记忆合金丝在可变形状态下缠绕成球状或螺旋状；

（2）将热塑性树脂在高温下塑形成两个半球壳，冷却固形；

（3）将缠绕定型的记忆合金、惰性堵漏材料以及短切纤维填充在球壳内，用胶水将两个半球壳粘合，室温下冷却成形。

6.根据权利要求5所述的一种适用于裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料制备步骤，其中，步骤（2）所述的高温为70-120℃。

7.根据权利要求5所述的一种适用于裂缝性地层的类胶囊智能堵漏材料制备步骤，其中，步骤（3）所述的胶水为AB胶或502胶水。

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