用于井身應(yīng)用的聚脲硅酸鹽樹脂的制作方法
【專利說(shuō)明】用于井身應(yīng)用的聚脲硅酸鹽樹脂
[0001]本發(fā)明涉及一種聚脲硅酸鹽組合物在加固井身（wellbore)，特別是在加固用于勘 探和/或開采油、氣或水的井身的方法中的用途。
[0002] 特別地，本發(fā)明涉及一種聚脲硅酸鹽組合物在加固井身的方法中的用途，其中所 述聚脲硅酸鹽組合物可通過(guò)反應(yīng)包含以下組分的混合物獲得：至少一種異氰酸酯組分；至 少一種堿金屬硅酸鹽；和水。本發(fā)明還涉及一種加固井身的方法，其中所述方法包括以下步 驟：
[0003] (a)將包含至少一種異氰酸酯組分；至少一種堿金屬硅酸鹽；和水的混合物泵送 通過(guò)油井、氣井或水井至所述井的環(huán)狀空間（annulus)中；
[0004] (b)使所述混合物形成聚脲硅酸鹽組合物；及
[0005] (c)使由此形成的聚脲硅酸鹽組合物凝固從而得到包含硅酸鹽的區(qū)域的聚脲基 質(zhì)。
[0006] 在過(guò)去的幾十年里，油氣行業(yè)已在開發(fā)鉆井技術(shù)以制造更有效益且安全的井結(jié)構(gòu) 方面取得了很大的進(jìn)步。尤其是已開發(fā)井身加固材料以避免或至少最小化鉆井時(shí)遇到的問(wèn) 題。這些問(wèn)題包括井漏、卡鉆（stuckpipe)和井壁i丹塌（holecollapse)。
[0007] 井身加固材料（例如水泥）具有的常規(guī)目的是改善井身的完整性并防止井漏。然 而，水泥組合物和包含纖維和顆粒的其他材料仍不能令人滿意。具體而言，由常規(guī)材料賦予 的井身的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍不足，且導(dǎo)致產(chǎn)量損失的井控的損失在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備下仍會(huì)發(fā)生。 此外，現(xiàn)有技術(shù)井身加固材料中沒有一種適于所有的不同的包含粘土、砂巖、粉砂巖和砂的 地質(zhì)結(jié)構(gòu)（geologicformation)，且當(dāng)油、氣和水開采期間在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)生變化時(shí)會(huì)出 現(xiàn)特別的問(wèn)題。特別地，在圍繞井身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的壓力波動(dòng)可使包括常規(guī)井身加固材料 的彎曲拉伸強(qiáng)度的機(jī)械特性過(guò)載。現(xiàn)有技術(shù)材料的穩(wěn)定性還受到對(duì)化學(xué)品和水的抗性不足 的挑戰(zhàn)。在加固材料將井身與圍繞的地質(zhì)結(jié)構(gòu)隔離的情況下，這可能特別麻煩，因?yàn)槌跏既?陷通常無(wú)法足夠早地檢測(cè)到以不費(fèi)力地防止發(fā)展。通常，這是因?yàn)榫戆ǔＳ山饘僦?成的套管（casing)，其避免操作者通過(guò)目測(cè)控制井身的完整性。另一個(gè)挑戰(zhàn)由施用井身加 固材料所需的時(shí)間引起。特別地，過(guò)早凝固的材料并不適于加固油、氣或水的勘探和/或開 采中的井身。這是因?yàn)橄蚶缇淼沫h(huán)狀空間提供材料通?；ㄌ嗟臅r(shí)間，并且所述材料 在其到達(dá)目標(biāo)位置之前就會(huì)開始硬化。
[0008] 因此，本發(fā)明的目的是提供改善的井身加固方法以滿足上述需求。
[0009] 因此，在第一方面，本發(fā)明涉及一種聚脲硅酸鹽組合物在加固井身的方法中的用 途，其中所述聚脲硅酸鹽組合物可通過(guò)反應(yīng)包含以下組分的混合物獲得：（i)至少一種異 氰酸酯組分；（ii)至少一種堿金屬硅酸鹽；和（iii)水。在本發(fā)明上下文中，術(shù)語(yǔ)井身是指 油井、氣井或水井。
[0010] 已發(fā)現(xiàn)本文描述的聚脲硅酸鹽組合物具有合適的機(jī)械特性，所述合適的機(jī)械特性 使所述聚脲硅酸鹽組合物適于井身加固應(yīng)用。不囿于任何理論，認(rèn)為聚脲基質(zhì)一一其由凝 固時(shí)的聚脲硅酸鹽組合物形成并且其包含硅酸鹽的球狀區(qū)域一一與各種化學(xué)品和水特別 地相容，且其還對(duì)包括鋼的不同材料和地質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出良好的粘合性。還認(rèn)為事實(shí)上為球 形的硅酸鹽的區(qū)域有助于增強(qiáng)穩(wěn)定性。不囿于任何理論，認(rèn)為這些區(qū)域在異氰酸酯組分與 水反應(yīng)釋放二氧化碳的過(guò)程中形成。然后二氧化碳與水玻璃的堿成分反應(yīng)，從而得到還可 被稱為聚硅酸和/或硅酸鹽的聚硅酸鹽結(jié)構(gòu)。
[0011] 因此，在第二方面，本發(fā)明涉及一種加固井身的方法，其包括以下步驟：
[0012] (a)將包含至少一種異氰酸酯組分；至少一種堿金屬硅酸鹽；和水的混合物泵送 通過(guò)油井、氣井或水井至所述井的環(huán)狀空間中；
[0013] (b)使所述混合物形成聚脲硅酸鹽組合物；及
[0014] (c)使由此形成的聚脲硅酸鹽組合物凝固從而得到包含硅酸鹽的區(qū)域的聚脲基 質(zhì)。
[0015] 包含至少一種異氰酸酯組分、至少一種堿金屬硅酸鹽和水的混合物可包含的異氰 酸酯組分的量為10至90重量％，優(yōu)選30至80重量％，更優(yōu)選50至70重量％，基于所有的 包含于所述混合物中的至少一種異氰酸酯組分、至少一種堿金屬硅酸鹽和水的總重量計(jì)。 優(yōu)選地，所述混合物以如此的量包含至少一種異氰酸酯組分以使異氰酸酯組分與堿金屬硅 酸鹽和水的重量份（pbw)之比--即pbw(異氰酸醋組分）/pbw(堿金屬娃酸鹽和水）-- 為4:1至1:4,優(yōu)選3. 5:1至1:1，更優(yōu)選3. 3:1至1. 5:1。
[0016] 至少一種異氰酸酯組分可為任何每分子中包含至少兩個(gè)異氰酸酯官能團(tuán)的化學(xué) 物質(zhì)。因此，至少一種異氰酸酯組分可為單體，或其可為二異氰酸酯、三異氰酸酯或多異氰 酸酯的二聚衍生物、三聚衍生物或低聚衍生物。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一種異氰酸 酯組分包括脂族或芳族二異氰酸酯、三異氰酸酯或多異氰酸酯或這些異氰酸酯中任一種的 二聚衍生物、三聚衍生物或低聚衍生物或其同系物。
[0017] 然而，已發(fā)現(xiàn)，脂族異氰酸酯化合物，特別是在不存在額外的多元醇的情況下，產(chǎn) 生顯示出最好的機(jī)械特性的聚脲硅酸鹽組合物（參見下文中的實(shí)驗(yàn)部分）。
[0018] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，異氰酸酯組分選自二苯甲烷二異氰酸酯（MDI)、異佛 爾酮二異氰酸酯（IPDI)、1，6-二異氰酸酯基己烷（HDI)、2,4-二異氰酸酯基-1-甲基-苯 (TDI)、4,4' -二異氰酸酯基二環(huán)己基甲烷（H12-MDI)、三甲基六亞甲基二異氰酸酯（TMDI) 或包括上述物質(zhì)中任一種的衍生物，所述上述物質(zhì)中任一種的衍生物包括二聚衍生物、三 聚衍生物或低聚衍生物及同系物。本文中使用的術(shù)語(yǔ)同系物是指包含額外的重復(fù)單元（例 如在MDI的情況下為異氰酸酯基苯基甲基）的異氰酸酯的衍生物。優(yōu)選的衍生物包括：還 已知為例如3-核、4-核和5-核體系的二苯甲烷二異氰酸酯的高級(jí)同系物（在下文中還稱 為聚合的二苯甲烷二異氰酸酯或PMDI);聚合的異佛爾酮二異氰酸酯（下文中也稱為IPDI 低聚物）；聚合的1，6-二異氰酸酯基己烷（下文也稱為HDI-低聚物）；聚合的2, 4-二異氰 酸酯基-1-甲基-苯（下文也稱為TDI低聚物）及其混合物。特別合適的異氰酸酯為二苯 甲烷二異氰酸酯（MDI)并且其高級(jí)同系物，即PMDI。MDI和PMDI可單獨(dú)使用或與其他異氰 酸酯及其包括諸如異氰脲酸酯的衍生物結(jié)合使用。在一個(gè)實(shí)施方案中，MDI和PMDI異氰酸 酯可優(yōu)選單獨(dú)使用而不添加其他異氰酸酯及其衍生物（例如異氰脲酸酯）。
[0019] 在另一實(shí)施方案中，異氰酸酯化合物優(yōu)選包含異氰脲酸酯、脲基甲酸酯（優(yōu)選HDI 脲基甲酸醋）、亞氨基噁二嘆二酮（iminooxadiazindion，其為異構(gòu)的異氰脲酸醋，優(yōu)選異 構(gòu)的HDI異氰脲酸酯）和脲二酮（uretdione)(優(yōu)選HDI脲二酮）中的一種或多種。其中， 異氰脲酸酯是特別優(yōu)選的。已發(fā)現(xiàn)異氰脲酸酯產(chǎn)生耐熱且耐化學(xué)性的產(chǎn)品。因此，在一個(gè) 優(yōu)選的實(shí)施方案中，異氰脲酸酯可在其中與例如水井相比井身加固材料更常暴露于化學(xué)品 和高溫的油井和氣井應(yīng)用中，以單獨(dú)的異氰酸酯組分形式使用或與其他異氰酸酯或異氰酸 酯衍生物一起以混合物的形式使用。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方案中，異氰酸酯組分包含異氰脲酸酯的混合物，優(yōu)選包含衍生自三 個(gè)二異氰酸酯單元（下文中也稱為"單體異氰脲酸酯"）的異氰脲酸酯、衍生自五個(gè)單體異 氰酸酯單元的二聚異氰脲酸酯和衍生自七個(gè)單體二異氰酸酯單元的三聚異氰脲酸酯的混 合物。所述混合物可包含更少量的脲二酮，其為異氰酸酯的二聚體。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí) 施方案中，異氰酸酯組分包含50至100重量％的異氰脲酸酯，基于異氰酸酯組分的總量計(jì)。
[0021] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，至少一種異氰酸酯組分包含由二異氰酸酯形成的異 氰脲酸酯。優(yōu)選地，所述異氰脲酸酯由異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI)、1，6-二異氰酸酯基 己烷（HDI)、2, 4-二異氰酸酯基-1-甲基-苯（TDI)、4, 4' -二異氰酸酯基二環(huán)己基甲烷 (H12-MDI)、三甲基六亞甲基二異氰酸酯（TMDI)或上述物質(zhì)中任一種的二聚衍生物、三聚 衍生物或低聚衍生物形成。最優(yōu)選地，異氰酸酯組分包含異佛爾酮二異氰酸酯（iroi)或 1，6-二異氰酸酯基己烷（HDI)的異氰脲酸酯或這些異氰脲酸酯的混合物。
[0022] 在另一實(shí)施方案中，合適的異氰酸酯化合物可包括脂族和芳族二異氰酸酯、低聚 異氰酸酯和多異氰酸酯的衍生物，所述衍生物通過(guò)至少一種脂族或芳族二異氰酸酯、三異 氰酸酯或多異氰酸酯與聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇和聚丁二烯多元醇中的 至少一種的反應(yīng)形成。下文中這些異氰酸酯組分也稱為異氰酸酯"預(yù)聚物"。取決于聚醚多 元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇和聚丁二烯多元醇的鏈的長(zhǎng)度，所述預(yù)聚物可向聚脲硅 酸鹽組合物和由其形成的聚脲基質(zhì)提供柔性和延展性。合適的多元醇具有的分子量為50 至8000g/mol并具有最高達(dá)20,優(yōu)選2至6個(gè)羥基。優(yōu)選的多元醇的羥值為最高達(dá)120或 以上，其中羥值表示對(duì)應(yīng)于lg多元醇樣品中羥基的mgK0H的數(shù)目，其根據(jù)DIN53240進(jìn)行 測(cè)定。優(yōu)選的聚醚多元醇包括聚丙二醇。聚丁二烯二醇可用于提高聚脲硅酸鹽組合物的