雙親聚合物隨鉆堵漏劑綜合性能評價

王建莉，董 華，張麗君，鄭志軍，馬 偉

(1.河南省科學院化學研究所有限公司，鄭州 450002;2.中國石化中原石油勘探局鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001;3.兗礦國宏化工有限責任公司，山東鄒城 273512)

隨鉆堵漏技術由于投入少、方法簡單且不需要停鉆處理，已經成為解決井漏、預防井下復雜情況［1－2］的有效手段，在鉆井液中加入隨鉆堵漏劑對提高漏失地層的鉆井速度、降低鉆井成本以及油氣層保護［3］具有重大意義。現有隨鉆堵漏劑主要包括碳酸鈣［4］、植物纖維［5－6］、瀝青［7－8］、橡膠顆粒［9］以及近年來發展起來的吸水凝膠類隨鉆堵漏劑［10］，這些材料在2 000～3 000 m的地層中具有很好的應用效果。近年來隨著深部油氣藏的勘探和開發，深井及超深井的數量大幅增加［11－12］，較高的井底溫度對隨鉆堵漏劑的抗溫性能提出了更高的要求。從應用現狀來看，深井超深井、尤其是150℃以上地層的漏失問題還沒有得到有效解決;另一方面，目前對地層中0.1 mm以上級裂縫與微裂縫的封堵問題已解決，但還不能有效封堵微米級微裂縫。多數隨鉆堵漏材料屬于毫米級以上的較粗顆粒，對于微裂縫、孔隙度小尤其是微米級的滲透性地層的漏失，只能在井壁外形成簡單的封門，不能適當地滲入地層形成致密、高強度的封堵層，導致封堵強度低，有效期短，容易造成重復漏失。因此筆者制備了一種新型聚合物隨鉆堵漏劑——具有親油核/親水殼的雙親微球聚合物材料，簡稱AMP。該材料是具有雙親結構的微米級聚合物微球材料，抗溫能力優異，并可與地層中的微裂縫、微孔隙漏失通道相匹配，顯著提高封堵層的承壓強度，可用于深井超深井的隨鉆防漏堵漏作業。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

丙烯酰胺(AM)、N，N'－亞甲基雙丙烯酰胺(BMA)、有機醇溶脹劑，均為工業品;親油抗溫單體、親油交聯劑、偶氮二異丁腈、界面引發劑、乳化劑，均為化學純;水。

ZNN－D6型6速旋轉黏度計、ZNS型鉆井液失水儀、XGRL－3型高溫滾子爐、EP－A型極限壓力潤滑儀，青島海通達專用儀器廠;SL－01型鉆井滲濾試驗裝置(40～60目砂床)，華北鉆井院儀器廠;JB－80A型高壓計量泵(40～60目砂床)，海安縣石油科研儀器廠。

1.2 AMP 的合成

在適量乳化劑作用下，將親油抗溫單體、親油交聯劑及偶氮二異丁腈等混合均勻作為分散相，在攪拌下配置成質量分數為75%～80%的油包水乳液體系，在50℃下聚合一定時間，待親油抗溫單體反應完全后，加入適量有機醇溶脹劑溶脹約4 h，再加入AM、BMA、界面引發劑水溶液，在室溫下進行界面包覆反應2～5 min，干燥后得到細微的白色粉末狀產物，即為雙親聚合物隨鉆堵漏劑AMP。

1.3 吸水、吸油率評價

將0.5 g干燥的AMP用濾紙包裹置于漏斗底部，用橡膠塞封堵漏斗出口，加入10 mL水或白油，室溫浸泡2 h;除去橡膠塞，放出水或白油，取出產品稱量濕態質量。濕態、干態時的質量差與干態質量的比值即為吸水(油)率。

1.4 配伍性能評價

隨鉆堵漏劑直接添加至鉆井液中應用，必須與鉆井液具有較好的配伍性(尤其是表觀黏度)，即在有效加量范圍內不能過大增加表觀黏度，且不能明顯改變原有體系的pH等。AMP配伍性能的評價方法為:在400 mL水中加入16 g膨潤土和0.8 g無水碳酸鈉，高速攪拌30 min，室溫養護24 h后得到淡水基漿(下同)。在淡水基漿中加入一定量AMP，在150℃下老化16 h，室溫下高速攪拌5 min，用6速旋轉黏度計測定鉆井液流變參數。

1.5 潤滑能力評價

采用EP－A型極限壓力潤滑儀考察AMP的潤滑能力，具體評價方法為:測定AMP加入淡水基漿前后體系的摩擦系數，考察其變化情況。

1.6 降濾失效果評價

高溫條件下黏土顆粒表面和處理劑分子中親水基團的水化能力會有所降低，使水化膜變薄，從而導致處理劑的護膠能力減弱，發生高溫去水化，使體系濾失量增大，對保護儲層不利。AMP降濾失效果的評價方法為:測定AMP加入淡水基漿前后體系的濾失量，考察其變化情況。

1.7 承壓封堵能力評價

模擬滲透性漏失，評價AMP承壓封堵能力。評價方法:在鉆井液中加入一定量的AMP，150℃下老化16 h后，室溫高速攪拌5 min，考察漏失量(40～60目砂床)隨AMP加量的變化規律，用高壓計量泵測定擠注壓力隨擠注量的變化。

2 結果與討論

2.1 吸水、吸油率

室溫下測得AMP的吸水率為97.6%，吸油率為45.1%，對水和油均有較好的親和性，雙親性好。這是由于AMP具有親油核/親水殼的特殊結構，在水中和油中均能吸收液體發生膨脹。

2.2 配伍性能

AMP在淡水基漿中的配伍性能見表1。隨著AMP用量的增加，體系表觀黏度有所增加，動切力變化不大，剪切稀釋性(動塑比)先提高后降低，pH不變。這是由于AMP表面的部分酰胺基團與黏土顆粒有吸附作用，形成“卡片房子”結構，但并沒有加劇體系形成結構的能力，體系仍具有較好的剪切稀釋性。AMP加量≤2%時與鉆井液具有較好的配伍性。

表1 AMP在淡水基漿中的配伍性能

2.3 潤滑性能

AMP在淡水基漿中的潤滑性能見表2。淡水基漿中加入1%AMP后，體系的摩擦系數從0.525降至0.341，顯示出較好的潤滑作用。這是由于AMP的制備采用了特殊的聚合方法，AMP產品為球形結構，滾動及運動能力強，在體系中可以緩解摩擦，降低摩阻，尤其是在高速旋轉鉆進的鉆井液中，可起到軸承作用，有效降低體系摩阻，起到固體潤滑劑的作用。

表2 AMP在淡水基漿中的潤滑性能

2.4 降濾失效果

AMP在淡水基漿中的降濾失性能見表3。AMP在淡水基漿中具有較好的降濾失效果，而且隨著老化溫度從120℃升至180℃，降濾失效果逐漸增強，形成的泥餅薄而細膩，如圖1所示。這一方面是由于高溫下AMP性能穩定，變形能力強;另一方面是由于AMP具有一定的粒徑分布［13］，大小顆粒相互填充，并與黏土顆粒相互作用，形成薄而韌的致密黏彈泥餅，阻止水分的滲透。

表3 AMP在淡水基漿中的降濾失性能

圖1 淡水基漿中加入1%AMP的API濾餅形態(150℃老化)

AMP的高溫高壓降濾失效果如表4所示。AMP在純水和淡水基漿中均顯示出較好的降濾失能力，甚至優于普通線型聚合物類降濾失劑。這是由于AMP在高溫高壓條件下可以變形，并在濾紙表面依靠自身粒徑級配形成一層薄膜，形成墊層和濾餅(見圖2)，有效封堵了濾紙表面的微孔隙。

表4 AMP在純水/淡水基漿中的高溫高壓降濾失性能

圖2 純水中加入1%AMP的高溫高壓濾餅形態

從實驗結果可以看出，AMP具有較好的降濾失效果，尤其是高溫高壓降濾失效果明顯，有利于儲層保護;同時AMP還可參與泥餅形成、改善泥餅質量，防止因形成厚泥餅而使環空間隙縮小，導致環空壓耗增加等。

2.5 承壓封堵能力

AMP在淡水基漿中的承壓封堵能力見圖3，AMP加量為1%時體系最高承壓可達14 MPa。AMP在現場聚磺鹽水漿(P 3－側90，Cl－含量120 000 μg/g)中的承壓封堵能力見圖4。現場井漿P 3－側90承壓強度較低，僅為3 MPa，加入2%的AMP后承壓強度提高至24 MPa，承壓封堵效果顯著。這是由于AMP為可變形彈性球，可吸收水分使體積膨脹，其特殊的核殼結構賦予了材料外柔內剛的特性，使其具有較強的填充及承壓能力，并能有效預防誘導裂縫的產生，進入漏層后具有一定的擴張填充和內部擠緊壓實的雙重作用，形成密實封堵層，提高封堵強度。

3 結論

1)新型聚合物隨鉆堵漏劑AMP具有雙親性，室溫下吸油率為45.1%，吸水率為97.6%，在水中和油中均能吸收液體發生膨脹。

2)AMP與鉆井液體系配伍性良好，高溫150℃條件下，AMP加量≤2%時體系表觀黏度、動切力及pH等變化不大。

3)AMP在淡水基漿中加量為1%時，體系摩擦系數從0.525降至0.341，潤滑能力好。

4)AMP具有較好的降濾失效果，高溫高壓降濾失效果明顯，有利于儲層保護。

5)室內模擬隨鉆堵漏實驗結果表明，AMP在淡水基漿中承壓可達14 MPa，在現場井漿中承壓可達24 MPa，可用于深井超深井滲透性地層、漏層位置以及尺寸難以確定地層的隨鉆堵漏作業。

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