用于預防環空帶壓的彈性膨脹凝膠的研制與現場應用

張濱海 (中海油研究總院，北京 100028)

王曉亮 (非常規油氣湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北武漢430100 荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434000)

許明標，宋建建 (長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

武治強 (中海油研究總院，北京 100028)

于帥 (中國石油冀東油田分公司南堡油田作業區采油三區，河北 唐山 063004)

氣井測試過程和生產過程中，隨著地層流體產出，會造成油管以及各層生產套管、技術套管及表層套管圈閉環空內的流體溫度升高、壓力升高的現象，即環空帶壓[1～3]。環空帶壓嚴重時甚至會擠毀或脹裂套管，威脅井筒完整性，給生產作業帶來嚴重的安全隱患。環空帶壓的原因，其本質是由于固井初期環空氣竄或固井后期地層—水泥環—套管固井封隔系統密封性失效，導致氣體在環空竄流積聚，引起環空壓力上升[4～6]。所以在固井水泥環中加入一段彈性膨脹凝膠是解決水泥環封隔系統密封失效的關鍵。室內以彈性水溶性樹脂作為基液，開展了預防氣井環空帶壓的彈性膨脹凝膠體系的構建與研究工作。

1 試驗部分

1)試驗材料 樹脂凝膠，固化劑，緩固劑，稀釋劑，鐵礦粉，淡水，膨脹劑，膨脹引發劑。

2)試驗儀器 TG-3060A型恒速攪拌器(沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司)，OFITE900型流變儀(美國OFITE)，TG-8040DA增壓稠化儀(沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司)，HY-20080微機控制電子萬能材料試驗儀(上海衡翼精密儀器有限公司)，HY-20080微機控制電子萬能材料試驗儀(上海衡翼精密儀器有限公司)。

2 彈性膨脹凝膠體系的構建

2.1 加重劑

根據施工技術要求設計的環空凝膠密度為1.90g/cm3，在實驗室中采用凝膠+加重劑+稀釋劑的基礎配方，對不同加重劑進行復配優選工作，通過考察配方的流動度和沉降穩定性，選擇合適的加重劑，結果如表1所示。69%鐵礦粉(250目)+69%鐵礦粉(1200目)作為加重劑組合獲得的密度為1.90g/cm3的彈性凝膠，其流動度最好，凝膠的上下密度差為0.01g/cm3，沉降穩定性也能滿足現場作業要求。

表1 彈性膨脹凝膠體系加重劑優選

表2 固化劑優選

注：固化劑質量分數為20%。

表3 膨脹劑對凝膠膨脹率的影響

表4 緩固劑的選擇結果

注：緩固劑質量分數為5%。

圖1 PGN質量分數與稠化時間的關系曲線

2.2 固化劑

彈性凝膠的固化是通過加入固化劑來實現的。室內在80℃×0.1MPa的試驗條件下對4種固化劑進行固化時間及固化體彈性的評價，優選出合適固化劑，試驗結果見表2。可以看出，固化劑212的固化時間最短，固化體的彈性恢復率最好，所以室內選取212作為高溫防竄凝膠的固化劑。

2.3 膨脹劑

微膨脹效果可以有效增加凝膠的流體封隔能力[4]。筆者對不同膨脹劑進行了室內優選評價工作，分別評價了在80℃×常壓和80℃×12MPa條件下JSG-1、JSG-2、JSG-3、JSG-4質量分數為0.6%時，膨脹劑對凝膠固化體膨脹率的影響，試驗結果如表3所示。由于凝膠體積膨脹較大會對凝膠固化體的強度產生不利的影響，所以在高壓力下室內設計凝膠膨脹率要求小于5%，最終優選JSG-4作為彈性膨脹凝膠的膨脹劑。

2.4 緩固劑

樹脂凝膠的凝固時間可以通過調節緩固劑的質量分數來實現。室內針對4種緩固劑進行了稠化試驗評價，試驗結果如表4所示。可以看出，PGN延長凝膠的稠化時間最長，因此選擇PGN作為凝膠體系的緩固劑。

室內針對PGN質量分數與凝膠稠化時間的關系進行了試驗評價工作，試驗結果如圖1所示。可以看出，PGN質量分數在8%以內時，隨著PGN質量分數增大，凝膠的稠化時間是有效延長的。現場可以根據實際需要來優選PNG質量分數。

3 彈性膨脹凝膠體系性能評價

推薦彈性膨脹凝膠體系配方：100%凝膠+69%鐵礦粉(250目)+69%鐵礦粉(1200目)+10%稀釋劑+20%固化劑+0.6%JSG-4膨脹劑+7%緩固劑。室內對其稠化時間、抗壓強度、膠結強度、流動度以及固化體壓縮50%彈性恢復率等性能與常規密度水泥石進行了性能對比評價，結果如表5所示。在相同密度(1.90g/cm3)和稠化時間下，彈性膨脹凝膠膠結強度和流動度以及固化體壓縮50%的彈性恢復率方面要明顯優于常規密度水泥石。

表5 彈性膨脹凝膠與常規水泥石性能對比

4 彈性膨脹凝膠現場應用

焦頁某井是涪陵頁巖氣田二期工程川東南地區川東高陡褶皺帶平橋斷背斜構造的一口開發水平井，地層587.9m深處存在有淺層氣。該平臺要進行4口井作業，已經完成了2口井作業，但前期2口井均存在不同程度上表套帶壓問題(最高壓力3.5MPa)。為保障井口安全，解決井口帶壓問題，第3口井表層固井準備使用彈性膨脹凝膠進行封隔作業。

表層套管下深623m，彈性膨脹凝膠封隔在587.9m上方，固井采用正注反擠技術進行作業。作業程序：①正注1.90g/cm3純水泥漿20m3，頂替到位后，候凝12h；②通過壓井管線進行反擠作業，擠入1.80g/cm3水泥漿0.5m3進行試擠；③擠開以后擠入5m3速凝水泥，觀察壓力；④擠入彈性膨脹凝膠4m3；⑤擠入1.90g/cm3純水泥漿20m3；⑥關閘門候凝24h。在候凝24h后，井口無異常情況，室內樣品固化正常，方井中無氣泡冒出，固井作業成功。

5 結論

1)通過對固化劑、緩固劑、膨脹劑以及加重劑的優選，完成了以水溶性樹脂為基液的彈性膨脹凝膠體系的構建，試驗顯示該體系具有稠化時間可調、膨脹性以及彈性較高的特點。

2)通過性能對比發現，彈性膨脹凝膠與套管I界面的膠結強度較常規密度水泥石高45%，在彈性恢復率方面彈性膨脹凝膠在壓縮50%情況下恢復率可達100%，而水泥石的壓縮率為2%時就會產生破裂。

3)彈性膨脹凝膠現場應用成功說明彈性膨脹凝膠具有良好的封隔效果，針對淺層氣封隔效果顯著。

[參考文獻]

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[6] Ezell R, Fontenot E S, Robinson E F, et al. High performance aqueous insulating packer fluid improved flow assurance and reduced annular pressure buildup in ultra deepwater wells[J]. SPE135177，2010.