油基鉆井液用改性樹脂類抗高溫防漏堵漏劑研究

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206）

引言

深層油氣勘探開發(fā)過程中，鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，由于微裂縫發(fā)育，地層破碎程度增加，地層承壓能力差，極易發(fā)生井漏[1-2]。與水基鉆井液相比，油基鉆井液泥頁巖抑制性強(qiáng)、抗溫能力高、潤滑性能優(yōu)良[3]，普遍用于深層鉆探，但油基鉆井液的漏失問題也非常普遍[4-5]。適用于油基鉆井液的防漏堵漏材料種類少，部分采用親水性堵漏材料，堵漏成功率低[6-8]；油基鉆井液膨脹性堵漏材料膨脹量不足或者膨脹后強(qiáng)度降低，在外力作用下很難在裂縫中滯留；聚合物凝膠堵漏材料耐溫性不足，高溫下凝膠結(jié)構(gòu)容易被破壞，尤其在高溫高壓地層條件下，抗高溫性能、承壓堵漏能力差，難以滿足堵漏要求[9]。此外，部分堵漏材料與油基鉆井液配伍性差，導(dǎo)致在油基鉆井液體系中無法發(fā)揮很好的防漏堵漏效果[10-13]。本文制備出了一種與油基鉆井液配伍性好、承壓能力高、封堵能力強(qiáng)的新型抗高溫改性樹脂類堵漏劑，期望改善油基鉆井液鉆井時(shí)所遇到的嚴(yán)重漏失問題。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：樹脂顆粒（粒徑10-100μm）、對(duì)苯乙烯磺酸鈉（SSS，純度99%）、丙烯酸丁酯（BA，純度99.0%）、丙烯酸十八酯（純度大于98%）、丙烯酰胺（AM，純度99.0%）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC，純度99.0%）、乳化劑OS（MS-1，純度40%）、NN亞甲基雙丙烯酰胺（MBA，純度99%）、過硫酸鉀(K2S2O8，純度大于99%)。

實(shí)驗(yàn)儀器：電子分析天平，F(xiàn)A1104，上海恒平；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，ZNN-6型，青島海通達(dá)；滾子加熱爐，BGRL-45，青島同春石油儀器有限公司；泥漿失水量測(cè)定儀，SD-3型，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓失水儀，GGS71-B型，青島同春石油儀器有限公司；中壓砂床封堵儀，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏儀，青島同春石油儀器有限公司。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①漏堵漏劑的制備

將對(duì)苯乙烯磺酸鈉10g、丙烯酰胺5g、二甲基二烯丙基氯化銨5g、與100ml離子水混合，以400r/min攪拌速率攪拌10min，制備得到混合液；保持400r/min攪拌向混合液中加入丙烯酸丁酯10g、丙烯酸十八酯10g、乳化劑1g之后保持?jǐn)嚢?0min，得到預(yù)乳液。將預(yù)乳液添加至裝有攪拌器、冷凝管、滴液漏斗的四口燒瓶中，通氮?dú)?0min，升溫至60℃后加入NN亞甲基雙丙烯酰胺0.2g、過硫酸鉀0.5g、樹脂顆粒30g。在60℃條件下保持反應(yīng)狀態(tài)3h，然后將產(chǎn)物在100℃下烘干剪碎，最后粉碎過篩（產(chǎn)物粒徑可控制在μm），最終產(chǎn)品為白色粉末。

②防漏堵漏劑的表征

取合成后的樣品，放入105℃烘箱中烘干24h后，用瑪瑙研缽把干燥后的樣品研磨粉碎。利用熱重分析儀對(duì)堵漏劑進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析，溫度范圍為40℃-600℃，升溫速率為10℃/min，保護(hù)氣體為氮?dú)狻?/p>

③防漏堵漏劑吸油膨脹性能評(píng)價(jià)

稱取1g堵漏劑，浸泡于白油中，密封靜置后取出，稱量堵漏劑吸油后質(zhì)量，計(jì)算其吸油膨脹率。

④油基鉆井液基漿的配制

油基鉆井液基漿的配置：取320ml白油放入高腳杯，保持5000r/min的攪拌速度，依次向其中加入3.0%主乳化劑、1.5%輔乳化劑保持?jǐn)嚢?min后，向其中加入80ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的CaCl2水溶液，攪拌10min后加入3%有機(jī)土和4%CaO，提高攪拌速度至6000r/min，持續(xù)攪拌20min，制得一份油基鉆井液基漿。

⑤防漏堵漏性能評(píng)價(jià)

A.砂床實(shí)驗(yàn)

配制加入一定濃度堵漏劑的油基鉆井液基漿，放入老化爐中進(jìn)行老化（180℃，16h），結(jié)束后取出待用。然后稱取350cm3一定目數(shù)范圍的石英砂，洗凈烘干后倒入中壓砂床濾失儀的圓柱筒中，將砂子均勻鋪展壓實(shí)后，緩慢加入250mL老化后含有一定濃度堵漏劑的油基鉆井液基漿，封閉后加壓至0.7MPa，觀察膨潤土漿在砂層滲透濾失情況，30min后測(cè)量濾液進(jìn)入砂床的深度。

B.封堵實(shí)驗(yàn)

再次，人們?cè)谏鐣?huì)生活中很可能會(huì)同時(shí)運(yùn)用內(nèi)部情緒管理和人際情緒管理，兩種管理策略之間的關(guān)系仍有待考察.個(gè)體到底會(huì)采用內(nèi)部情緒管理策略還是人際情緒管理策略，哪種管理方式更為有效，這都會(huì)受到文化、環(huán)境、情境等因素的影響.除此之外，個(gè)體差異也會(huì)影響情緒管理策略的選擇和使用，有待進(jìn)一步研究.

高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏儀評(píng)價(jià)系統(tǒng)是通過對(duì)待試驗(yàn)堵漏液加壓使之通過模擬漏層試驗(yàn)塊產(chǎn)生漏失，再依據(jù)選定的試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)?zāi)K特征，以及記錄的漏失時(shí)間、漏失量、封堵時(shí)間和模擬漏層的封堵狀態(tài)，來評(píng)價(jià)研究堵漏劑的組分配比，確定合理的施工工藝條件，為相關(guān)的科研和生產(chǎn)提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)使用儀器的裂縫堵漏模片部分。首先，將裂縫堵漏模片安裝完畢，將兩端裝置自帶的堵隔裝置用螺絲上后橫向接在測(cè)試釜體下端。關(guān)死釜體下端另一側(cè)的開關(guān)，向測(cè)試釜體內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)測(cè)試的老化后含有一定濃度隨鉆堵漏劑的油基鉆井液基漿，利用活塞封死測(cè)試釜體后上好各類實(shí)驗(yàn)裝置所要求的不同管線和閥門。在檢查所有裝置安裝完畢后，打開儀表盤上的開始開關(guān)，然后打開測(cè)試釜壓力開關(guān)同時(shí)點(diǎn)擊電腦上的實(shí)驗(yàn)開始。

選擇尺度為0.5mm和1.0mm的裂縫堵漏模片，其它操作步驟相同。從1MPa開始依次加壓，保持1MPa/10min的加壓速率，最后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.結(jié)果與討論

(1)防漏堵漏劑的抗溫性能

圖1為合成的堵漏劑的TGA/DTG圖。由圖可以看出，其熱重曲線分為三個(gè)階段：第一階段為40℃-163℃，樣品失重率約為0.32%，主要是由于聚合物分子結(jié)構(gòu)中含有少量的吸附水和結(jié)合水，在升溫過程中該部分水首先受熱揮發(fā)掉。第二階段為163℃-360℃，該階段聚合物分解較為緩慢，反映出在該階段，聚合物的分子結(jié)構(gòu)仍比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大程度的結(jié)構(gòu)破壞以及分解的情況，說明堵漏劑具有良好的熱穩(wěn)定性。第三階段發(fā)生在360℃-470℃，這一階段熱重曲線迅速下降，聚合物分解加劇，在392℃左右聚合物分解速率達(dá)到最大，此階段聚合物分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，聚合物分子結(jié)構(gòu)的主鏈和側(cè)鏈開始發(fā)生斷裂分離。總體而言堵漏劑的熱分解在360℃以后，360℃時(shí)的失重率僅為15%，表明堵漏劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好。

圖1 堵漏劑TGA/DTG曲線

(2)防漏堵漏劑的吸油性能評(píng)價(jià)

不同溫度下堵漏劑在白油中的吸油膨脹率結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同溫度下，初始階段堵漏劑吸油膨脹率較大，24h后吸油速率趨于緩慢。與常溫下相比，隨溫度的提高，初始吸油速率增大，最終吸油率也有所增加，120℃堵漏劑吸油率可達(dá)到8g/g左右。通過測(cè)試堵漏劑吸油前后的體積變化，發(fā)現(xiàn)在120℃下，堵漏劑吸油飽和后體積膨脹倍數(shù)為3～4倍。表明封堵劑通過其自身膨脹性，可有效填充漏失空間，提高封堵成功率。

圖2 不同溫度下SD-OS白油吸油率隨時(shí)間變化曲線

(3)防漏堵漏性能評(píng)價(jià)

①中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)

在油基鉆井液基漿中分別加入2%、4%、6%的堵漏劑，分別使用20-40目、40-60目、60-80目的石英砂進(jìn)行中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，一定堵漏劑加量、不同目數(shù)范圍的砂床的情況下，油基鉆井液濾液的侵入深度隨砂床目數(shù)的增大而逐漸變淺，但是侵入深度均較淺，說明堵漏劑對(duì)不同目數(shù)范圍砂床均有良好的堵漏效果；隨著堵漏劑加入濃度的上升，油基鉆井液基漿濾液侵入砂床的深度逐漸降低，4%堵漏劑加量和6%堵漏劑加量的油基鉆井液基漿對(duì)同種目數(shù)范圍砂床的封堵效果較為接近，說明合成的堵漏劑能夠有效的提升油基鉆井液的隨鉆堵漏性能，且4%為堵漏劑的最佳加量。

②裂縫封堵實(shí)驗(yàn)

加入老化（180℃，16h）后含有4%堵漏劑的油基鉆井液基漿，使用0.5mm和1.0mm的裂縫堵漏模片構(gòu)建裂縫堵漏模型，在180℃下進(jìn)行裂縫堵漏實(shí)驗(yàn)，得到漏失-壓力-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4

由圖4可知，在使用0.5mm和1.0mm的裂縫堵漏模片構(gòu)建裂縫堵漏模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)堵漏劑能夠很好的對(duì)0.5mm和1.0mm的堵漏裂縫模型進(jìn)行堵漏，這是由于合成的堵漏劑具有吸油膨脹的特性，吸油膨脹后的堵漏劑顆粒具有一定的柔性，能夠有效的對(duì)不同尺度的裂縫進(jìn)行有效的堵漏。由堵漏曲線可知，堵漏劑在0.5mm和1.0mm的裂縫模型下的承壓極限為6MPa，能夠有效地進(jìn)行堵漏。

3.結(jié)論

（1）以對(duì)苯乙烯磺酸鈉、丙烯酰胺、丙烯酸樹脂、丙烯酸十八酯、二甲基二烯丙基氯化銨對(duì)樹脂顆粒進(jìn)行改性，過硫酸鉀為引發(fā)劑，NN亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑進(jìn)行乳液聚合反應(yīng)，合成了一種改性樹脂防漏堵漏劑。

（2）利用熱重分析，顯示其熱分解溫度達(dá)到360℃，表明合成的堵漏劑具有良好的熱穩(wěn)定性。在120℃下，堵漏劑吸油飽和后體積膨脹倍數(shù)為3～4倍。表明堵漏劑有著良好的吸油膨脹效果，可有效填充漏失空間，提高堵漏成功率。

（3）合成的堵漏劑在油基鉆井液中的最佳用量為4%；中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)（4%，40-60目砂床）侵入深度僅為4.2cm；裂縫封堵實(shí)驗(yàn)（0.5mm，1.0mm），堵漏劑承壓能力達(dá)到6MPa。