鉆井用延時(shí)吸水膨脹堵漏劑的制備及其室內(nèi)性能評(píng)價(jià)*

曾志強(qiáng)

(中石化南京化工研究院有限公司，江蘇南京 210048)

井漏是石油和天然氣鉆探過(guò)程中經(jīng)常遇到的復(fù)雜問(wèn)題之一[1]。因井漏引起的井下復(fù)雜事故對(duì)鉆井、完井施工危害極大，一直是國(guó)內(nèi)外石油工程界十分關(guān)注的問(wèn)題。鉆井作業(yè)中一旦發(fā)生漏失，不僅延誤鉆井時(shí)間，損失鉆井液，損害油氣層，干擾地質(zhì)錄井工作，嚴(yán)重時(shí)還可能引起井壁失穩(wěn)導(dǎo)致井塌、卡鉆、井噴等一系列復(fù)雜情況與事故，甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，堵漏是鉆井工程中必須采取的一項(xiàng)重要措施[2-6]。目前，國(guó)內(nèi)外使用的堵漏材料有很多種，聚合物類(lèi)吸水膨脹型堵漏材料是其中較為常見(jiàn)的一種，其在井筒中及漏失裂縫中會(huì)吸水發(fā)生體積膨脹，形成一種具有彈性和韌性的物質(zhì)，在壓力作用下通過(guò)架橋作用堵塞裂縫，達(dá)到堵漏的目的[7-10]。但常規(guī)吸水膨脹堵漏材料抗溫能力差、強(qiáng)度低、膨脹速率難以控制，通常由地面到進(jìn)入漏失層位的過(guò)程需要幾個(gè)小時(shí)，優(yōu)良的吸水膨脹材料在此時(shí)間段內(nèi)會(huì)高速吸水，體積大幅膨脹，無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)漏失點(diǎn)，影響了實(shí)際的堵漏效果。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員采用多種技術(shù)措施來(lái)減緩堵漏劑的吸水速率，達(dá)到延緩膨脹的目的。如包裹法[11]、疏水性交聯(lián)劑法[12]等，但這些方法均具有一定的局限性：包裹法制備工藝復(fù)雜，對(duì)包覆設(shè)備要求高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；疏水性交聯(lián)劑法制備的吸水膨脹材料，材料內(nèi)外沒(méi)有明顯的吸水膨脹能力差，進(jìn)而導(dǎo)致該吸水膨脹材料整體吸水膨脹能力減小、放緩，而并未出現(xiàn)先緩慢后迅速吸水膨脹的特點(diǎn)。筆者采用改性法對(duì)吸水膨脹樹(shù)脂表面的親水基團(tuán)進(jìn)行疏水改性，制得一種耐高溫延時(shí)吸水膨脹堵漏劑，在水中隨著溫度的變化及時(shí)間的延長(zhǎng)，水緩慢從延時(shí)膨脹堵漏劑表面疏水鏈之間的空隙進(jìn)入堵漏劑內(nèi)核，從而呈現(xiàn)出堵漏劑前期緩慢吸水膨脹后期迅速吸水膨脹的趨勢(shì)。與現(xiàn)有延時(shí)膨脹堵漏劑相比較，該延時(shí)膨脹堵漏劑具有優(yōu)良的延時(shí)吸水膨脹效果，使得堵漏劑顆粒在進(jìn)入漏失層位過(guò)程中不膨脹(或緩慢膨脹)，隨著進(jìn)入地層的時(shí)間或地層溫度等因素影響，到達(dá)漏失層位時(shí)堵漏劑顆粒迅速吸水膨脹，從而達(dá)到對(duì)漏失地層良好封堵效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

丙烯酸(AA)，氫氧化鈉，引發(fā)劑，氯化鈉：以上試劑均為分析純，南京化學(xué)試劑有限公司；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；增強(qiáng)劑：勝利油田博友泥漿技術(shù)有限責(zé)任公司；膨潤(rùn)土：濰坊市坊子區(qū)興隆膨潤(rùn)土廠；交聯(lián)劑：實(shí)驗(yàn)室自制；改性劑、催化劑：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器

EX324ZH 型天平：美國(guó)奧豪斯公司；DHG-9146A 型恒溫箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；Y6202 型粉碎機(jī)：北京燕山正德機(jī)械設(shè)備有限公司；DF-Ⅱ型集熱式磁力攪拌器：江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠；DL-2 型堵漏儀：青島鑫睿德石油儀器有限公司。

1.2 延時(shí)吸水膨脹堵漏劑的制備

在裝有攪拌裝置及N2導(dǎo)管的反應(yīng)器中，依次加入水、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、增強(qiáng)劑等，攪拌均勻后以(w)25% NaOH 溶液調(diào)節(jié)中和度至40%，再加入交聯(lián)劑及引發(fā)劑，升溫至50 ℃反應(yīng)3 h，得到黏彈性凝膠體，取出干燥、粉碎造粒、過(guò)0.425～3.35 mm(6～40 目)篩，即得到耐溫吸水膨脹樹(shù)脂。

取一定量的上述樹(shù)脂，依次加入適量改性劑和催化劑，緩慢升溫至80 ℃，反應(yīng)2 h，取出過(guò)濾干燥后即得到延時(shí)吸水膨脹堵漏劑。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 吸水膨脹倍率測(cè)試

以帶準(zhǔn)確刻度的量筒先量取一定體積的水(V0)，加入干燥的樹(shù)脂，讀取量筒中實(shí)際水刻度體積(VA)，則干燥堵漏劑顆粒的體積為V1(V1=VA-V0)。在設(shè)定溫度的水浴中膨脹一定時(shí)間后，倒出量筒中剩余水，重新加入初始凈水體積V0，讀取量筒中實(shí)際水刻度體積VB，此時(shí)堵漏劑顆粒吸水后的膨脹體積為V2(V2=VB-V0)，V2/V1的值即為該堵漏劑顆粒在某時(shí)間段的體積膨脹倍數(shù)。

1.3.2 堵漏性能測(cè)試

采用DL-2 型堵漏儀，選用4.39 mm 鋼珠模擬滲透型漏失地層，參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5840—2007 《鉆井液用橋接堵漏材料室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法》評(píng)價(jià)試樣的堵漏性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀特征

延時(shí)膨脹堵漏劑為不同粒徑的灰白色固體小顆粒(如圖1 所示)，有利于進(jìn)入不同尺寸的裂縫或漏失通道中，吸水膨脹后達(dá)到封堵的效果。

圖1 延時(shí)膨脹堵漏劑

2.2 延時(shí)吸水膨脹性能評(píng)價(jià)

取延時(shí)改性前后的試樣及市售的2 種延時(shí)膨脹堵漏劑，分別測(cè)試在30，50，80 ℃條件下，清水和(w)5%膨潤(rùn)土漿中吸水膨脹倍數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖2—圖4。

圖2 30 ℃下的吸水膨脹性能

圖3 50 ℃下的吸水膨脹性能

圖4 80 ℃下的吸水膨脹性能

由圖2—圖4 可見(jiàn)：改性后的延時(shí)膨脹堵漏劑在不同溫度下的清水中或膨潤(rùn)土漿中，均具有一定的延時(shí)膨脹效果。室溫下(約30 ℃)，清水中延時(shí)約2 h，膨潤(rùn)膨潤(rùn)土漿中延時(shí)約2.5 h；隨著溫度的升高，延時(shí)膨脹時(shí)間逐漸縮短；在80 ℃時(shí)，清水和膨潤(rùn)土漿中均延時(shí)0.5～1 h。與市售的2 種延時(shí)膨脹堵漏劑相比，改性后的延時(shí)膨脹堵漏劑延時(shí)吸水膨脹效果尤為明顯。同時(shí)，其吸水膨脹能力(吸水膨脹平衡倍數(shù))隨著溫度的升高逐漸增強(qiáng)，室溫下，清水中吸水膨脹能力為28 倍，膨潤(rùn)土漿中吸水膨脹能力為15 倍；50 ℃時(shí)，清水中吸水膨脹能力可到50 倍，膨潤(rùn)土漿中吸水膨脹能力可達(dá)到30倍；80 ℃時(shí)，清水中吸水膨脹能力可到55 倍，膨潤(rùn)土漿中吸水膨脹能力可達(dá)到35 倍。由此可見(jiàn)，該延時(shí)膨脹堵漏劑的吸水膨脹能力也比市售的2 種延時(shí)膨脹堵漏劑強(qiáng)。

2.3 耐溫性能評(píng)價(jià)

取1.0 g 延時(shí)膨脹堵漏劑試樣倒入高溫老化罐中，加入400 g (w)5%膨潤(rùn)土漿，置于一定溫度下的加熱爐中。24 h 后打開(kāi)老化罐，濾去游離水，測(cè)定試樣吸水膨脹倍數(shù)，并觀察試樣形態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1 及圖5。

由表1 及圖5 可見(jiàn)：延時(shí)膨脹堵漏材料在膨潤(rùn)土漿中經(jīng)熱處理后，吸水膨脹性能隨溫度升高而增大(100 ℃以?xún)?nèi))，且吸水膨脹后延時(shí)膨脹堵漏材料具有一定的強(qiáng)度，彈性較強(qiáng)。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，部分延時(shí)膨脹堵漏材料發(fā)生脫水，但仍具有一定的強(qiáng)度。可見(jiàn)，延時(shí)膨脹堵漏劑的耐溫性基本可達(dá)到120 ℃。

表1 延時(shí)膨脹堵漏劑耐溫性能

圖5 不同耐熱溫度下24 h吸水膨脹后形態(tài)

2.4 堵漏性能評(píng)價(jià)

配制(w)5%的膨潤(rùn)土漿，預(yù)水化處理24 h 后，加入(w)0.3%的延時(shí)膨脹堵漏劑，攪拌2 h 配制成堵漏漿。以4.39 mm 鋼珠模擬滲透型漏失地層，進(jìn)行堵漏性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 可見(jiàn)：在堵漏漿中延時(shí)膨脹堵漏劑加量(w)為0.3%時(shí)，堵漏漿即具有良好的封堵效果。隨著壓力升高、時(shí)間的延長(zhǎng)，堵漏顆粒逐漸吸水膨脹，延時(shí)膨脹堵漏漿最終將滲透型漏失地層完全封堵住。與市售2種堵漏劑相比較，延時(shí)膨脹堵漏劑總漏失量為113 mL，其中常壓漏失量?jī)H為85 mL，遠(yuǎn)低于市售的2種堵漏劑。說(shuō)明該延時(shí)膨脹堵漏劑具有優(yōu)異的封堵效果。

表2 延時(shí)膨脹堵漏材料封堵性能

將已被封堵的滲透型模擬漏層靜置24 h，泄壓，取出堵漏層上層堵漏漿，向堵漏儀中緩慢加入2 L清水，逐步加壓，測(cè)試封堵層的承壓能力。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 封堵層承壓能力

由表3 可見(jiàn)：隨著壓力的逐漸增加，封堵層無(wú)明顯滴液，表明延時(shí)膨脹堵漏劑封堵過(guò)程中形成的封堵層具有較高的承壓能力，可以達(dá)到6.0 MPa。該延時(shí)膨脹堵漏劑在鉆井過(guò)程中具有較好的堵漏效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

1)以丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、增強(qiáng)劑及交聯(lián)劑為原料，在氧化-還原引發(fā)體系作用下，制備出耐溫型吸水膨脹樹(shù)脂，再經(jīng)表面延時(shí)改性處理，制得一種耐溫型延時(shí)吸水膨脹堵漏劑。

2)制備的延時(shí)膨脹堵漏劑具有良好的延時(shí)膨脹效果，在30 ℃清水中可延時(shí)約2 h，隨著溫度的升高，延時(shí)時(shí)間縮短，80 ℃仍可延時(shí)0.5 h 以上。延時(shí)膨脹效果優(yōu)于市售同類(lèi)產(chǎn)品。

3)針對(duì)滲透型漏失地層，延時(shí)吸水膨脹堵漏劑具有良好的封堵效果。封堵層承壓能力達(dá)6 MPa，總漏失量?jī)H為113 mL，封堵效果優(yōu)于市售同類(lèi)產(chǎn)品，且延時(shí)膨脹堵漏劑堵漏過(guò)程中形成的封堵層具有良好的承壓能力。該延時(shí)膨脹堵漏劑在鉆井過(guò)程中具有較好的堵漏效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。