耐溫耐鹽暫堵化學(xué)橋塞體系研究與性能評價

王翔，郭繼香，王文昌，張世嶺，楊矞琦，陳金梅

(1.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

由于地質(zhì)或工程因素導(dǎo)致的井筒漏失一直是國內(nèi)外油田現(xiàn)場亟待解決的技術(shù)難題[1]。據(jù)統(tǒng)計，全世界約有1/4的井會發(fā)生井漏事故，甚至出現(xiàn)惡性漏失[2]，經(jīng)濟損失巨大[3-4]。21世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者針對不同垮塌漏失類型對凝膠堵漏劑開展了較多的研究，主要集中于耐溫承壓等方面[5-11]，但塔河油田高溫(120～150 ℃)、高鹽(2×105～2.5×105mg/L) 的特點導(dǎo)致了常規(guī)凝膠堵劑無法滿足井筒處理要求，封堵效果有限[12]。本文針對塔河油田現(xiàn)場井筒垮塌漏失治理難題，研究出一種能適應(yīng)井筒高溫高壓環(huán)境，并滿足現(xiàn)場高礦化度地層水配制，達到平衡井筒壓力或封堵漏失地層效果的暫堵化學(xué)橋塞體系。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酰胺(AM)、氯化鈉、氯化鈣、無水氯化鎂均為分析純；耐高溫聚丙烯酰胺(SDP-1，相對分子質(zhì)量為800萬)、V型交聯(lián)劑、偶氮二異丁脒鹽酸鹽V-50、耐高溫改性淀粉均為工業(yè)級；實驗用水為塔河油田24×104mg/L模擬地層水，水質(zhì)離子濃度(g/L)組成見表1。

表1 塔河油田24×104mg/L模擬地層水離子組成Table 1 Ion composition of simulated formation water 24×104mg/L in Tahe oilfield

FA2004C型電子天平；DHG型電熱鼓風(fēng)干燥箱；JJ-1型數(shù)顯電動攪拌器；高溫高壓HAAkE Mars Ⅲ型流變儀；FEI Quanta 200F型冷場環(huán)境掃描電鏡；P110S型突破壓力評價裝置，自制。

1.2 暫堵化學(xué)橋塞體系制備

按照表1配制24×104mg/L的模擬地層水，其他礦化度的模擬地層水可由礦化度為24×104mg/L模擬地層水稀釋得到。量取一定量模擬地層水作為分散介質(zhì)，加入丙烯酰胺單體和耐高溫聚丙烯酰胺，攪拌一段時間使其均勻分散，待其充分溶解后，緩慢加入適量引發(fā)劑V-50，攪拌均勻后，逐漸加入一定量的V型交聯(lián)劑，隨后加入復(fù)配增強劑，繼續(xù)充分?jǐn)嚢柚辆嗪笮纬蓵憾禄瘜W(xué)橋塞體系預(yù)凝膠溶液。

1.3 性能評價

1.3.1 暫堵化學(xué)橋塞體系強度評價 將預(yù)溶液注入安瓿瓶約25 mL抽真空后放置于恒溫140 ℃的烘箱中成膠，采用目測代碼法篩選配方[13]。在觀察到凝膠開始形成后，通過將安瓿瓶倒置來觀察其膠液的流動狀態(tài)，并與目測代碼強度進行對比，以此來判斷凝膠強度。

1.3.2 暫堵化學(xué)橋塞體系突破壓力評價 將配制好的暫堵化學(xué)橋塞體系預(yù)凝膠溶液注入不銹鋼管中，用螺帽封堵兩端，置于140 ℃烘箱中恒溫成膠。待凝膠形成后，將平流泵連接至裝置底部，以10 mL/min 左右的水流量持續(xù)注水，管中凝膠在受到水的推力后緩慢上移，直到突破。整個過程的瞬時壓力值可由壓力傳感器傳遞到信號處理器中，并在電腦終端實時記錄，當(dāng)?shù)姿畬⒛z膠塞完全突破時，壓力傳感器的壓力值會發(fā)生急劇變化，此時顯示的壓力峰值即為凝膠的突破壓力。

1.3.3 暫堵化學(xué)橋塞體系流變性評價 采用流變儀測量暫堵化學(xué)橋塞體系的流變性能，如凝膠的黏彈性、蠕變-回復(fù)性能等，以此來評價凝膠的強度和形變/應(yīng)變能力。

1.3.3.1 黏彈性 通過改變剪切頻率(0.1 ～10 Hz)測試模擬地層水礦化度分別為0，6×104，12×104，24×104mg/L時配制的暫堵化學(xué)橋塞體系黏彈性變化曲線。

1.3.3.2 蠕變-回復(fù)性能 固定屈服應(yīng)力值為400 Pa， 測量復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉配制暫堵化學(xué)橋塞體系在該應(yīng)力值下的形變性質(zhì)及應(yīng)變能力。

1.3.4 暫堵化學(xué)橋塞體系微觀結(jié)構(gòu)分析 將在140 ℃下恒溫成膠后的凝膠樣品密閉干燥處理，隨后采用冷場環(huán)境掃描電鏡觀察凝膠微觀結(jié)構(gòu)和表面特征，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，從而在機理上解釋體系凝膠強度發(fā)生變化的根本原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 暫堵化學(xué)橋塞體系配方優(yōu)選

2.1.1 交聯(lián)劑濃度優(yōu)選 通過改變V型交聯(lián)劑質(zhì)量濃度(0.1%～2.0%)，在140 ℃下觀察其成膠強度，結(jié)果見表2。

表2 不同交聯(lián)劑濃度下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠強度Table 2 Gelation strength of temporary plugging chemical bridge plug system under different crosslinking agent concentrations

由表2可知，當(dāng)交聯(lián)劑濃度小于0.3%時，體系無法成膠；當(dāng)交聯(lián)劑濃度為0.3%時，可形成I級強凝膠；當(dāng)交聯(lián)劑濃度大于0.3%時，短時間內(nèi)凝膠強度可以達到I級，但隨著時間推移凝膠強度減弱冰伴有逐漸分水現(xiàn)象，原因是交聯(lián)劑濃度過大會引起過交聯(lián)現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致體系的保水效果有一定程度的下降。因此，確定體系交聯(lián)劑濃度為0.3%。

2.1.2 引發(fā)劑濃度優(yōu)選 聚合單體丙烯酰胺的濃度為10.0%，V型交聯(lián)劑濃度為0.3%，在140 ℃條件下，考察引發(fā)劑濃度對體系成膠效果的影響,結(jié)果見表3。

由表3可知，引發(fā)劑濃度為0.01%時在4 h可形成I級凝膠，且引發(fā)劑濃度的增大可增強凝膠強度，但過高的引發(fā)劑濃度會加快聚合反應(yīng)的速率，縮短體系的成膠時間，影響現(xiàn)場的使用，因此引發(fā)劑的濃度為0.01%最為合理。

表3 不同濃度引發(fā)劑下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠強度Table 3 Gelation strength of temporary plugging chemical bridge plug system with different concentrations of initiator

2.1.3 聚合物濃度優(yōu)選 凝膠在成膠的過程中共聚-交聯(lián)反應(yīng)同步進行，因此聚合物的濃度對成膠效果有重要影響，當(dāng)交聯(lián)劑的濃度一定時，聚合物的加量會直接影響凝膠在高溫下的長期穩(wěn)定性。單體丙烯酰胺濃度為10.0%，V型交聯(lián)劑濃度為0.3%，引發(fā)劑濃度為0.01%。在140 ℃的溫度下，考察不同聚合物濃度下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠情況,結(jié)果見表4。

表4 不同聚合物濃度下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠強度Table 4 Gelation strength of temporary plugging chemical bridge plug system under different polymer concentrations

由表4可知，恒溫140 ℃，4 h，聚合物濃度>0.3%時形成I級凝膠，24 h后依然可保持I級強度，但聚合物濃度<0.3%時，膠體強度較弱，出現(xiàn)分水現(xiàn)象，原因在于聚合物濃度較低時會引起過交聯(lián)現(xiàn)象發(fā)生，交聯(lián)密度的增加使得凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被限制，力學(xué)強度顯著降低，凝膠在高溫下的穩(wěn)定性也隨之降低。因此，確定體系聚合物濃度為0.3%。

2.2 暫堵化學(xué)橋塞體系突破壓力評價

2.2.1 地層水礦化度對突破壓力的影響 采用礦化度為12×104mg/L和24×104mg/L的模擬地層水配制體系，耐高溫改性淀粉作復(fù)配增強劑，研究不同礦化度地層水對體系突破壓力的影響，其凝膠形態(tài)和突破過程分別見圖2和圖3。

圖1 突破壓力測定裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of breakthrough pressure measuring device

圖2 12×104 mg/L模擬地層水配制下凝膠突破過程Fig.2 12×104 mg/L simulated formation water to prepare gel breakthrough process

圖3 24×104 mg/L模擬地層水配制下凝膠突破過程Fig.3 24×104 mg/L simulated formation water to prepare gel breakthrough process

實驗表明，模擬地層水的礦化度為12×104mg/L時，突破壓力為246 kPa/m；模擬地層水的礦化度為24×104mg/L時，突破壓力為2 038 kPa/m，由此可知，地層水礦化度增大會直接影響體系的凝膠強度，突破壓力會大幅提升。

2.2.2 復(fù)配增強劑對突破壓力的影響 選用礦化度為24×104mg/L的模擬地層水和復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉配制體系，隨后在Ф25 mm×200 mm的不銹鋼管中注入10 cm高的預(yù)溶液，140 ℃下成膠6 h后冷卻至室溫進行突破壓力測量，其凝膠形態(tài)和突破過程見圖4。

圖4 耐高溫改性淀粉作增強劑下的凝膠形態(tài)和突破過程Fig.4 Gel morphology and breakthrough process of high temperature resistant modified starch as enhancer

由圖4可知，耐高溫改性淀粉作為暫堵化學(xué)橋塞體系的復(fù)配增強劑時，凝膠在中心鼓泡約3 cm后突破，整體保持良好的機械蠕變性能和較強的柔韌性，此時的突破壓力為2 128 kPa/m。

2.2.3 膠塞長度對突破壓力的影響 在5根同規(guī)格的鋼管中分別注入5，10，15，20，25 cm的預(yù)溶液，140 ℃下成膠6 h再冷卻至室溫測量突破壓力值，壓力信號與時間的關(guān)系曲線見圖5。壓力傳感器以大氣壓力為基準(zhǔn)值，讀數(shù)100.1 kPa，而曲線峰值則代表不同膠塞長度下的瞬時突破壓力。

圖5 不同長度膠塞的突破過程曲線Fig.5 Breakthrough curves of different lengths of rubber plugs

由圖5可知，膠塞長度與突破壓力呈正相關(guān)，膠塞長度越長，突破壓力值越大。

不同膠塞長度下的突破壓力值的擬合，結(jié)果見圖6。

圖6 突破壓力隨膠塞長度的變化曲線Fig.6 Curve of breakthrough pressure with rubber plug length

由圖6可知，其變化趨勢近似二次函數(shù)增長，突破壓力值(y)與膠塞長度(x)遵循以下規(guī)律(壓力單位為kPa，膠塞長度單位為m)。

x=(3.67×10-5y2+1.85×10-2y+4.1)/100

(1)

因此，在油田現(xiàn)場應(yīng)用時，可根據(jù)膠塞承壓要求，通過式(1)求得所需的膠塞長度，滿足現(xiàn)場的實際應(yīng)用需求。

2.3 暫堵化學(xué)橋塞體系流變性評價

2.3.1 地層水礦化度對黏彈性的影響 彈性模量(G′)和黏性模量(G″)可分別用于評價凝膠的強度和黏性。實驗采用不同礦化度模擬地層水配制暫堵化學(xué)橋塞體系，通過測量不同剪切頻率下凝膠的黏彈性來研究地層水礦化度對成膠強度的影響，實驗結(jié)果見圖7。

圖7 不同礦化度模擬地層水配制凝膠的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)Fig.7 Elastic modulus(G′) and viscosity modulus(G″) of the gel prepared from different mineralization levels

由圖7可知，凝膠體系的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨礦化度的增大而增大，這說明地層水的礦化度對體系的成膠強度有增強作用，可能在一定程度上改善了凝膠的結(jié)構(gòu)；當(dāng)固定剪切頻率f=1 Hz時，用去離子水配制的凝膠彈性模量為358 Pa，而礦化度為24×104mg/L的模擬地層水配制的凝膠彈性模量為757 Pa，強度增加了約1倍，而此時凝膠的黏性模量為282 Pa，也增加了接近1倍。但相對彈性模量來說，礦化度對黏性模量的增加作用更明顯，G′和G″的增大也反映出凝膠抵抗變形和壓縮的能力的增強。

2.3.2 復(fù)配增強劑對蠕變-回復(fù)性能的影響 選用耐高溫改性淀粉復(fù)配體系，研究復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉對于凝膠體系形/應(yīng)變能力的影響，實驗結(jié)果見圖8。

圖8 耐高溫改性淀粉復(fù)配凝膠的蠕變回復(fù)性Fig.8 Creep recovery of high temperature modified starch composite gel

由圖8可知，施加400 Pa的外加應(yīng)力條件下，由耐高溫改性淀粉作增強劑體系凝膠在應(yīng)力卸載后能迅速恢復(fù)形變，從開始恢復(fù)形變到形變不再變化的時間需要50 s，凝膠的形變恢復(fù)能力強，具有較強的柔韌性，其原因在于耐高溫改性淀粉復(fù)配的體系凝膠擁有較高的黏性模量和彈性模量，由于黏滯力和彈力等力學(xué)因素的影響，在恢復(fù)形變時有一定的能量損耗，因而具有良好的應(yīng)變能力。

2.4 暫堵化學(xué)橋塞體系微觀結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 復(fù)配增強劑對微觀結(jié)構(gòu)的影響 對不加復(fù)配增強劑(見圖9a)和加入復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉(見圖9b)的暫堵化學(xué)橋塞體系密閉干燥后進行冷場環(huán)境掃描電鏡觀察，在同等放大倍數(shù)(1 000倍)下發(fā)現(xiàn)：不加復(fù)配增強劑的凝膠體系表面有細(xì)小緊密的突起褶皺；而加入復(fù)配增強劑的暫堵化學(xué)橋塞體系凝膠表面突起大，褶皺十分明顯，在宏觀上表現(xiàn)出比普通凝膠更好的彈性和拉伸延展性。

圖9 冷場環(huán)境電鏡拍攝凝膠表面形貌對比Fig.9 Comparison of gel surface morphology under cold field electron microscope

2.4.2 復(fù)配增強劑加劑量對微觀結(jié)構(gòu)的影響 將復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉加量由0.8%增加為1.5%，微觀形貌(圖10a)顯示，耐高溫改性淀粉為0.8%時凝膠的褶皺表面較為光滑，而加量為1.5%時有大量樹枝狀/鱗片狀的片層吸附于凝膠褶皺表面(見圖10b)，在一定程度可起到穩(wěn)固網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用，但過量淀粉的堆砌會導(dǎo)致凝膠保水性減弱，同時也會造成資源的浪費。

圖10 不同耐高溫改性淀粉加量下凝膠表面形貌對比Fig.10 Comparison of surface morphology of gelatin under different high temperature modified starch dosage

2.4.3 地層水礦化度對微觀結(jié)構(gòu)的影響 使用冷場環(huán)境掃描電鏡分別對去離子水(見圖11a)、12×104mg/L模擬地層水(見圖11b)和24×104mg/L模擬地層水(見圖11c)配制的體系凝膠表面進行觀察。

圖11 不同礦化度模擬地層水下的凝膠表面形貌對比Fig.11 Comparison of gel surface morphology under simulated salinity with different salinity

結(jié)果可知,去離子水配制的體系凝膠表面褶皺光滑，12×104mg/L模擬地層水配制的凝膠表面褶皺上附著有大量顆粒物，而24×104mg/L模擬地層水配制的凝膠表面的顆粒物增多，大量附著在褶皺表面甚至堆砌在褶皺形成的凹槽中。將圖c再放大5 000倍(見圖d)，觀察到顆粒物片層在樹狀褶皺表面的聚結(jié)吸附，推測其可能是凝膠形成過程中溶液過飽和而析出的無機鹽，無機鹽顆粒吸附堆砌在凝膠骨架結(jié)構(gòu)表面，起到提高凝膠強度的作用，與不同礦化度凝膠黏彈性測量結(jié)果較為一致，也為暫堵化學(xué)橋塞體系具有良好的耐鹽性提供了證明。

3 結(jié)論

(1)針對塔河油田井筒垮塌漏失井治理難題，研究出一種耐溫耐鹽暫堵化學(xué)橋塞體系，其配方組成為(%)：10%丙烯酰胺+0.3%耐高溫聚丙烯酰胺SDP-1+0.3%V型交聯(lián)劑+0.01%引發(fā)劑V-50+0.8%復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉+模擬地層水，膠液在140 ℃下成膠，具有良好的耐溫耐鹽承壓性能。

(2)地層水礦化度對凝膠的突破壓力有較大影響，礦化度增加1倍，突破壓力可提升10倍以上；而復(fù)配增強劑的加入可使得體系的突破壓力達2 128 kPa/m； 凝膠的突破過程以中間鼓泡形式發(fā)生，說明凝膠本身具有較強的柔韌性，且對管壁有較強的黏附力，表現(xiàn)出良好的承壓能力。

(3)彈性模量G′和黏性模量G″隨地層水礦化度升高增大，剪切頻率為1 Hz時，礦化度為24×104mg/L 模擬地層水配制的體系彈性模量G′和黏性模量G″分別為757 Pa和282 Pa，高礦化度地層水對凝膠樹狀結(jié)構(gòu)的改善使得其抵抗變形和壓縮的能力顯著增強；復(fù)配增強劑耐高溫改性淀粉的加入使得體系具有較強的彈性和一定的黏附性，宏觀上顯示出體系整體性能的提升。

(4)高礦化度地層水在凝膠形成過程中會過飽和析出無機鹽顆粒物，這些顆粒物在樹狀褶皺表面或凹槽進行聚結(jié)吸附，堆砌在凝膠骨架結(jié)構(gòu)表面，起到提高凝膠強度的作用，表現(xiàn)為凝膠良好的耐鹽性。