一種油基鉆井液用凝膠堵漏體系及其應(yīng)用

紀(jì)衛(wèi)軍，楊勇，閆永生，唐國(guó)旺

（1.北京三和潤(rùn)井科技有限公司，北京 102400；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；3.北京燃?xì)獠接邢薰荆本?102200；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著頁(yè)巖氣油氣資源的不斷勘探與開(kāi)發(fā)，油基鉆井液得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是鉆井中的漏失問(wèn)題依然是油基鉆井液面對(duì)的一大難題，加上油基鉆井液的高成本，對(duì)油基鉆井液的堵漏提出了更高的要求。鑒于此，研究一種油基鉆井液堵漏體系就顯得尤為重。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)油基鉆井液的漏失問(wèn)題主要是采取預(yù)防為主，結(jié)合隨鉆堵漏和承壓堵漏，取得了一定的效果，但是針對(duì)惡性漏失，特別是針對(duì)失返性漏失，沒(méi)有很好的辦法，多數(shù)還是使用水泥，但是水泥對(duì)鉆井液具有很大的污染性[2-6]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列研究，包括針對(duì)熱固性樹(shù)脂，吸油膨脹樹(shù)脂，油基凝膠，復(fù)合堵漏劑等的研究，都取得了一定的應(yīng)用效果，但是都只能解決部分井的漏失問(wèn)題，沒(méi)有形成完整的堵漏體系[7-10]。

針對(duì)上面存在的問(wèn)題，油基鉆井液高成本，堵漏技術(shù)欠缺，一旦出現(xiàn)漏失將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，從油基鉆井液體系的性能著手，研究了一種油基鉆井液凝膠體系，主要解決油基鉆井液體系的惡性漏失問(wèn)題。通過(guò)紅外測(cè)試、X 射線衍射和掃描電鏡分析對(duì)凝膠體系的相關(guān)組分進(jìn)行了研究，通過(guò)高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)，再用勻加荷壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了凝膠堵漏體系的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)，研究了凝膠體系的密度，成膠強(qiáng)度，凝膠體系和油基鉆井液體系之間的兼容性。

1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

環(huán)氧樹(shù)脂和二氧化硅（SiO2），主乳化劑、輔乳化劑、潤(rùn)濕劑、有機(jī)膨潤(rùn)土、降濾失劑，CaCl2，柴油、氧化鈣、重晶石均為工業(yè)級(jí)。

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF101S；Spectrum one 智能傅立葉紅外光譜儀；熱重分析儀Q50 型；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)ZNN-D6 型；電穩(wěn)定性測(cè)定儀DWY 型；高溫高壓濾失儀GGS71-B 型；高溫滾子加熱爐，青島海通達(dá)專用儀器廠生產(chǎn)。

1.2 結(jié)合劑合成方法

①將一定量的SiO2粉末在105 ℃下加熱24 h，取出加熱后的固體，放入廣口瓶中冷卻至室溫備用。②用天平秤取0.4 g KH550（硅烷耦聯(lián)劑）融入20 mL 乙醇中，混合均勻后，將20 g SiO2加入反應(yīng)容器中同時(shí)攪拌均勻。將反應(yīng)液放置到通風(fēng)櫥，使乙醇充分揮發(fā)，然后將反應(yīng)液放置到恒溫鼓風(fēng)干燥箱，加熱至120 ℃，加熱60 min，冷卻后轉(zhuǎn)入容器中備用。③將備用的SiO2溶解到溶劑中，將環(huán)氧樹(shù)脂加入，使環(huán)氧樹(shù)脂均勻地嵌入SiO2中，形成有機(jī)無(wú)機(jī)雜化材料結(jié)合劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

鉆井液基礎(chǔ)配方：油/水為75/25，3%主乳+1.5%輔乳化劑+1%潤(rùn)濕劑+3%有機(jī)土+2.5%降濾失劑+2%CaO+25%CaCl2水溶液+重晶石（加重到1.6 g/cm3），在這個(gè)基礎(chǔ)配方中加入凝膠體系；運(yùn)用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、電穩(wěn)定性測(cè)定儀和高溫高壓濾失儀分析凝膠堵漏體系在油基鉆井液體系中的流變性，乳化穩(wěn)定性和失水量的影響。運(yùn)用滾子加熱爐評(píng)價(jià)兼容性。

化學(xué)凝膠體系基礎(chǔ)配方：1 L 水+10%流性調(diào)節(jié)劑+2%結(jié)合劑+10%堵塞劑（與結(jié)合劑物理化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)度）+12%堵漏劑（與結(jié)合劑物理化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)度）。將5%、10%、15%和20%的油基鉆井液體系加入到化學(xué)凝膠體系中，測(cè)試化學(xué)凝膠體系強(qiáng)度。

2 材料表征和性能測(cè)試

2.1 凝膠體系中相關(guān)組分的表征分析

通過(guò)Spectrum one 智能傅里葉紅外光譜儀對(duì)制備的結(jié)合劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，見(jiàn)圖1。由圖1 可見(jiàn)，3412 cm-1附近出現(xiàn)了羥基伸縮振動(dòng)吸收帶，由此可以看出環(huán)氧樹(shù)脂和二氧化硅材料中，有機(jī)相和無(wú)機(jī)相之間存在氫鍵作用。反應(yīng)材料中979 cm-1處的特征峰消失，表示環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)完全反應(yīng)，證明了結(jié)合劑的制備是成功的。通過(guò)對(duì)流性調(diào)節(jié)劑進(jìn)行XRD 射線衍射分析，可以發(fā)現(xiàn)流性調(diào)節(jié)劑的主要成分是二氧化硅。流性調(diào)節(jié)劑的結(jié)晶化程度較高，大部分的峰代表著二氧化硅的存在。但是堵塞劑的衍射峰結(jié)晶化程度較弱，絕大多數(shù)以玻璃相形式存在，這是由于堵塞劑的生產(chǎn)過(guò)程中采用水淬快冷，液相來(lái)不及結(jié)晶，即成為玻璃質(zhì)，在較冷液體中，玻璃體質(zhì)點(diǎn)排列無(wú)序。在少量的結(jié)晶相中硅酸鈣，硅酸二鈣和鋁酸鈣占一定比例。玻璃體是堵塞劑的主要成分。堵漏劑的主要成分是鈣鎂鋁硅酸鹽（Ca54MgAl2Si16O90）、鈣鎂碳酸鹽（CaMg（CO3）2）和二氧化硅，堵漏劑的結(jié)晶化程度較高，大部分的峰代表Ca54MgAl2Si16O90和CaMg（CO3）2的存在。

圖1 凝膠體系中結(jié)合劑的FTIR（a）和流性調(diào)節(jié)劑（b）、堵塞劑（c）、堵漏劑（d）的XRD 表征

2.2 掃描電鏡分析

圖2 中a、b 是結(jié)合劑的SEM 照片，可以看出結(jié)合劑的晶體表面很光滑，晶體成不規(guī)則的微小顆粒狀，其他流性調(diào)節(jié)劑、堵塞劑和堵漏劑都是無(wú)機(jī)材料，因此表面也是光滑的晶體顆粒。c、d 是反應(yīng)后的凝膠，從圖2 中可以清楚地看見(jiàn)反應(yīng)后晶體顆粒成圓柱狀，結(jié)合劑明顯將其他的幾種無(wú)機(jī)晶體膠結(jié)在一起了。通過(guò)SEM 分析可以看出，凝膠的反應(yīng)是交聯(lián)反應(yīng)。

圖2 結(jié)合劑（a、b）和凝膠堵漏體系（c、d）成膠后的掃描電鏡

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 凝膠堵漏劑流變性及相容性評(píng)價(jià)

為了防止緩凝劑的加入影響凝膠的正常泵入，評(píng)價(jià)了緩凝劑加量對(duì)凝膠堵漏體系流變性的影響，見(jiàn)表1。從表1 可以看出，隨著緩凝劑的加入，表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力略微有所降低，但是沒(méi)有顯著的變化，只有動(dòng)塑比出現(xiàn)了反常，出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，但是變化不是很大，都是在正常范圍內(nèi)，符合正常的施工需求。

表1 不同濃度緩凝劑凝膠流變性能的研究

因?yàn)樵撃z堵漏體系可以用于頁(yè)巖氣開(kāi)采的油基鉆井液體系，油基鉆井液對(duì)破乳電壓、高溫高溫失水和流變性具有較高的要求，因此評(píng)價(jià)了凝膠成膠前后分別對(duì)油基鉆井液性能的影響。從表2 可以看出，表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力都有一定的增加，當(dāng)成膠前凝膠加量達(dá)到15%時(shí)，表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力分別達(dá)到了56.5 mPa·s、42 mPa·s、14.5 Pa，動(dòng)塑比略有降低，但變化不大；ES 降低至490 V，但是所有參數(shù)滿足施工要求；同時(shí)降低了高溫高壓失水，說(shuō)明成膠前化學(xué)凝膠具有防滲的效果。表3 顯示了成膠后的凝膠體系對(duì)油基鉆井液性能的影響；可以看出，隨著成膠后凝膠加量的增加，表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力都有一定的增加，當(dāng)成膠前凝膠加量達(dá)到15%時(shí)，表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力分別達(dá)到了69.5 mPa·s、53 mPa·s、16.5 Pa，動(dòng)塑比有少量的降低；ES 降低至420 V，但是滿足施工要求；同時(shí)高溫高壓失水沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，這可能是因?yàn)槟z成膠后成為固體，固體大小不均，因此對(duì)高溫高壓失水量沒(méi)有規(guī)律性的影響。

表2 凝膠堵漏體系成膠前加量對(duì)油基鉆井液性能的影響

表3 凝膠堵漏體系成膠后加量對(duì)油基鉆井液性能的影響

2.3.2 成膠后強(qiáng)度的變化

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要將凝膠的密度調(diào)節(jié)至鉆井液的密度，因此需要對(duì)凝膠加重，本研究考慮到凝膠的強(qiáng)度不是很高，因此采用增強(qiáng)劑對(duì)其進(jìn)行加重，既可以起到提升密度的目的，又可以增加其強(qiáng)度，圖3 和表4 是通過(guò)添加增強(qiáng)劑的加量對(duì)其強(qiáng)度和密度的影響。

圖3 增強(qiáng)劑加量對(duì)凝膠體系強(qiáng)度的影響

從圖3 可以看出，隨著增強(qiáng)劑加量的增加，強(qiáng)度的增加趨勢(shì)成一個(gè)明顯的線性趨勢(shì)：y=0.072x+1.76，R2=0.98771；其中x 代表濃度，y 代表強(qiáng)度。從擬合趨勢(shì)可以看出，凝膠的強(qiáng)度與增強(qiáng)劑的濃度成線性增加，當(dāng)增強(qiáng)劑加量為20 %時(shí)，強(qiáng)度增加至3.2 MPa。說(shuō)明凝膠的成膠強(qiáng)度可控。從表4 可以看出密度隨著增強(qiáng)劑的濃度的增加，呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)增強(qiáng)劑加量為20%時(shí)，密度增加至1.3 g/cm3。

表4 增強(qiáng)劑加量對(duì)凝膠體系密度的影響

2.3.3 油基鉆井液對(duì)成膠強(qiáng)度的影響

前面驗(yàn)證了油基鉆井液用凝膠堵劑成膠前后對(duì)油基鉆井液體系的影響，同樣的我們也需要驗(yàn)證油基鉆井液體系對(duì)油基鉆井液用凝膠堵劑的影響，圖4 是加入不同濃度的油基鉆井液后對(duì)化學(xué)凝膠強(qiáng)度的影響。圖4 可知，油基鉆井液對(duì)化學(xué)凝膠的強(qiáng)度呈一個(gè)明顯的線性下降趨勢(shì)：y=-0.052x+2.86，R2=0.93258；其中x 代表濃度，y 代表強(qiáng)度，R2代表擬合的相似度。當(dāng)油基鉆井液的濃度加量達(dá)到20%時(shí)，化學(xué)凝膠的強(qiáng)度為1.8 MPa，及加入增強(qiáng)劑之前的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，油基鉆井液對(duì)化學(xué)凝膠堵劑的強(qiáng)度影響有限。

圖4 油基鉆井液加量對(duì)凝膠體系強(qiáng)度的影響

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

焦頁(yè)198-1HF 井鉆至井深3233.37 m 發(fā)生失返性漏失，截至12 月15 日8:00，共發(fā)生8 次漏失，水泥漿堵漏4 次，橋漿堵漏4 次，速封堵漏1 次，均沒(méi)有取得較好的封堵效果。研究決定使用油基鉆井液用凝膠堵漏劑。采用間歇性承壓方式，間歇性提升壓力，規(guī)律性穩(wěn)壓；當(dāng)壓力提升到目標(biāo)壓力的三分之一時(shí)，以0.5 MPa 為單位，每次提升壓力0.5 MPa，穩(wěn)壓30 min，如果壓力沒(méi)有降低，繼續(xù)提升0.5 MPa；如果穩(wěn)壓失敗，壓力降低了，提升到上次開(kāi)始穩(wěn)壓時(shí)的壓力繼續(xù)穩(wěn)壓，反復(fù)3 次，如果穩(wěn)住了繼續(xù)提升0.5 MPa。圖5 是現(xiàn)場(chǎng)階梯式試壓圖，壓力每次提升0.689 MPa 觀察壓力變化。當(dāng)測(cè)試壓力達(dá)到6.89 MPa 時(shí)，穩(wěn)壓10 min，完全滿足后續(xù)施工需求。證明本次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分成功。

圖5 焦頁(yè)198-1HF 井現(xiàn)場(chǎng)承壓圖

5 結(jié)論

1.通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂和二氧化硅的交聯(lián)反應(yīng)，制備了一種結(jié)合劑，該結(jié)合劑具有很強(qiáng)的交聯(lián)作用，可以吸附幾種無(wú)機(jī)礦物，在一定溫度下形成一種高強(qiáng)度的可以抗油基鉆井液污染的凝膠堵漏劑。

2.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示凝膠體系和油基鉆井液具有很好的相容性，凝膠體系流變性可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工。凝膠體系成膠前后不會(huì)破壞油基鉆井液的性能，同時(shí)油基鉆井液體系也不會(huì)破壞油基鉆井液凝膠堵漏體系的性能。

3.凝膠體系的密度可調(diào)，強(qiáng)度可調(diào)，成膠時(shí)間可調(diào)，具有很好的應(yīng)用效果。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分成功，有望進(jìn)一步推廣。