聚合物納米微球封堵劑CQ-NSA性能研究

陶懷志，陳俊斌，王 蘭，吳 謙

1油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 3中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院

0 引言

近年來(lái)，頁(yè)巖氣水基鉆井液由于具有安全環(huán)保、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為了頁(yè)巖氣鉆井液技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1-2]。頁(yè)巖地層由于層理性強(qiáng)，微裂縫發(fā)育，在鉆井過程中井壁失穩(wěn)問題突出，嚴(yán)重制約了頁(yè)巖氣水基鉆井液的推廣應(yīng)用[3]。研究表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層的縫寬和孔徑集中在50 nm～40 μm之間，與流體接觸后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的自吸現(xiàn)象，使裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通，從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[4]。

針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層納米級(jí)孔縫封堵問題，國(guó)內(nèi)外開展了一系列納米級(jí)封堵材料的研究[5-8]。本文研究的聚合物納米微球封堵劑CQ-NSA是一種丙烯酰胺聚合物，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺通過反相微乳液聚合獲得。本文對(duì)CQ-NSA的分散性、配伍性以及封堵性開展了實(shí)驗(yàn)研究。

1 聚合物納米封堵劑CQ-NSA的制備

1.1 合成試劑

N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、丙烯酰胺、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉均為分析純，Span80、Tween80、白油為化學(xué)純。

1.2 合成工藝流程

聚合物納米封堵劑CQ-NSA采用反向微乳液法合成。用蒸餾水配制60%的丙烯酰胺水溶液，其中加入0.1%N,N-亞甲基雙丙烯酰胺。在三口燒瓶中分別加入Span80、Tween80和白油(質(zhì)量比3∶1∶12)，攪拌10 min使其混合均勻。在持續(xù)攪拌下，緩慢滴加丙烯酰胺水溶液，攪拌至均勻透明，得到油包水型微乳液。將三口燒瓶置于40℃的水浴中，攪拌下通氮20 min，加入過硫酸銨/亞硫酸氫鈉引發(fā)劑(各為單體質(zhì)量的0.25%)，反應(yīng)2 h后得到黏稠液體即為聚合物納米封堵劑CQ-NSA。

2 CQ-NSA粒度分布

采用馬爾文Zeta電位儀，評(píng)價(jià)了CQ-NSA在超聲分散、高速攪拌及加入膨潤(rùn)土體系中的粒度分布。

2.1 CQ-NSA超聲分散后的粒度分布

將0.5 g CQ-NSA溶于500 mL去離子水中，用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min，再放入超聲清洗機(jī)中在頻率40 kHz下分散60 min。將分散后的封堵劑分散液置于馬爾文Zeta電位儀中，測(cè)定其粒度分布，結(jié)果見圖1。

圖1 CQ-NSA超聲分散后粒度分布

由圖1所示，經(jīng)過高速攪拌和超聲分散后，CQ-NSA的粒度分布為40～350 nm之間，中徑為82.14 nm，表明該納米封堵劑CQ-NSA呈納米級(jí)分散。

2.2 CQ-NSA常規(guī)高速攪拌后的粒度分布

納米材料的粒度分布受攪拌和分散方法的影響很大，而現(xiàn)場(chǎng)配制鉆井液，攪拌方法有限。因此，常規(guī)的攪拌處理后，納米封堵劑仍然呈納米分散，才具有納米級(jí)封堵效果。

將0.5 g CQ-NSA溶于500 mL去離子水中，用高速攪拌器在11 000 r/min下攪拌20 min，置于馬爾文Zeta電位儀中，測(cè)定其粒度分布，結(jié)果見表1和圖2。

表1 CQ-NSA高速攪拌后粒度分布

圖2 CQ-NSA高速攪拌后粒度分布圖

由表1和圖2可以看出，CQ-NSA高速攪拌后分布有兩個(gè)峰，第一個(gè)峰的粒度中徑為78.80 nm，含量為17.5%；第二個(gè)峰的粒度中徑為284.9 nm，含量為82.5%。說(shuō)明該CQ-NSA在高速攪拌后，仍有17.5%的顆粒保持了納米分布。未經(jīng)超聲分散，導(dǎo)致納米微球形成了聚集體，形成了微米級(jí)的粒度分布。

2.3 CQ-NSA在膨潤(rùn)土漿中的粒度分布

本小結(jié)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了CQ-NSA加入膨潤(rùn)土漿后粒度分布情況。在4%的膨潤(rùn)土漿中加入2%的CQ-NSA，在11 000 r/min下高速攪拌20 min，測(cè)定其粒度分布，并與膨潤(rùn)土漿的粒度對(duì)比，測(cè)定結(jié)果見表2、表3、圖3和圖4。

由表2、圖3、表3、圖4可以看出，4%膨潤(rùn)土漿的粒度分布主要是200～1 000 nm之間，僅一個(gè)峰，粒度中徑為589.2 nm，在膨潤(rùn)土漿中加入2%的CQ-NSA后，出現(xiàn)了一個(gè)納米級(jí)的峰，粒度中徑為79.95 nm，顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)量的6%。微米級(jí)的分布峰粒度中徑為518.20 nm，較4%膨潤(rùn)土漿的粒度分布峰589.20 nm有所下降。這主要是由于聚合物納米粒子聚集體的粒度中徑較低，拉低了微米級(jí)分布峰的粒度中徑。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CQ-NSA在膨潤(rùn)土漿中仍然具有納米級(jí)的粒度分布。

表2 4%膨潤(rùn)土漿的粒度分布

圖3 4%膨潤(rùn)土漿的粒度分布

表3 4%膨潤(rùn)土漿加入2%CQ-NSA的粒度分布

圖4 4%膨潤(rùn)土漿加入2%CQ-NSA的粒度分布

3 CQ-NSA流變性影響評(píng)價(jià)

納米封堵劑由于比表面積較大，且具有表面活性，加入鉆井液后，對(duì)鉆井液的流變性能有顯著影響，較低加量就可能造成鉆井液黏切大幅升高，從而影響納米封堵劑的配伍性。本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)研究了CQ-NSA對(duì)膨潤(rùn)土漿與鉆井液體系配方的流變性能影響。

3.1 CQ-NSA對(duì)膨潤(rùn)土漿流變性能影響

在4.0%的膨潤(rùn)土漿中加入不同濃度的CQ-NSA，測(cè)定膨潤(rùn)土漿的流變性能，測(cè)定結(jié)果見表4和圖5。

由表4、圖5可以看出，加入CQ-NSA后，膨潤(rùn)土漿的黏度與切力隨著聚合物納米微球的濃度增加而升高。當(dāng)CQ-NSA的濃度低于1.5%時(shí)，其黏度與切力的增量較為平緩。而當(dāng)CQ-NSA的濃度超過1.5%以后，膨潤(rùn)土漿的黏度與切力大幅升高。以上結(jié)果表明，聚合物納米微球?qū)ε驖?rùn)土漿的流變性能有一定的影響，當(dāng)聚合物納米微球的濃度低于1.5%時(shí)，對(duì)流變性能的影響較小，其配伍性較好。CQ-NSA的加量不宜過高，否則將影響鉆井液的流變性能。

表4 不同濃度的CQ-NSA對(duì)膨潤(rùn)土漿流變性能的影響

圖5 不同濃度的CQ-NSA對(duì)膨潤(rùn)土漿流變性能的影響

3.2 CQ-NSA對(duì)鉆井液體系流變性能影響

鉆井液體系配方：2.0%膨潤(rùn)土漿300 mL+1.5%降濾失劑Redu-1+6%降濾失劑SMP-II+0.3%NaOH+7%KCl+重晶石加重至密度2.0 g/cm3。在400 mL鉆井液中加入不同濃度CQ-NSA，高速攪拌20 min，150 ℃下高溫老化16 h，測(cè)定其流變性。得到的結(jié)果見表5、圖6。

表5 不同濃度的CQ-NSA對(duì)鉆井液流變性能的影響

由表5、圖6可以看出，加入CQ-NSA后鉆井液體系的黏度與切力隨著CQ-NSA的濃度增加而升高。當(dāng)CQ-NSA的濃度低于1.5%時(shí)，其黏度與切力的增量較為平緩。而當(dāng)CQ-NSA的濃度超過1.5%以后，鉆井液體系的黏度與切力大幅升高。以上結(jié)果表明，CQ-NSA對(duì)鉆井液體系的流變性能影響與膨潤(rùn)土漿一致，當(dāng)CQ-NSA的濃度低于1.5%時(shí)，對(duì)流變性能的影響較小，其配伍性較好。

圖6 不同濃度的CQ-NSA對(duì)鉆井液流變性能的影響

4 CQ-NSA封堵性能評(píng)價(jià)

本節(jié)采用濾餅滲透率實(shí)驗(yàn)[9]和滲透封堵儀(以下簡(jiǎn)稱：PPA封堵儀)評(píng)價(jià)了聚合物納米微球封堵劑CQ-NSA的封堵性能。

4.1 濾餅滲透率實(shí)驗(yàn)方法

選用200 mL 4%的膨潤(rùn)土漿，高速攪拌下緩慢加入PAC-LV 1.6 g，高速攪拌30 min后，加入重晶石200 g，1 250目碳酸鈣50 g，再攪拌后用高溫高壓失水儀在常溫3.5 MPa下，失水30 min，將釜體內(nèi)的鉆井液倒出，取出濾餅。

4.2 CQ-NSA對(duì)濾餅滲透率的影響評(píng)價(jià)

用制備的濾餅作為過濾介質(zhì)，將清水和不同濃度的CQ-NSA水溶液加入高溫高壓失水儀，常溫下測(cè)定30 min濾失量。測(cè)定結(jié)束后，將液體倒出，取出濾餅，再用清水在常溫下測(cè)定30 min濾失量，計(jì)算各濾餅的滲透率。計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中：k—濾餅滲透率，mD；Vf—濾失量，mL；μ—濾液黏度，mPa·s；h—濾餅厚度，mm；A—濾餅面積，cm2；Δp—滲透壓差，kg/cm2；t—時(shí)間，s。

相關(guān)參數(shù)：A=22.90 cm2；μ=0.89 mPa·s(25 ℃)；Δp=35 kg/cm2；t=1 800 s。

圖7為不同濃度CQ-NSA對(duì)濾餅滲透率的影響，當(dāng)CQ-NSA的濃度為1.5%時(shí)，濾餅滲透率降低85.48%。說(shuō)明該納米封堵劑可以有效封堵濾餅的微孔隙，大幅降低濾餅滲透率。

圖7 不同濃度的CQ-NSA對(duì)濾餅滲透率的影響

4.3 CQ-NSA對(duì)膨潤(rùn)土漿封堵性能影響評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)CQ-NSA的封堵性能，本文采用PPA封堵儀測(cè)定了CQ-NSA對(duì)基漿濾失量的影響，同時(shí)采用湖北嘉華的納米封堵劑MicroLAT進(jìn)行對(duì)比。在4%的膨潤(rùn)土漿中加入不同濃度的封堵劑，高速攪拌20 min，加入高溫高壓封堵儀中，在120 ℃下測(cè)定其PPA封堵儀濾失量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6和圖8。

表6 PPA封堵儀濾失量測(cè)定

圖8 PPA封堵儀濾失量測(cè)定

由表6、圖8可以看出，加入納米封堵劑后，膨潤(rùn)土漿的PPA封堵儀濾失量顯著下降，CQ-NSA的PPA封堵儀濾失量較MicroLAT更低，當(dāng)加入1.0%的CQ-NSA，PPA封堵儀濾失量降低一半以上，說(shuō)明CQ-NSA具有良好的封堵作用，且120℃下仍然保持了良好的封堵性能。

4.4 CQ-NSA鉆井液體系中封堵性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)CQ-NSA的封堵性能，本文采用PPA封堵儀測(cè)定了CQ-NSA對(duì)鉆井液體系濾失量的影響，同時(shí)采用湖北嘉華的納米封堵劑MicroLAT進(jìn)行對(duì)比。將400 mL上節(jié)中的鉆井液體系加入不同濃度的CQ-NSA，高速攪拌20 min，加入高溫高壓封堵儀中，在120 ℃下測(cè)定其PPA封堵儀濾失量。得到的結(jié)果表7和圖9。

表7 PPA封堵儀濾失量測(cè)定

由表7、圖9可以看出，加入CQ-NSA后，體系配方的PPA封堵儀濾失量顯著下降，CQ-NSA的PPA封堵儀濾失量較MicroLAT更低，說(shuō)明CQ-NSA在鉆井液體系中具有良好的封堵作用，且120℃下仍然保持了良好的封堵性能。

圖9 PPA封堵儀濾失量測(cè)定

5 結(jié)論

(1)通過反相微乳液聚合，研發(fā)形成一種聚合物納米微球封堵劑CQ-NSA。該納米封堵劑采用超聲分散的方式呈納米級(jí)分布。

(2)納米材料對(duì)環(huán)境要求較高，往往需要特定的分散方式與分散環(huán)境。而納米材料作為鉆井液處理劑，則需要適應(yīng)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的具體條件。通過模擬鉆井現(xiàn)場(chǎng)條件，將聚合物納米封堵劑CQ-SNA加入水和膨潤(rùn)土漿中，采用常規(guī)高速攪拌，該納米封堵劑仍然有部分呈納米級(jí)分散，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

(3)通過對(duì)納米封堵劑CQ-SNA的評(píng)價(jià)，加量不超過1.5%，對(duì)膨潤(rùn)土漿與鉆井液體系的流變性能影響不大，具有較好的配伍性能。濾餅滲透率實(shí)驗(yàn)和高溫高壓封堵儀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，CQ-NSA加量在1.0%～1.5%之間可以有效降低泥餅滲透率，大幅降低膨潤(rùn)土漿與體系配方的PPA封堵儀濾失量，表明該納米封堵劑具有良好的封堵性能。