抗高溫堵漏隔離液的研制與評價

路飛飛,易 浩,薛兆豐,郭錦棠*

(1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院,烏魯木齊 830011; 2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室,烏魯木齊 830011; 3.天津大學化工學院,天津 300350)

井漏是石油行業非常嚴重的問題之一,井漏一旦發生,輕則影響鉆井時間,重則導致安全事故發生[1]。井漏根據漏失通道主要分為孔隙性漏失、裂縫性漏失和溶洞性漏失。其中裂縫性漏失的次數最多、影響最深遠。對于油氣產層漏失,鉆井液如果漏進了地層,可能會對產層造成永久性的傷害,降低后期開采的油氣產量,更嚴重的可能導致油氣井報廢。隔離液作為鉆井液和水泥漿之間的隔離劑,要求其具有功能性,如自愈合、堵漏或是沖洗性等才能保證施工過程完整流暢,施工流程中不出現斷層。這些情況都對隔離液的堵漏功能提出了要求[2]。

然而以往的堵漏隔離液在高溫下會出現分層、嚴重沉降以及堵漏功能減弱甚至喪失的情況,而堵漏效果好的隔離液又會出現流變性能較差,流動性無法滿足施工要求的缺點。雖有各種堵漏材料和技術的不斷出現,但是低成本、易制備和安全環保性是實際工程生產中必須要考慮的因素。本研究優選堵漏材料,使用核桃殼作為架橋材料[3],木質素纖維作為纖維材料[4]在核桃殼之間搭建網絡,并使用能形成可變形膠束的聚合物填充網絡縫隙,實現高溫高耐壓強度的封堵結構[5-10]。

本研究綜合運用合適的外加劑形成了一種抗高溫、穩定性好、密度調節范圍寬、堵漏功能穩定的隔離液體系。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

2-丙酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)購自北京瑞博龍石油科技發展有限公司;丙烯酰胺(AM)及其衍生物購自山東寶莫生物化工股份有限公司;過硫酸銨(APS)購自上海麥克林生物科技有限公司;氫氧化鈉(NaOH)購自天津市江天化工技術有限公司;嘉華G級油井水泥(高抗硫型)購自四川樂山嘉華水泥廠;木質素購自常州筑威建筑材料有限公司;核桃殼購自鞏義市恒豐環保科技有限公司;重晶石來自成都歐美克石油科技股份有限公司;緩凝劑、降失水劑和分散劑USZ購自衛輝市化工有限公司;G級嘉華水泥購自四川嘉華。

1.2 可變形膠束聚合物的制備

聚合方法選擇自由基溶液共聚合,將AMPS溶于水中,用pH計邊攪拌邊加入氫氧化鈉,將pH值調至5～6;將丙烯酰胺及其衍生物溶于水中,將以上3種水溶液混合到一起,攪拌均勻,混合溶液倒入250 mL三口燒瓶中,加入引發劑過硫酸銨APS,放入水浴鍋中,將溫度調至70 ℃,在機械攪拌條件下持續反應4 h,得到透明膠狀物。

1.3 聚合物的表征

使用FTS3000型紅外光譜儀(美國BRUKER Daltonic公司);測試前,將聚合物樣品透析48 h,冷凍12 h,再放入冷凍干燥機中冷凍干燥48 h。將處理好的樣品使用北京瑞利分析儀器有限公司生產的傅里葉變換紅外光譜儀對其結構進行表征,采用溴化鉀壓片法,掃描波數范圍400～4 000 cm-1,掃描次數32次。

1.4 隔離液的配制

堵漏隔離液的配制:用變頻高速攪拌機12 000 r·min-1攪拌20 min至隔離液基漿均勻后,加入堵漏劑,攪拌均勻。

1.5 堵漏能力測試

采用DL-2型堵漏裝置,進行縫隙板堵漏實驗。縫板寬度為1 mm,每5 min加壓0.5 MPa,當該壓力點能維持5 min時繼續加壓,直到隔離液沖破封堵,將沖破封堵的壓力點的上一壓力點視為該隔離液配方的最大承壓能力。

1.6 隔離液的濾餅制備

采用中壓濾失儀進行濾餅制備,使用氣壓為0.69 MPa,打開氣閥,通氮氣進入濾失儀內,計時一定時間后停止通氣,取下濾失儀內的濾紙,將濾紙上的濾餅小心取出,放入60 ℃烘箱中干燥24 h,取出備用。

1.7 濾餅的表觀形貌表征

采用S-4800場發射掃描電子顯微鏡(日本HITACHI公司)對濾餅的表觀形貌進行分析。

1.8 流變性能測試

隔離液處于2個同心圓筒間的環形空隙內,外筒(或稱轉筒)以一定速度旋轉,浸在隔離液中的外筒的旋轉對內筒(或稱懸錘)施加扭矩,有一扭力彈簧限制了內筒的轉動,與內筒相連的表盤指示出內筒的偏轉量。儀器常數已調好,因此利用外筒在300和600 r·min-1下轉動時的讀數可得到表觀黏度、塑性黏度和動切力。在隔離液基漿中加入不同質量的重晶石,用六速旋轉黏度計測量室溫下不同密度隔離液的流變性能。

1.9 高溫穩定性測試

—SO3的對稱和不對稱伸縮振動吸收峰,1 650 cm-1為AMPS中伯/仲酰胺基中羰基的伸縮振動吸收峰,1 457和1 391 cm-1為丙烯酰胺衍生物中甲基的對稱彎曲振動吸收峰,628 cm-1為S—C的伸縮振動峰。1 600～1 640 cm-1范圍內未發現雙鍵的特征吸收峰,結果表明,該聚合物為目標產物。

在堵漏隔離液中加入不同質量的重晶石,測其初始密度,將配制好的隔離液倒入滾子加熱爐的養護罐中,蓋上內蓋,擰緊螺絲,放入滾子加熱爐中,關上爐門,設置溫度和養護時間,達到時間后,取出倒入500 mL量筒中,測量靜置2 h后,分2次從量筒中取出,每次對取出的部分進行密度測量,算出密度差。

1.10 稠化相容性測試

采用TG-8040DA型雙缸高溫高壓稠化儀進行稠化實驗,在140 ℃,105 MPa實驗條件下進行稠化實驗,將不同體積比例的水泥漿與隔離液混合均勻放入稠化儀的漿杯中進行稠化實驗,并與水泥原漿的稠化時間進行對比。

1.11 失水相容性測試

根據GB/T 19139-2012《油井水泥試驗方法》中的測試方案進行水泥漿的靜態失水測試。將攪拌均勻的漿液倒入高溫高壓稠化儀(美國CHANDLER工業儀器公司)的漿杯中于140 ℃和105 MPa壓力下養護20 min,再將養護后的漿液倒入高溫高壓失水儀(沈陽泰格石油儀器設備公司)的濾筒中,裝入濾網并連接高壓管線,此時將壓力設定為6.9 MPa,緩慢打開濾筒的頂閥和底閥從而收集水泥漿的濾液。

2 結果與討論

2.1 聚合物的紅外光譜表征

如圖1為聚合物結構表征的紅外光譜圖。

圖1 聚合物的紅外光譜圖Fig.1 FITR spectrogram of polymer

如圖1所示,3 460 cm-1為AMPS中—NH的伸縮振動吸收峰,1 187和1 043 cm-1為AMPS中

2.2 堵漏劑的復配加量優選

2.2.1 堵漏顆粒的堵漏性能測試

本實驗采用核桃殼作為架橋材料。核桃殼抗壓能力強,化學性質穩定,不含有毒物質,在酸、堿、水中溶解量很小,并且不會引起水質惡化。如表1所示,為堵漏劑中只有核桃殼時的堵漏性能測試。基漿:500 g水+480 g重晶石+15 g DRY-S1+20 g DRY-S2。

表1 核桃殼單劑的堵漏能力測試Table 1 Plugging ability test of walnut shell

當體系中的堵漏劑只有核桃殼時,體系沒有堵漏能力。

2.2.2 堵漏纖維材料的堵漏性能測試

本研究采用木質素纖維為纖維材料,木質素纖維是天然木材經過一系列化學處理得到的,其處理溫度高,在通常條件下是化學上非常穩定的物質,不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕。無毒無害,對環境沒有副作用,屬于綠色環保產品。表2為堵漏劑中只有木質素時的堵漏性能測試。基漿:500 g水+500 g重晶石+15 g DRY-S1+20 g DRY-S2。

如表2所示,木質素單獨添加量達到水質量的10%才能起到堵漏的作用,且高溫堵漏累積漏失量大大增加。然而此時室溫的流性指數為0.44,稠度系數達到了3.80,流動性較差,給泵送造成了較大的困難,無法滿足泵送的要求[11,12]。

表2 木質素單劑的堵漏性能測試Table 2 Plugging ability test of lignin fiber

2.2.3 聚合物堵漏性能測試

表3為堵漏劑中只有聚合物時的堵漏性能測試。基漿:500 g水+500 g重晶石+15 g DRY-S1+20 g DRY-S2。

表3 聚合物單劑的堵漏性能測試Table 3 Plugging ability test of polymer

當體系中的堵漏劑只有聚合物時,體系沒有堵漏能力。

2.2.4 堵漏材料復配優選和加量優化

通過前面的3組實驗證明,純物理和純化學的方式無法有效堵漏,必須使用物理與化學結合的手段來進行堵漏。接下來進行核桃殼、木質素纖維和聚合物復配的優選和加量優化。

如表4所示,為堵漏劑復配和加量優化的測試結果。隔離液基漿:500 g水+480 g重晶石+15 g DRY-S1+20 g DRY-S2。

表4 堵漏材料復配優選和加量優化測試Table 4 Plugging ability test of compound loss circulation materials

由表4可知,只有木質素和聚合物時隔離液沒有堵漏能力;只有木質素和核桃殼時也沒有堵漏能力;只有聚合物和核桃殼時體系的漏失量較大;而剛性架橋材料、纖維材料與聚合物3者復配才能得到較好的堵漏效果,這是因為3種結構配合才能形成密實的堵漏機構網架。在經過3者復配加量的優選實驗之后確定,木質素+18目核桃殼+聚合物的加量為水質量的1%+2%+1%即可達到很好的堵漏效果。

該堵漏劑良好的抗高溫堵漏性能主要來源于聚合物可變形膠束、剛性架橋材料以及纖維材料的協同作用[13,14]。其中纖維物質相互交錯,無規則地交織在一起,形成的網絡為剛性架橋顆粒的滯留提供了良好條件,堵漏漿液經過封堵網絡時,水分透過網絡繼續向地層深處滲入,剛性架橋物質則黏結在網絡上形成了初級封堵塞。水分可以繼續滲入地層,但其中的固相顆粒則被攔截在塞面上,而后聚合物可繼續對小孔徑的裂縫孔隙進行填充封堵,直到完全封堵塞面上的小孔[15],液體停止滲入,從而達到封堵漏失的目的。

2.3 堵漏濾餅的微觀形貌

將不添加聚合物和添加了聚合物的隔離液分別制作濾餅,將所得的樣品固定干導電膠,經過噴金處理后,采用掃描電鏡對2者樣品的表觀形貌進行掃描,未添加聚合物的隔離液的濾餅如圖2(a)的纖維部分較為分散,纖維與纖維之間的空隙較多,而與之相比,添加了聚合物的隔離液的濾餅如圖2(b)更為平整,可從圖2中看出纖維部分整體性更強,纖維之間的縫隙被較多的物質所填充,證明聚合物能夠對縫隙進行填充,使濾餅結構更加密實和完整,能夠對微小空隙進行有效封堵。

圖2 (a)未加聚合物的隔離液濾餅及(b)加聚合物的隔離液濾餅的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of (a)spacer filter cake without polymer and (b)spacer filter cake with polymer

2.4 綜合性能評價

為滿足現場施工要求,需要隔離液具有易泵送、易流動、不污染水泥和鉆井液的性能[11,12],因此需要對隔離液的綜合性能進行評價。

2.4.1 流變性能

表5為不同密度隔離液的流變性能測試結果。

在流變性能的指標中,流性指數n和稠度系數K是重要的衡量指標。一般來說當n在大于0.5且小于0.8的范圍內,數值越大表示流動性越好,而稠度系數越大則表觀黏度越大。從表5中可以看出,堵漏隔離液密度在1.30～1.60 g·cm-3的范圍內,流性指數都在0.65以上且變化不大,且稠度系數都小于1.5,而在高溫160 ℃養護后,流動性都有一定的提高,說明不同密度的隔離液在室溫和高溫下均具有良好的流變性能,在固井過程中可實現紊流頂替,可有效隔離開鉆井液和水泥漿,提高驅替效率。

表5 堵漏隔離液的流變性能測試Table 5 Rheology test of loss circulation spacer fluid

2.4.2 高溫穩定性

表6為不同密度的隔離液在高溫養護后的沉降穩定性測試結果。

從表6中可以看出,在不同密度下的隔離液均具有良好的懸浮穩定性,即使在160 ℃的高溫養護后,也具有不大于0.01 g·cm-3的密度差。

表6 堵漏隔離液的高溫穩定性Table 6 Stability test of loss circulation spacer fluid

2.5 相容性試驗

2.5.1 流變相容性試驗

表7為隔離液與水泥漿相容性的測試結果。

表7 堵漏隔離液與水泥漿混漿的流變性能Table 7 Rheology test of compound of loss circulation spacer fluid and cement paste

隔離液與水泥漿相混時要求不能出現閃凝、絮凝等現象,否則將會影響水泥漿的流動,繼而有害固井質量。從表7中可以看出,隔離液與水泥漿混合以后,室溫下為12～23 cm,93 ℃養護后的流動度為25～27 cm,都比純水泥的流動度要大,表明隔離液與水泥漿混合后基本沒有閃凝、絮凝現象。而混合液在室溫和高溫養護后的流性指數基本都大于0.6,稠度系數基本小于1,說明混合液的流變性能良好,隔離液可實現有效驅替。

2.5.2 稠化相容性試驗

稠化時間是水泥漿的重要性能之一,是固井工程中的重要指標,也是施工成功與否的重要因素,隔離液在與水泥漿混合的過程中是否會影響水泥漿的稠化過程也是需要考慮的重要內容。圖3和圖4分別是100%水泥漿、95%水泥漿+5%隔離液(密度1.30 g·cm-3)在140 ℃的稠化曲線。水泥漿配方:嘉華G級水泥+35%石英砂200目+3%微硅+0.5%分散劑USZ+3%降失水劑G33S+2%緩凝劑GH-9+57%水。

圖3 100%水泥漿的稠化曲線圖Fig.3 Consistency curve of 100% cement slurry

圖4 95%水泥漿+5%隔離液混漿的稠化曲線圖Fig.4 Consistency curve of 95% cement slurry+5% loss circulation spacer fluid

從圖3和圖4中可以看出,當混合體積比為95∶5時,隔離液沒有縮短水泥漿的稠化時間,且對稠化曲線的發展沒有不良影響,水泥漿和混漿的稠化曲線都較為平穩,沒有劇烈的波動,也沒有閃凝現象,能夠滿足施工要求。

2.5.3 失水相容性試驗

隔離液中的聚合物不但具有堵漏效果,從原理上說也具有降濾失的功能,能夠形成致密的濾餅,從而起到阻止水的進一步滲透,由此進行失水試驗,測試隔離液對水泥漿失水性的影響。水泥漿配方:嘉華G級水泥+35%石英砂200目+3%微硅+0.5%分散劑USZ+3%降失水劑G33S+2%緩凝劑GH-9+57%水。測得100%水泥漿和95%水泥漿+5%隔離液(密度1.30 g·cm-3)的API失水量分別為22和24 mL,可以看出隔離液對水泥漿的失水性能沒有影響,這可能是因為隔離液中的聚合物上的AMPS單體含有磺酸基團,而水泥漿中的降失水劑含有羧基,磺酸基團的吸附性比羧基小,所以聚合物的競爭吸附性比降失水劑弱[16-18],因此對水泥的失水性能沒有影響,符合施工要求。

3 結論及建議

1)堵漏劑運用剛性架橋材料和彈性粒子的復配,達到了高溫下5 MPa的堵漏承壓效果,且堵漏劑加量分別只有水質量的1%,對隔離液體系的流變性能沒有太大的影響。

2)堵漏隔離液性能穩定,具有較好的防漏堵漏作用。

3)堵漏隔離液具有良好的綜合性能,高溫穩定性以及與水泥的流變相容性、稠化相容性和失水相容性都較好,能夠穩定起到作用,并且不會使水泥發生閃凝、絮凝等問題。