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。
1.1.1 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。
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。
1.3.1 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。
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
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)。
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 ℃以內(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)
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。
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。