蔣孟晨,許 林,程現(xiàn)華,李 冬,黃美蘭,高 君,聞 揚(yáng),王佳明
(1.浙江海洋大學(xué)石油化工與環(huán)境學(xué)院,浙江舟山 316022;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;3.中國(guó)石油測(cè)井公司新疆分公司,新疆克拉瑪依 834000;4.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司,上海 315000;5.貝爾法斯特女王大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,貝爾法斯特BT95AG,英國(guó))
隨著油氣生產(chǎn)的進(jìn)行,在役井密封件不可避免地遭受各類損傷而導(dǎo)致泄漏,極大增加了井筒完整性控制風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。井筒密封修復(fù)是維持井筒完整性的重要措施,主要包括機(jī)械修復(fù)與化學(xué)修復(fù)兩類。機(jī)械修復(fù)通常要求停工,作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大,且成本高;化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要通過(guò)擠注水泥、熱固性樹脂、硅酸鹽等密封劑,在泄漏處固化封堵,達(dá)到密封損傷修復(fù)效果[5-8]。與機(jī)械修復(fù)相比,化學(xué)修復(fù)具有工藝簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)小、成本低等優(yōu)點(diǎn),但傳統(tǒng)密封劑易受井下環(huán)境影響,固化遷移成功率低,在油氣井密封修復(fù)應(yīng)用中的限制較大。因此,有必要開發(fā)一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的新型密封劑體系。
近年來(lái),國(guó)外報(bào)道了一種新型壓差激活密封劑[9-10]。該密封劑具有類似人體“創(chuàng)口血凝”的仿生效果,僅在漏點(diǎn)壓差作用下發(fā)生固化反應(yīng),自適應(yīng)封堵泄漏孔隙。與傳統(tǒng)密封劑相比,壓差激活密封劑的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不受傳輸時(shí)間、環(huán)境溫度和壓力等影響,靶向遷移性強(qiáng),且其密封效果僅取決于漏點(diǎn)尺寸,極大提高了油氣井管柱密封修復(fù)作業(yè)成功率。該技術(shù)已用于海洋油氣井完整性恢復(fù),如控制管線、油套管、安全閥、采油樹等動(dòng)靜態(tài)密封修復(fù),累計(jì)作業(yè)逾1300次,成功率高達(dá)85%,修復(fù)費(fèi)用最高下降90%[11-13]。壓差激活密封劑具有特殊的壓力響應(yīng)、靶向修復(fù)功能,不僅在油氣開發(fā)領(lǐng)域展現(xiàn)重要應(yīng)用價(jià)值,在儲(chǔ)運(yùn)、化工、冶金等涉及水力密封的行業(yè)也顯示出巨大潛力。國(guó)內(nèi)對(duì)壓差激活密封劑的研究起步較晚,2015年郭麗梅等[14]首次報(bào)道了壓差激活密封劑的制備及螺紋損傷室內(nèi)修復(fù)評(píng)價(jià);最近,幸雪松等[15]優(yōu)化了壓差激活密封劑的制備條件,提出了密封劑壓差激活的自適應(yīng)修復(fù)機(jī)理。盡管對(duì)壓差激活密封劑的研究已取得初步成果,但關(guān)于該類密封劑封堵行為、壓力響應(yīng)機(jī)制和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面的報(bào)道仍較少,這在一定程度上制約了新技術(shù)體系的完善。本文從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、機(jī)理分析、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等3 個(gè)方面,系統(tǒng)研究了壓差激活密封劑的制備、微結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)堵漏性能及應(yīng)用效果,并提出了自適應(yīng)封堵的力學(xué)-化學(xué)耦合新模型,為新型壓差激活密封劑的開發(fā)及應(yīng)用提供重要的理論與技術(shù)支持。
羧基丁腈膠乳(XNBRL),工業(yè)級(jí),上海巨道化工有限公司;激活劑MgCl2,分析純,濟(jì)寧市三元華工科技有限公司;終止劑烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10),工業(yè)級(jí),河南道純化工技術(shù)有限公司;穩(wěn)定劑黃原膠(VIS-B),消泡劑有機(jī)硅(CES),工業(yè)級(jí),荊州嘉華科技有限公司。
VHX-6000超景深三維顯微系統(tǒng),日本Keyence儀器公司;Master-sizer2000 激光粒度分析儀,英國(guó)Malvern 公司;動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)設(shè)備(見圖1),自制。動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)設(shè)備包括流體循環(huán)控壓裝置、泄漏模擬組件、高溫高壓密封釜單元及數(shù)據(jù)采集模塊,其泄漏模擬組件采用可視化材料制備,并通過(guò)高壓泵實(shí)現(xiàn)密封流體加壓及動(dòng)態(tài)密封控制,最高模擬溫度和壓力分別為150 ℃和25 MPa。動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)設(shè)備可直觀監(jiān)測(cè)密封流體的堵漏過(guò)程,尤其是通過(guò)漏縫后的流態(tài)變化及固體屏障的形成。同時(shí),此設(shè)備采用高壓泵循環(huán)方式既可減少密封流體實(shí)驗(yàn)用量,又可有效模擬密封流體的井下遷移,滿足了復(fù)雜環(huán)境下不同泄漏工況的堵漏模擬要求。
圖1 動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)設(shè)備示意圖
(1)壓差激活密封劑的制備
在裝有攪拌器、溫度計(jì)、恒壓滴液漏斗的四口燒瓶(1 L)中依次加入140 mL XNBRL 膠乳、60 mL 20%VIS-B溶液,攪拌均勻作為膠乳稀釋液;在75 ℃下控制攪拌器轉(zhuǎn)速1500 r/min,將20 mL 激活劑(20% MgCl2溶液)滴入燒瓶中,加入1 mL 消泡劑CES,10 min 滴加完畢,隨后停止攪拌15 min,得到具有微米級(jí)顆粒的乳液;開啟攪拌,加入10 mL終止劑OP-10,再攪拌15 min制得壓差激活密封劑。
(2)動(dòng)態(tài)堵漏效果評(píng)價(jià)
在動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)設(shè)備的循環(huán)釜內(nèi)加入壓差激活密封劑,關(guān)閉控制閥,加熱至設(shè)定溫度,開啟打壓泵,達(dá)到設(shè)計(jì)壓力;打開控制閥,控制泵速使壓力傳遞至泄漏模擬組件,監(jiān)測(cè)密封劑在動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程中通過(guò)泄漏組件的流態(tài)變化,記錄壓力變化曲線;關(guān)閉堵漏設(shè)備,取出泄漏模塊,檢測(cè)形成的固體屏障,分析壓力變化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),評(píng)估密封劑堵漏效果。
(3)微結(jié)構(gòu)分析及封堵檢測(cè)
采用激光粒度分析儀檢測(cè)壓差激活密封劑中固相顆粒的粒徑及粒度分布,采用超景深三維顯微系統(tǒng)檢測(cè)壓差激活密封劑中固相顆粒的微觀形貌特征及粒徑尺寸。采用動(dòng)態(tài)堵漏評(píng)價(jià)設(shè)備,設(shè)計(jì)激發(fā)壓力值約15 MPa,在35 ℃下開展壓差激活密封劑在絲扣、縫隙等不同微缺陷模擬組件的動(dòng)態(tài)堵漏效果檢測(cè),其中縫隙有兩類,長(zhǎng)度為0.5 mm,厚度為10 mm,寬度分別為0.5、0.8 mm;進(jìn)一步利用寬度為0.8 mm的縫隙檢測(cè)了壓差激活密封劑在90數(shù)150 ℃下的動(dòng)態(tài)封堵效果,考察溫度對(duì)密封性能的影響。
分析壓差激活密封劑微結(jié)構(gòu)有利于揭示壓差激活密封行為本質(zhì)。制備的密封劑中膠粒微結(jié)構(gòu)及尺寸分布如圖2所示,其中,D10數(shù)D90對(duì)應(yīng)累計(jì)粒徑分布數(shù)為10%數(shù)90%的粒徑值。分析粒徑特征參數(shù)值可知,壓差激活密封劑膠粒粒徑分散性窄,呈現(xiàn)規(guī)則微形貌。膠粒平均粒徑為261.5 μm,基本粒徑分布范圍為100數(shù)400 μm,其中主體粒徑分布在200數(shù)300 μm 內(nèi),累計(jì)比例達(dá)57.72%,而分布在100數(shù)200 μm內(nèi)的粒徑占比為32.70%,上述二者累計(jì)比例高達(dá)90.42%,構(gòu)成了壓差激活密封劑中固相微粒的主體。進(jìn)一步比較表面積體積平均徑D(3,2)與體積四次矩平均徑D(4,3),二者相差僅20.4 μm,說(shuō)明膠粒形狀規(guī)則,粒度分配集中。
由圖2(b)膠粒的微觀形貌(放大倍數(shù)為100)可見,膠粒形狀規(guī)則,呈球狀,外層具有層狀結(jié)構(gòu),這與膠乳-電解質(zhì)體系的破乳動(dòng)態(tài)過(guò)程密切相關(guān)[16-17]。膠粒形成是動(dòng)力學(xué)過(guò)程,Mg2+溶液奪取膠乳基本粒子外層水,使水化層減薄,ζ電位下降,基本粒子活性增大,碰撞黏接幾率增加,聚集形成內(nèi)核;在高剪切下與其他基本粒子堆疊締合,自組裝成穩(wěn)定球狀;外層基團(tuán)通過(guò)吸附水分子降低表面自由能,最終形成具有層狀結(jié)構(gòu)的水化膠粒(見圖2(c),放大倍數(shù)為50)。
圖2 壓差激活密封劑的膠粒微觀形貌及粒徑分布
2.2.1 不同微缺陷
油氣井絲扣和管柱損傷通常是導(dǎo)致井筒完整性缺失的主要因素。采用動(dòng)態(tài)堵漏模擬評(píng)價(jià)設(shè)備分別檢測(cè)了壓差激活密封劑對(duì)絲扣滑脫及管柱微缺陷的堵漏效果,其中漏縫尺寸為0.5 mm×0.5 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬×厚),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。絲扣與縫隙的壓力變化曲線基本一致,包括打壓、循環(huán)壓降及密封穩(wěn)壓3個(gè)階段,說(shuō)明在不同泄漏工況下,壓差激活密封劑動(dòng)態(tài)密封具有相似演化過(guò)程。在壓力變化曲線上,循環(huán)壓降段反映了壓差激活密封劑在漏點(diǎn)缺陷的動(dòng)態(tài)密封行為,壓力下降時(shí)間及趨勢(shì)可反映密封流體在該壓力下的液-固轉(zhuǎn)化程度及適用性。比較縫隙與絲扣循環(huán)壓降曲線,在150 s內(nèi)二者壓力曲線均出現(xiàn)平臺(tái),即壓力變化趨于穩(wěn)定,說(shuō)明密封流體已經(jīng)對(duì)缺陷實(shí)施了有效封堵。此外,在密封穩(wěn)壓段,壓力幾乎保持穩(wěn)定,說(shuō)明形成的固體屏障密封性好,能對(duì)絲扣及縫隙實(shí)施有效封堵。
壓差激活密封劑在絲扣及縫隙出口形成了具有一定韌性及形狀特征的固體屏障(見圖3),說(shuō)明壓差激活密封流體可以填充絲扣滑脫及縫隙,形成的固體屏障可在正向壓力作用下穿透微缺陷空間形成“拖尾”,這也表明生成的固體屏障具有良好的反向承壓能力。這種多膠粒自聚結(jié)密封與雙層覆膜自組裝顆粒的黏連封堵相似[18]。
圖3 壓差激活密封劑在不同泄漏組件的動(dòng)態(tài)堵漏壓力變化曲線(a)和封堵絲扣及漏縫后形成的固體屏障(b、c)
2.2.2 溫度的影響
在35數(shù)150 ℃范圍內(nèi)壓差激活密封劑對(duì)縫隙(0.5 mm×0.8 mm×10 mm)的封堵性能如圖4 所示。在35、90、120、150 ℃時(shí),承壓曲線均出現(xiàn)穩(wěn)壓段,說(shuō)明在考察溫度下壓差激活密封劑能對(duì)漏縫實(shí)施有效封堵,且承壓最高達(dá)15 MPa。壓力峰值到穩(wěn)壓段起點(diǎn)的時(shí)間變化Δt從大到小依次為35 ℃>90 ℃>120 ℃>150 ℃,說(shuō)明高溫可提高封堵效率。同時(shí),150 ℃下的穩(wěn)壓曲線較其他曲線平穩(wěn),進(jìn)一步說(shuō)明高溫有利于封堵。此外,高溫壓力峰值與穩(wěn)壓段的壓降變化Δp從大到小依次為90 ℃>120 ℃>150 ℃。例如90 ℃和150 ℃對(duì)應(yīng)的壓降值分別為5.5 MPa和0.7 MPa,這也表明高溫有利于壓差激活密封劑封堵孔隙。上述現(xiàn)象可歸因于升溫的影響:升溫不但可提高水化膠粒的表層脫水速度,也能使膠粒的熱運(yùn)動(dòng)加劇,造成分子鏈運(yùn)動(dòng)及相互擴(kuò)散性增強(qiáng),使膠粒黏附性和膠結(jié)速度均增大,從而強(qiáng)化分散體系從流體到凝固態(tài)的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)化趨勢(shì),促進(jìn)泄漏空間內(nèi)固體屏障的形成[19]。
圖4 不同溫度下壓差激活密封劑對(duì)縫隙的密封承壓曲線
壓差激活密封劑是一種新型密封流體,目前尚無(wú)封堵機(jī)理報(bào)道。在此,結(jié)合壓差激活密封劑微結(jié)構(gòu)與壓差密封性能間的構(gòu)效關(guān)系,建立一套適于描述密封劑在壓差作用下的液-固轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)模型,闡明壓差激活密封劑的壓力控制、靶向修復(fù)工作機(jī)理。壓差激活密封劑的活性粒子是一類由疏水鏈、親水鏈以共價(jià)鍵交聯(lián)形成的預(yù)聚體,其外層分子鏈吸附水分子形成復(fù)合液滴(水化膠粒);水化層可保護(hù)中心粒子,降低膠粒聚結(jié)性,增強(qiáng)體系的熱力學(xué)穩(wěn)定性。此外,復(fù)合液滴具有材料界面,顯示特殊的界面剪切性和面積擴(kuò)展黏彈性[20-21],在漏點(diǎn)壓差下形變。該行為是密封劑的壓差響應(yīng)方式。圖5給出了復(fù)合液滴的中心膠粒形貌、分子結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)作用特點(diǎn),提出了壓差激活密封劑的自適應(yīng)修復(fù)力學(xué)-化學(xué)耦合模型。受漏點(diǎn)壓差形成的速度梯度場(chǎng)影響,復(fù)合液滴發(fā)生旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、壁面滑移與撞擊,相界面受力改變,使整體瞬態(tài)變形,造成界面水層剝離或破碎[22-26]。一旦失去水化層,預(yù)聚體可通過(guò)氫鍵或分子間作用力互相擴(kuò)散或多鏈結(jié)吸附,膠粒間自聚結(jié)能力增強(qiáng),體系熱力學(xué)穩(wěn)定性下降,固相粒子聚并形成彈性體填充泄漏孔隙。壓差激活密封劑的自適應(yīng)填充與鄭力會(huì)等[27]報(bào)道的“自匹配絨囊封堵”、邱正松等[28]報(bào)道的“自膠結(jié)締合堵漏”一致,可在一定尺寸范圍內(nèi)適應(yīng)不同形狀的泄漏,擺脫了架橋、充填等理論束縛。
圖5 壓差激活密封劑在射流場(chǎng)中微缺陷自適應(yīng)密封的構(gòu)效關(guān)系
綜上所述,壓差激活密封劑的力學(xué)-化學(xué)耦合模型可總結(jié)為:(1)漏點(diǎn)壓差導(dǎo)致缺陷內(nèi)流場(chǎng)重新分布,并釋放物理信號(hào),形成待修復(fù)靶點(diǎn);(2)壓差激活密封劑響應(yīng)信號(hào),其復(fù)合液滴在流場(chǎng)內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)改變,水化膜遭到破壞,中心粒子激活;(3)活性膠粒在缺陷內(nèi)化學(xué)聚結(jié),并自適應(yīng)填充形成固體屏障,而余下的壓差激活密封劑仍保持流態(tài)。
2.4.1 氣井漏點(diǎn)及環(huán)空帶壓概況
壓差激活密封劑在海上G2氣田C2井進(jìn)行了應(yīng)用。C2井處于后期開采階段,其油套環(huán)空(A環(huán)空)存在帶壓?jiǎn)栴}。檢漏數(shù)據(jù)顯示,C2 井A 環(huán)空(油套環(huán)空)帶壓0.7 MPa,環(huán)空內(nèi)封隔液的液面位于油管掛下約208 m;距油管掛164.02 m 和185.36 m 的油管上存在兩個(gè)漏點(diǎn),即在環(huán)空液面上20—50 m間距內(nèi)存在兩處泄漏。分析完井管柱結(jié)構(gòu)判斷下部泄漏發(fā)生在油管接箍附近,結(jié)合泄壓數(shù)據(jù)推測(cè)漏點(diǎn)尺寸較小,可以采用壓差激活密封劑進(jìn)行密封修復(fù)。
2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)施工
(1)工藝方案
管柱密封修復(fù)施工包括管線連接、試壓、泄壓、泵送、擠注、憋壓等5個(gè)作業(yè)步驟。壓差激活密封劑通過(guò)泵注進(jìn)入帶壓環(huán)空內(nèi),利用自重方式沉降到指定位置;打壓激活密封劑,形成固體屏障封堵泄漏孔隙,完成密封修復(fù)。在泵送過(guò)程中,依次向油套環(huán)空內(nèi)注入清洗隔離液與密封劑,其中清洗隔離液除了具有清洗管柱、隔離不同工作液功能外,還可以作為墊漿將密封劑提升至漏點(diǎn)附近,減少密封劑消耗。由于氣井油管存在兩處泄漏,清洗隔離液與密封劑可以在A 環(huán)空內(nèi)交替形成段塞,如圖6 所示。環(huán)空段塞由下至上依次為22 m(770 L)清洗隔離液稠塞、10 m(350 L)密封劑段塞I、10 m(350 L)隔離液段塞、10 m(350 L)密封劑段塞II,上部環(huán)空采用隔離液和清水充填。油套環(huán)空壓力高于油壓3 MPa 以上,確保激活密封劑;憋壓密封24 h,監(jiān)測(cè)壓力變化數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)密封修復(fù)效果。根據(jù)堵漏施工標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求,在穩(wěn)壓條件下30 min內(nèi)油套壓降小于5%,且油套環(huán)空泄壓后,升壓幅度小于5%視為密封修復(fù)施工有效。
圖6 A環(huán)空注入流體形成的段塞分布
(2)密封修復(fù)施工
壓差激活密封劑儲(chǔ)罐通過(guò)高壓管線與高壓泵連接,另一端與油套環(huán)空四通閥外部法蘭連接。泵送壓差激活密封劑前泄放環(huán)空壓力至最低,采用間歇泄壓泵注方式,泵送設(shè)計(jì)體積的密封劑及其配套工作流體;注入完畢調(diào)節(jié)泵速梯度加壓,控制井口壓力高于油壓3 MPa以上;隨后憋壓,記錄該過(guò)程中油套環(huán)空壓力數(shù)據(jù),評(píng)估密封修復(fù)施工效果;泄壓,拆卸設(shè)備,清洗管線,完成密封修復(fù)作業(yè)?,F(xiàn)場(chǎng)以5 MPa 為激活壓力,環(huán)空壓力達(dá)該值即開始憋壓,通過(guò)正向承壓變化判斷堵漏結(jié)果。密封修復(fù)作業(yè)的環(huán)空壓力變化曲線如圖7所示。憋壓段1維持壓力值12 h,說(shuō)明壓差激活密封劑可在漏點(diǎn)形成固體屏障,有效修復(fù)管柱泄漏。采用梯度加壓至6.3 MPa,憋壓段2的壓力值在檢測(cè)時(shí)間(8 h)內(nèi)保持穩(wěn)定,說(shuō)明密封劑可以在環(huán)空到油管間形成正向封堵。
圖7 密封修復(fù)作業(yè)承壓曲線(a)和反向回壓曲線(b)
考慮到管柱泄漏孔隙較?。ㄈ缃z扣),加之環(huán)空內(nèi)段塞的存在,壓力變化的傳遞可能遲滯,進(jìn)一步采用反向回壓變化判斷封堵效果。在密封修復(fù)作業(yè)前,泄壓后環(huán)空壓力回復(fù)速度快,可在2 h內(nèi)達(dá)到0.7 MPa,封堵后回壓趨勢(shì)變化顯著。比較兩次反向回壓的變化曲線可見,在一次回壓曲線上,環(huán)空壓力在60 h回復(fù)到0.7 MPa,回壓速度顯著下降;而此后環(huán)空壓力值進(jìn)一步上升到1.4 MPa,超過(guò)初始環(huán)空帶壓值0.7 MPa,這主要?dú)w因于泵送時(shí)混入段塞的氣體在泵送停止后滑脫到達(dá)井口,使回復(fù)壓力大于初始環(huán)空壓力。在二次回壓曲線上,環(huán)空壓力在3 d 后達(dá)到0.2 MPa,并維持此值。該余壓低于環(huán)空帶壓值,可能是氣體滑脫或管柱溫度變化所致。正向承壓和反向回壓結(jié)果表明,壓差激活堵漏劑可以在24 h內(nèi)有效封堵孔隙,滿足消除環(huán)空帶壓施工要求,達(dá)到了C2井管柱泄漏快速修復(fù)的目的。
針對(duì)油氣井管柱密封修復(fù)問(wèn)題,開展了新型壓差激活密封劑微觀結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)堵漏性能、作用機(jī)理等方面的研究,并在環(huán)空帶壓氣井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。壓差激活密封劑是一種多分散相體系,其分散相為具有一定粒徑分布、微形貌特征的水化膠粒。該密封劑可在15 MPa內(nèi)對(duì)絲扣、縫隙等不同微泄漏類型實(shí)施有效封堵,形成的固體屏障具有良好承壓性,且升溫有利于強(qiáng)化體系動(dòng)態(tài)封堵性能。結(jié)合分散相化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀形貌及其射流形變與密封性間的構(gòu)效關(guān)系,提出了壓差激活密封劑的自適應(yīng)密封力學(xué)-化學(xué)耦合新模型,并分析了密封劑的壓力響應(yīng)密封機(jī)制。壓差激活密封劑應(yīng)用于海洋氣井油管密封修復(fù),有效解決了環(huán)空帶壓?jiǎn)栴},為井筒完整性快速恢復(fù)施工提供了新技術(shù)借鑒。
鳴謝:感謝中國(guó)石油大學(xué)(北京)樊建春教授課題組及長(zhǎng)江大學(xué)許明標(biāo)教授課題組對(duì)本論文研究工作的大力支持!