路飛飛,易 浩,薛兆豐,郭錦棠*

(1.中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,烏魯木齊 830011; 2.中國(guó)石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011; 3.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300350)

井漏是石油行業(yè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題之一,井漏一旦發(fā)生,輕則影響鉆井時(shí)間,重則導(dǎo)致安全事故發(fā)生[1]。井漏根據(jù)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(shù)最多、影響最深遠(yuǎn)。對(duì)于油氣產(chǎn)層漏失,鉆井液如果漏進(jìn)了地層,可能會(huì)對(duì)產(chǎn)層造成永久性的傷害,降低后期開(kāi)采的油氣產(chǎn)量,更嚴(yán)重的可能導(dǎo)致油氣井報(bào)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(guò)程完整流暢,施工流程中不出現(xiàn)斷層。這些情況都對(duì)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(huì)出現(xiàn)分層、嚴(yán)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(huì)出現(xiàn)流變性能較差,流動(dòng)性無(wú)法滿足施工要求的缺點(diǎn)。雖有各種堵漏材料和技術(shù)的不斷出現(xiàn),但是低成本、易制備和安全環(huán)保性是實(shí)際工程生產(chǎn)中必須要考慮的因素。本研究?jī)?yōu)選堵漏材料,使用核桃殼作為架橋材料[3],木質(zhì)素纖維作為纖維材料[4]在核桃殼之間搭建網(wǎng)絡(luò),并使用能形成可變形膠束的聚合物填充網(wǎng)絡(luò)縫隙,實(shí)現(xiàn)高溫高耐壓強(qiáng)度的封堵結(jié)構(gòu)[5-10]。

本研究綜合運(yùn)用合適的外加劑形成了一種抗高溫、穩(wěn)定性好、密度調(diào)節(jié)范圍寬、堵漏功能穩(wěn)定的隔離液體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

2-丙酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)購(gòu)自北京瑞博龍石油科技發(fā)展有限公司;丙烯酰胺(AM)及其衍生物購(gòu)自山東寶莫生物化工股份有限公司;過(guò)硫酸銨(APS)購(gòu)自上海麥克林生物科技有限公司;氫氧化鈉(NaOH)購(gòu)自天津市江天化工技術(shù)有限公司;嘉華G級(jí)油井水泥(高抗硫型)購(gòu)自四川樂(lè)山嘉華水泥廠;木質(zhì)素購(gòu)自常州筑威建筑材料有限公司;核桃殼購(gòu)自鞏義市恒豐環(huán)保科技有限公司;重晶石來(lái)自成都?xì)W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(gòu)自衛(wèi)輝市化工有限公司;G級(jí)嘉華水泥購(gòu)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(jì)邊攪拌邊加入氫氧化鈉,將pH值調(diào)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(fā)劑過(guò)硫酸銨APS,放入水浴鍋中,將溫度調(diào)至70 ℃,在機(jī)械攪拌條件下持續(xù)反應(yīng)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(guó)BRUKER Daltonic公司);測(cè)試前,將聚合物樣品透析48 h,冷凍12 h,再放入冷凍干燥機(jī)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(chǎn)的傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,采用溴化鉀壓片法,掃描波數(shù)范圍400～4 000 cm-1,掃描次數(shù)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(jī)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(cè)試

采用DL-2型堵漏裝置,進(jìn)行縫隙板堵漏實(shí)驗(yàn)?？p板寬度為1 mm,每5 min加壓0.5 MPa,當(dāng)該壓力點(diǎn)能維持5 min時(shí)繼續(xù)加壓,直到隔離液沖破封堵,將沖破封堵的壓力點(diǎn)的上一壓力點(diǎn)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(jìn)行濾餅制備,使用氣壓為0.69 MPa,打開(kāi)氣閥,通氮?dú)膺M(jìn)入濾失儀內(nèi),計(jì)時(shí)一定時(shí)間后停止通氣,取下濾失儀內(nèi)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(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本HITACHI公司)對(duì)濾餅的表觀形貌進(jìn)行分析。

1.8 流變性能測(cè)試

隔離液處于2個(gè)同心圓筒間的環(huán)形空隙內(nèi),外筒(或稱轉(zhuǎn)筒)以一定速度旋轉(zhuǎn),浸在隔離液中的外筒的旋轉(zhuǎn)對(duì)內(nèi)筒(或稱懸錘)施加扭矩,有一扭力彈簧限制了內(nèi)筒的轉(zhuǎn)動(dòng),與內(nèi)筒相連的表盤指示出內(nèi)筒的偏轉(zhuǎn)量。儀器常數(shù)已調(diào)好,因此利用外筒在300和600 r·min-1下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的讀數(shù)可得到表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力。在隔離液基漿中加入不同質(zhì)量的重晶石,用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量室溫下不同密度隔離液的流變性能。

1.9 高溫穩(wěn)定性測(cè)試

—SO3的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰,1 650 cm-1為AMPS中伯/仲酰胺基中羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰,1 457和1 391 cm-1為丙烯酰胺衍生物中甲基的對(duì)稱彎曲振動(dòng)吸收峰,628 cm-1為S—C的伸縮振動(dòng)峰。1 600～1 640 cm-1范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)雙鍵的特征吸收峰,結(jié)果表明,該聚合物為目標(biāo)產(chǎn)物。

在堵漏隔離液中加入不同質(zhì)量的重晶石,測(cè)其初始密度,將配制好的隔離液倒入滾子加熱爐的養(yǎng)護(hù)罐中,蓋上內(nèi)蓋,擰緊螺絲,放入滾子加熱爐中,關(guān)上爐門,設(shè)置溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間,達(dá)到時(shí)間后,取出倒入500 mL量筒中,測(cè)量靜置2 h后,分2次從量筒中取出,每次對(duì)取出的部分進(jìn)行密度測(cè)量,算出密度差。

1.10 稠化相容性測(cè)試

采用TG-8040DA型雙缸高溫高壓稠化儀進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn),在140 ℃,105 MPa實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn),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(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn),并與水泥原漿的稠化時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

1.11 失水相容性測(cè)試

根據(jù)GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》中的測(cè)試方案進(jìn)行水泥漿的靜態(tài)失水測(cè)試。將攪拌均勻的漿液倒入高溫高壓稠化儀(美國(guó)CHANDLER工業(yè)儀器公司)的漿杯中于140 ℃和105 MPa壓力下養(yǎng)護(hù)20 min,再將養(yǎng)護(hù)后的漿液倒入高溫高壓失水儀(沈陽(yáng)泰格石油儀器設(shè)備公司)的濾筒中,裝入濾網(wǎng)并連接高壓管線,此時(shí)將壓力設(shè)定為6.9 MPa,緩慢打開(kāi)濾筒的頂閥和底閥從而收集水泥漿的濾液。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的紅外光譜表征

如圖1為聚合物結(jié)構(gòu)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(dòng)吸收峰,1 187和1 043 cm-1為AMPS中

2.2 堵漏劑的復(fù)配加量?jī)?yōu)選

2.2.1 堵漏顆粒的堵漏性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用核桃殼作為架橋材料。核桃殼抗壓能力強(qiáng),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不含有毒物質(zhì),在酸、堿、水中溶解量很小,并且不會(huì)引起水質(zhì)惡化。如表1所示,為堵漏劑中只有核桃殼時(shí)的堵漏性能測(cè)試?；鶟{: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(cè)試Table 1 Plugging ability test of walnut shell

當(dāng)體系中的堵漏劑只有核桃殼時(shí),體系沒(méi)有堵漏能力。

2.2.2 堵漏纖維材料的堵漏性能測(cè)試

本研究采用木質(zhì)素纖維為纖維材料,木質(zhì)素纖維是天然木材經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)處理得到的,其處理溫度高,在通常條件下是化學(xué)上非常穩(wěn)定的物質(zhì),不為一般的溶劑、酸、堿腐蝕。無(wú)毒無(wú)害,對(duì)環(huán)境沒(méi)有副作用,屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。表2為堵漏劑中只有木質(zhì)素時(shí)的堵漏性能測(cè)試?；鶟{:500 g水+500 g重晶石+15 g DRY-S1+20 g DRY-S2。

如表2所示,木質(zhì)素單獨(dú)添加量達(dá)到水質(zhì)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(shí)室溫的流性指數(shù)為0.44,稠度系數(shù)達(dá)到了3.80,流動(dòng)性較差,給泵送造成了較大的困難,無(wú)法滿足泵送的要求[11,12]。

表2 木質(zhì)素單劑的堵漏性能測(cè)試Table 2 Plugging ability test of lignin fiber

2.2.3 聚合物堵漏性能測(cè)試

表3為堵漏劑中只有聚合物時(shí)的堵漏性能測(cè)試?；鶟{: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(cè)試Table 3 Plugging ability test of polymer

當(dāng)體系中的堵漏劑只有聚合物時(shí),體系沒(méi)有堵漏能力。

2.2.4 堵漏材料復(fù)配優(yōu)選和加量?jī)?yōu)化

通過(guò)前面的3組實(shí)驗(yàn)證明,純物理和純化學(xué)的方式無(wú)法有效堵漏,必須使用物理與化學(xué)結(jié)合的手段來(lái)進(jìn)行堵漏。接下來(lái)進(jìn)行核桃殼、木質(zhì)素纖維和聚合物復(fù)配的優(yōu)選和加量?jī)?yōu)化。

如表4所示,為堵漏劑復(fù)配和加量?jī)?yōu)化的測(cè)試結(jié)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(fù)配優(yōu)選和加量?jī)?yōu)化測(cè)試Table 4 Plugging ability test of compound loss circulation materials

由表4可知,只有木質(zhì)素和聚合物時(shí)隔離液沒(méi)有堵漏能力;只有木質(zhì)素和核桃殼時(shí)也沒(méi)有堵漏能力;只有聚合物和核桃殼時(shí)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(fù)配才能得到較好的堵漏效果,這是因?yàn)?種結(jié)構(gòu)配合才能形成密實(shí)的堵漏機(jī)構(gòu)網(wǎng)架。在經(jīng)過(guò)3者復(fù)配加量的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)之后確定,木質(zhì)素+18目核桃殼+聚合物的加量為水質(zhì)量的1%+2%+1%即可達(dá)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(lái)源于聚合物可變形膠束、剛性架橋材料以及纖維材料的協(xié)同作用[13,14]。其中纖維物質(zhì)相互交錯(cuò),無(wú)規(guī)則地交織在一起,形成的網(wǎng)絡(luò)為剛性架橋顆粒的滯留提供了良好條件,堵漏漿液經(jīng)過(guò)封堵網(wǎng)絡(luò)時(shí),水分透過(guò)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)向地層深處滲入,剛性架橋物質(zhì)則黏結(jié)在網(wǎng)絡(luò)上形成了初級(jí)封堵塞。水分可以繼續(xù)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(xù)對(duì)小孔徑的裂縫孔隙進(jìn)行填充封堵,直到完全封堵塞面上的小孔[15],液體停止?jié)B入,從而達(dá)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(dǎo)電膠,經(jīng)過(guò)噴金處理后,采用掃描電鏡對(duì)2者樣品的表觀形貌進(jìn)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(qiáng),纖維之間的縫隙被較多的物質(zhì)所填充,證明聚合物能夠?qū)p隙進(jìn)行填充,使濾餅結(jié)構(gòu)更加密實(shí)和完整,能夠?qū)ξ⑿】障哆M(jìn)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(píng)價(jià)

為滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求,需要隔離液具有易泵送、易流動(dòng)、不污染水泥和鉆井液的性能[11,12],因此需要對(duì)隔離液的綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.4.1 流變性能

表5為不同密度隔離液的流變性能測(cè)試結(jié)果。

在流變性能的指標(biāo)中,流性指數(shù)n和稠度系數(shù)K是重要的衡量指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)n在大于0.5且小于0.8的范圍內(nèi),數(shù)值越大表示流動(dòng)性越好,而稠度系數(shù)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(nèi),流性指數(shù)都在0.65以上且變化不大,且稠度系數(shù)都小于1.5,而在高溫160 ℃養(yǎng)護(hù)后,流動(dòng)性都有一定的提高,說(shuō)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(guò)程中可實(shí)現(xiàn)紊流頂替,可有效隔離開(kāi)鉆井液和水泥漿,提高驅(qū)替效率。

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

2.4.2 高溫穩(wěn)定性

表6為不同密度的隔離液在高溫養(yǎng)護(hù)后的沉降穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)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(wěn)定性,即使在160 ℃的高溫養(yǎng)護(hù)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(wěn)定性Table 6 Stability test of loss circulation spacer fluid

2.5 相容性試驗(yàn)

2.5.1 流變相容性試驗(yàn)

表7為隔離液與水泥漿相容性的測(cè)試結(jié)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(shí)要求不能出現(xiàn)閃凝、絮凝等現(xiàn)象,否則將會(huì)影響水泥漿的流動(dòng),繼而有害固井質(zhì)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(yǎng)護(hù)后的流動(dòng)度為25～27 cm,都比純水泥的流動(dòng)度要大,表明隔離液與水泥漿混合后基本沒(méi)有閃凝、絮凝現(xiàn)象。而混合液在室溫和高溫養(yǎng)護(hù)后的流性指數(shù)基本都大于0.6,稠度系數(shù)基本小于1,說(shuō)明混合液的流變性能良好,隔離液可實(shí)現(xiàn)有效驅(qū)替。

2.5.2 稠化相容性試驗(yàn)

稠化時(shí)間是水泥漿的重要性能之一,是固井工程中的重要指標(biāo),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(guò)程中是否會(huì)影響水泥漿的稠化過(guò)程也是需要考慮的重要內(nèi)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(jí)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(dāng)混合體積比為95∶5時(shí),隔離液沒(méi)有縮短水泥漿的稠化時(shí)間,且對(duì)稠化曲線的發(fā)展沒(méi)有不良影響,水泥漿和混漿的稠化曲線都較為平穩(wěn),沒(méi)有劇烈的波動(dòng),也沒(méi)有閃凝現(xiàn)象,能夠滿足施工要求。

2.5.3 失水相容性試驗(yàn)

隔離液中的聚合物不但具有堵漏效果,從原理上說(shuō)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(jìn)一步滲透,由此進(jìn)行失水試驗(yàn),測(cè)試隔離液對(duì)水泥漿失水性的影響。水泥漿配方:嘉華G級(jí)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(cè)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(duì)水泥漿的失水性能沒(méi)有影響,這可能是因?yàn)楦綦x液中的聚合物上的AMPS單體含有磺酸基團(tuán),而水泥漿中的降失水劑含有羧基,磺酸基團(tuán)的吸附性比羧基小,所以聚合物的競(jìng)爭(zhēng)吸附性比降失水劑弱[16-18],因此對(duì)水泥的失水性能沒(méi)有影響,符合施工要求。

3 結(jié)論及建議

1)堵漏劑運(yùn)用剛性架橋材料和彈性粒子的復(fù)配,達(dá)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(zhì)量的1%,對(duì)隔離液體系的流變性能沒(méi)有太大的影響。

2)堵漏隔離液性能穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定起到作用,并且不會(huì)使水泥發(fā)生閃凝、絮凝等問(wèn)題。