聚合物凝膠堵漏劑的研究及應(yīng)用

曹曉春，李倍任，秦 義，楊 航

（1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163255）

隨著復(fù)雜地層及不穩(wěn)定地層的增多，傳統(tǒng)的堵漏材料和方法有一定的局限性，如橋塞堵漏在遇到漏層裂縫較大而且較多的情況下，井筒之上的封堵層形成的質(zhì)量較差，假堵現(xiàn)象也會(huì)頻繁發(fā)生，當(dāng)封堵完畢之后，之前的假堵層段會(huì)因?yàn)榫赂鞣N復(fù)雜鉆進(jìn)情況等也很容易發(fā)生二次漏失。目前應(yīng)用的一些特殊水泥漿的堵漏成功率有所提高，但是遇到復(fù)雜地層如含水量較多的異常壓力地層時(shí)，堵漏劑則容易與地層內(nèi)的液體發(fā)生反應(yīng)，形成其他混合物，導(dǎo)致堵漏劑不能正常成膠從而致使堵漏效果不明顯甚至失敗，而若將已調(diào)制好的聚合物凝膠配方提前注入到漏失地層，以上問(wèn)題則可得到較好的解決，所以，聚合物凝膠堵漏劑的研究顯得十分必要[1,2]。

1 堵漏劑凝膠堵漏及成膠機(jī)理

當(dāng)聚合物內(nèi)部分子與水分子相遇后，彼此相互融合，其內(nèi)部主鏈接段和側(cè)鏈接段可以在化學(xué)鍵的聯(lián)合作用下同高價(jià)的金屬離子結(jié)合，進(jìn)而組合為一種特殊的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即凝膠體，該結(jié)構(gòu)往往具有很高的粘彈性，其空間形狀及性能由組成的化學(xué)分子鍵鏈接的數(shù)量決定。若聚合物分子之間的分子鍵鏈接數(shù)量多、強(qiáng)度高，則會(huì)嚴(yán)重影響各鏈的運(yùn)動(dòng)情況，鏈段只可以在某一個(gè)平行空間內(nèi)伸縮，如若去掉外力因素，鏈段仍然可以恢復(fù)至最初的狀態(tài)[3]。具體的凝膠立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 凝膠立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Fig.1 Gel-dimensional network structure

聚合物凝膠堵漏劑的堵漏原理主要是以聚合物為體系內(nèi)主材料，經(jīng)水溶解后，向所得混合物中添加交聯(lián)劑，經(jīng)成膠后的堵漏劑各性能十分良好，尤其會(huì)具有較高的粘彈性，增大裂縫在運(yùn)移過(guò)程中產(chǎn)生的阻力，從而對(duì)漏層進(jìn)行封堵。

所研制的凝膠堵漏劑的成膠時(shí)間是可調(diào)整的，大多是根據(jù)實(shí)際發(fā)生的滲漏問(wèn)題決定，不同漏速或者漏層深度所需的成膠時(shí)間不同，堵漏劑一定要在凝膠劑發(fā)生凝固之前以液體形態(tài)進(jìn)入漏失通道，同時(shí)要將漏失地層填滿(mǎn)凝膠體系。凝膠堵漏的主要特性是它以液態(tài)形式出現(xiàn)，所以無(wú)需考慮漏失通道大小及形態(tài)，凝膠都能夠完成普通堵漏劑無(wú)法完成的任務(wù)，進(jìn)入通道，實(shí)現(xiàn)封堵。在注入泵停止之后，凝膠便在井筒和漏失通道中停止，最初成膠時(shí)，粘滯力明顯增大，漏失速度和內(nèi)外壓力差隨之變小，膠體徹底凝固后，膠體之間化學(xué)鍵的強(qiáng)度可以徹底阻止漏失地層進(jìn)一步發(fā)生漏失時(shí)，意味著堵漏成功。

聚合物凝膠后的膠體，很難與水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)對(duì)井下氣體也有較強(qiáng)的抵抗力，同時(shí)凝膠的在運(yùn)移過(guò)程中對(duì)水或氣都有很好的推動(dòng)作用，因此聚合物凝膠堵漏劑常常用于特殊的易漏氣層或水層[4]。

2 聚合物凝膠堵漏劑的研制

凝膠堵漏劑研制的關(guān)鍵因素主要是控制成膠時(shí)間在合理范圍內(nèi)，若堵漏劑成膠較快，導(dǎo)致堵漏劑在井筒內(nèi)便凝固則無(wú)法進(jìn)入漏失地層，成膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則耽誤施工，從而延長(zhǎng)建井周期，最好的成膠時(shí)間在1.5～4 h，通過(guò)對(duì)堵漏劑相關(guān)技術(shù)的調(diào)研[5]，同時(shí)對(duì)不同聚合物和凝膠劑成膠情況進(jìn)行分析，根據(jù)成膠時(shí)間選出三種體系進(jìn)行研究：①聚丙烯酰胺+紅礬鈉+ Na2S2O3+SDS②羥丙基瓜爾膠+復(fù)合有機(jī)硼③羥丙基瓜爾膠+聚鈦氧烷。

凝膠堵漏劑配方的確定:

（1）聚丙烯酰胺+紅礬鈉+ Na2S2O3+SDS體系成膠效果

①聚丙烯酰胺與不同量交聯(lián)劑所形成堵漏劑的粘度以及成膠時(shí)間

在以配好的聚合物基液中加入不同量的交聯(lián)劑，然后測(cè)試成膠時(shí)間和粘度。成膠效果如表1：

表1 0.8%聚丙烯酰胺配方體系在45 ℃下的成膠特性Table 1 0.8% Polyacrylamide system’s gelling properties at 45 ℃

由表 1可以看出聚丙烯酰胺(0.8%)+紅礬鈉(0.35%)+ Na2S2O3(1.2%)+木質(zhì)磺酸鈉(1.0%)成膠時(shí)間為4 h，粘度為18 000 mPa×s，符合實(shí)驗(yàn)要求。

②配方體系抗溫特性評(píng)價(jià)

將不同配方體系置入老化罐內(nèi)，同時(shí)控制滾子爐內(nèi)溫度為75 ℃，老化15 h后，觀察該配方體系粘度特性，同時(shí)對(duì)比老化前后的體系粘度，如表2所示：

表2 不同配方凝膠在75 ℃下熱滾15 h前后的粘度對(duì)比Table 2 Comparision of different systems’ viscosity for 15 h’s heating at 75 ℃

由表2可以看出，以上配方中只有兩種配方在75 ℃老化后粘度仍在10 000 mPa×s以上，主要是因?yàn)槟z立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的化學(xué)鍵受到高溫發(fā)生破損，導(dǎo)致粘度變低。

（2）羥丙基瓜爾膠與復(fù)合有機(jī)硼、聚鈦氧烷成膠效果

羥丙基瓜爾膠與復(fù)合有機(jī)硼在常溫下成膠速度非?？?，如表3所示：

表3 羥丙基瓜爾膠與不同量的有機(jī)硼配方體系成膠特性Table 3 The gelling properties of Hydroxypropyl guar and different amounts of organoboron system

由表3得到，羥丙基瓜爾膠與復(fù)合有機(jī)硼成膠后體系粘度性能滿(mǎn)足要求但是凝固速度過(guò)快，不滿(mǎn)足要求。

羥丙基瓜爾膠與不同加量的聚鈦氧烷在常溫下成膠時(shí)間及粘度如表4所示：

由表4可以看出，不同濃度的聚鈦氧烷與羥丙基瓜爾膠成膠時(shí)間在 0.5～4 h,且粘度較高，符合實(shí)驗(yàn)要求。

表4 羥丙基瓜爾膠與不同量的聚鈦氧烷體系成膠特性Table 4 The gelling properties of Hydroxypropyl guar and different amounts of Poly titanium siloxane system

②配方體系抗溫評(píng)價(jià)

將不同配方體系置入到老化罐中，同時(shí)將滾子輪內(nèi)溫度為 75 ℃老化15 h之后，觀察該配方體系粘度特性，同時(shí)對(duì)比老化前后的體系粘度，如表5所示。

表5 不同配方凝膠在75 ℃下熱滾15 h前后的粘度對(duì)比Table 5 Comparision of different systems’ viscosity for 15 h’s heating at 75 ℃

由表5可以看出羥丙基瓜爾膠與聚鈦氧烷配方體系具有較強(qiáng)抗溫能力。

考慮所需配方成膠凝固時(shí)間、抵抗高溫能力、粘度，確定了聚合物凝膠堵漏劑為基本配方為：羥丙基瓜爾膠為主聚合物，聚鈦氧烷為交聯(lián)劑。

3 聚合物凝膠堵漏劑各性能評(píng)價(jià)

3.1 堵漏劑凝固成膠時(shí)間研究

堵漏劑配方的 pH值和交聯(lián)劑量決定著聚合物堵漏劑配方的成膠時(shí)間，實(shí)驗(yàn)主要在調(diào)節(jié)交聯(lián)劑量和整體配方pH值來(lái)控制成膠凝固時(shí)間，將交聯(lián)劑加入不同pH值的基液，測(cè)試體系的成膠時(shí)間及粘度。

當(dāng)基液pH值為9時(shí)，成膠速度過(guò)快，未進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

由表6可以看出，通過(guò)控制pH值在7～8之間、交聯(lián)劑加量在0.15%～0.25%時(shí)，效果理想，成膠時(shí)間1～4 h。

表6 不同pH基液加入不同交聯(lián)劑后的成膠時(shí)間及粘度Table 6 Gel time and Viscosity of different pH base fluid adding different crosslinking agent

3.2 溫度對(duì)堵漏劑體系成膠時(shí)間的影響

調(diào)節(jié)水溫 30，45，60，75 ℃，在基液溫度不變時(shí)加入不同量交聯(lián)劑測(cè)試成膠時(shí)間。如表7：

表7 羥丙基瓜爾膠與不同加量聚鈦氧烷在不同溫度下的成膠時(shí)間Table 7 Gel time of Hydroxypropyl guar and different Poly titanium siloxane in different temperature

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，由表7可以看出，溫度對(duì)成膠時(shí)間有很大影響，溫度升高交聯(lián)速度加快，成膠速度加快。

在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還相應(yīng)進(jìn)行了聚合物凝膠堵漏劑抗污染性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的聚合物凝膠堵漏劑受到水、油、鉆井液、水泥漿的影響較小，能夠滿(mǎn)足堵漏要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用分析

根據(jù)研制的聚合物凝膠堵漏劑在大慶油田徐深區(qū)塊二開(kāi)易漏井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)與傳統(tǒng)水泥漿配合使用，成功完成了漏失層的封堵。

4.1 漏失情況

徐深區(qū)塊某井，二開(kāi)鉆進(jìn)至井深607 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆井液池體積明顯減少，當(dāng)時(shí)鉆井液密度為 1.1 g/cm3，失水12 mL; 鉆壓4 t，泵壓5 MPa左右，轉(zhuǎn)速達(dá)到75 r/min，機(jī)械鉆速17 m/h.鉆進(jìn)30 min后發(fā)生漏失，漏速達(dá)到65 m3/h，總漏失鉆井液60 m3，停止鉆進(jìn)，注入清水30 min后，注入聚合物凝膠堵漏劑。

4.2 堵漏具體措施

在備用罐中打入50 m3淡水備用，加入主聚合物羥丙基瓜爾膠 260 kg(1.0%)，經(jīng)水潤(rùn)濕攪拌后加入聚鈦氧烷交聯(lián)劑 120 kg(0.4%)，再加入傳統(tǒng)的復(fù)合堵漏劑，充分?jǐn)嚢韬笙蚓沧⑷肽z堵漏劑后，開(kāi)泵試漏，鉆井液正常反出，凝膠堵漏成功。

所研制的凝膠堵漏劑配合復(fù)合堵漏劑使用可以提高堵漏成功率，凝膠可以把地層水和水泥漿分開(kāi)，并起到一定的保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)平衡堵漏，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，所研制的聚合物凝膠堵漏劑對(duì)惡性漏失等緊急情況具有較好解決效果。

5 結(jié) 論

（1）在以聚合物為主體系，加入交聯(lián)劑形成配方的實(shí)驗(yàn)確定以羥丙基瓜爾膠主聚合物，交聯(lián)劑為聚鈦氧烷，該堵漏劑抗溫75 ℃，成膠時(shí)間1.5～4 h可控。

（2）對(duì)聚合物凝膠堵漏劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，得到聚合物體系成膠時(shí)間受pH值及溫度影響較大，且所研制配方體系的抗污染性較強(qiáng)。

（3）經(jīng)實(shí)際使用可以看出，該聚合物凝膠堵漏配方使用時(shí)加入傳統(tǒng)的堵漏劑會(huì)大大提高堵漏成功率。

［1］王中華.聚合物凝膠堵漏劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].精細(xì)與專(zhuān)用化學(xué)品,2011(04):16-20.

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