鉆井堵漏用聚合物凝膠膠凝時(shí)間影響因素研究及性能評(píng)價(jià)

湯燕丹，許春田，李愛(ài)紅，嚴(yán) 沾

(中國(guó)石化江蘇石油工程有限公司鉆井處，江蘇 揚(yáng)州 225261)

鉆井堵漏用聚合物凝膠膠凝時(shí)間影響因素研究及性能評(píng)價(jià)

湯燕丹，許春田，李愛(ài)紅，嚴(yán) 沾

(中國(guó)石化江蘇石油工程有限公司鉆井處，江蘇 揚(yáng)州 225261)

聚合物化學(xué)凝膠在封堵裂縫型、孔洞型漏失方面具有良好的封堵效果，凝膠的性能直接影響到堵漏效果。對(duì)影響CUGB-LJ聚合物凝膠膠凝時(shí)間的CUGB-LJ溶液濃度、膠凝比、溫度、pH值等因素進(jìn)行了分析研究。認(rèn)為凝膠受CUGB-LJ溶液濃度、膠凝比、溫度的影響變化趨勢(shì)一致，規(guī)律性較強(qiáng)：濃度越高，膠凝時(shí)間越短，形成強(qiáng)度越強(qiáng)；膠凝比越大，膠凝速度越快，形成強(qiáng)度越強(qiáng)；升高溫度可明顯縮短凝膠的膠凝時(shí)間，形成強(qiáng)度越強(qiáng)。三個(gè)影響因素中溫度影響最為明顯，當(dāng)溫度較高時(shí)，濃度和膠凝比對(duì)膠凝時(shí)間的影響趨于平緩。同時(shí)，聚合物凝膠的膠凝時(shí)間隨著pH值的升高而縮短，形成的凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)。聚合物凝膠具有較好的抗鹽、抗鈣污染能力。

堵漏 聚合物凝膠 膠凝時(shí)間 影響因素 抗污染評(píng)價(jià)

聚合物化學(xué)凝膠堵漏是石油工程中常用的化學(xué)堵漏技術(shù)，具備“進(jìn)得去”、“停得住”、“堵得住”和“固得牢”的特點(diǎn)[1-3]，在封堵裂縫漏失、小孔洞漏失方面具有良好的封堵效果[4]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 聚合物凝膠堵漏機(jī)理

聚合物凝膠堵漏是一種采用含有活性基團(tuán)的水溶性高分子聚合物為連續(xù)相，膠凝劑為分散相，在攪拌或流動(dòng)狀態(tài)下，膠凝劑均勻地分散于連續(xù)相中，具有較好的流動(dòng)性能，等到達(dá)膠凝時(shí)間后，快速形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，聚合物溶液失去流動(dòng)性，具有良好的滯流作用[5-8]。在膠凝形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，大量無(wú)機(jī)活性劑與有機(jī)高分子聚合物中的離子基團(tuán)結(jié)合，充分充填網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間，在一定時(shí)間內(nèi)，無(wú)機(jī)活性物質(zhì)相互間產(chǎn)生離子化學(xué)反應(yīng)，形成較堅(jiān)硬的骨架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了有機(jī)高分子膠凝體的整體強(qiáng)度[9-10]。

在化學(xué)膠凝的過(guò)程中膠凝時(shí)間是影響堵漏工藝實(shí)施的關(guān)鍵因素[11-12]，膠凝時(shí)間過(guò)短造成配置、泵送過(guò)程中就形成凝膠，無(wú)法順利進(jìn)入漏失通道；相反膠凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成進(jìn)入漏失通道后不能有效滯流，堵漏漿漏失。膠凝時(shí)間過(guò)短、過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致膠凝堵漏失敗。

表1 目測(cè)代碼法凝膠特征

2 膠凝性能影響因素研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

聚合物凝膠以聚合物CUGB-LJ溶液作為基液A，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的有機(jī)鉻溶液作為膠凝劑B，兩者采用不同的膠凝比，在不同溫度下進(jìn)行混合膠凝。實(shí)驗(yàn)采用Sydansk的GSC(GelStrengthCodes)目測(cè)代碼法測(cè)定聚合物凝膠膠凝時(shí)間(見(jiàn)表1)。當(dāng)凝膠強(qiáng)度達(dá)到F級(jí)——高形變不流動(dòng)凝膠時(shí)記錄的時(shí)間為膠凝時(shí)間，同時(shí)分析各因素對(duì)聚合物凝膠膠凝性能的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%高分子聚合物CUGB-LJ基液稀釋成5%，5.5%，6%，6.5%，7%，7.5%作為實(shí)驗(yàn)基液A；

(2)配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%有機(jī)鉻溶液作為膠凝劑B；

(3)A和B以不同比例進(jìn)行混合后，封口放入設(shè)置不同溫度的烘箱進(jìn)行膠凝實(shí)驗(yàn)；

(4)采用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析。在三維圖中使用不同顏色代表不同膠凝時(shí)間，顏色越藍(lán)說(shuō)明膠凝時(shí)間越短，顏色越黃說(shuō)明膠凝時(shí)間越長(zhǎng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.1 濃度對(duì)膠凝時(shí)間的影響

選用不同濃度的基液A，以10∶1.3的膠凝比為例，測(cè)試50～70 ℃下的膠凝時(shí)間，分析基液A的濃度對(duì)膠凝時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。

圖1 10∶1.3膠凝比不同濃度基液A的膠凝時(shí)間三維趨勢(shì)

從圖1可以看出，隨著聚合物溶液濃度升高，膠凝速度加快，膠凝時(shí)間逐漸縮短。在溫度較低時(shí)此影響更為明顯，當(dāng)溫度超過(guò)60 ℃時(shí)聚合物溶液濃度對(duì)膠凝時(shí)間的影響變緩。

2.3.2 膠凝比對(duì)膠凝時(shí)間的影響

選用不同膠凝比，以7.5%濃度的基液A為例，測(cè)試50～70 ℃下的膠凝時(shí)間，分析膠凝比對(duì)膠凝時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。

從2可以看出，在不同溫度條件下，選擇不同的膠凝比對(duì)膠凝時(shí)間存在著一定影響，提高膠凝比可以縮短膠凝時(shí)間。當(dāng)溫度低于55 ℃時(shí)，膠凝比對(duì)縮短膠凝時(shí)間影響明顯，但當(dāng)溫度較高時(shí)(超過(guò)60 ℃)，膠凝時(shí)間縮短較明顯，此時(shí)膠凝比影響也逐漸降低。

圖2 濃度7.5%不同膠凝比的膠凝時(shí)間三維趨勢(shì)

2.3.3 溫度對(duì)膠凝時(shí)間的影響

結(jié)合圖1和圖2可以看出，在不同聚合物基液濃度下，溫度越高，膠凝時(shí)間越短；濃度較低時(shí)溫度影響更明顯。不同膠凝比條件下，溫度越高，膠凝時(shí)間也越短，膠凝比較低時(shí)，溫度影響更明顯。在溫度超過(guò)60 ℃以上時(shí)，基液A的濃度、膠凝比對(duì)膠凝時(shí)間的影響都趨緩，溫度成為影響膠凝時(shí)間的主要因素。

2.3.4 不同pH環(huán)境對(duì)膠凝時(shí)間的影響

不同鉆井液體系的pH值有所差別，當(dāng)使用鉆井液作為頂替漿時(shí)會(huì)有不同的pH環(huán)境，基于pH值對(duì)聚合物凝膠的影響，考察pH值對(duì)膠凝時(shí)間的影響。由于鉆井液多為中性偏堿性，采用6.5%的基液A，以不同膠凝比形成凝膠，用10%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，測(cè)試聚合物凝膠在不同pH值下的布氏粘度變化，見(jiàn)圖3～5。

圖3 膠凝比10∶1.0時(shí)不同pH值下粘度

從圖3～5可以看出，不同膠凝比的聚合物凝膠在不同pH值環(huán)境下變化趨勢(shì)一致，pH值越高，聚合物凝集的膠液粘度增加，膠凝時(shí)間縮短，形成的凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。但當(dāng)pH值達(dá)到9，10時(shí)，不同膠凝比聚合物凝膠膠凝時(shí)間不同，10∶1.0的膠凝時(shí)間略長(zhǎng)于1∶1.3的膠凝時(shí)間，后者又略長(zhǎng)于1∶1.0的膠凝時(shí)間?？梢?jiàn)，調(diào)節(jié)pH值可起到調(diào)節(jié)膠凝時(shí)間和強(qiáng)度的效果。

圖4 膠凝比10∶1.3時(shí)不同pH值下粘度

圖5 膠凝比10∶1.5時(shí)不同pH值下粘度

2.4 小結(jié)

影響聚合物凝膠膠凝時(shí)間的三個(gè)主要因素為：聚合物CUGB-LJ溶液濃度、膠凝比和溫度，提高濃度、膠凝比和溫度時(shí)都會(huì)縮短膠凝時(shí)間，比較而言溫度對(duì)于膠凝時(shí)間的影響最大，當(dāng)溫度超過(guò)60 ℃后，聚合物溶液的濃度和膠凝比對(duì)于膠凝時(shí)間的影響趨于平緩。

pH值對(duì)聚合物凝膠的膠凝時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生影響，但影響程度小于濃度、膠凝比和溫度。隨著pH值升高，聚合物凝膠的膠液粘度增加,膠凝時(shí)間縮短，形成的凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。

可見(jiàn)，在封堵一定井深、井溫的井漏時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物膠液的濃度、膠凝比及鉆井液和頂替鉆井液的pH值來(lái)調(diào)節(jié)聚合物凝膠的膠凝時(shí)間，以滿足現(xiàn)場(chǎng)堵漏工藝要求。

3 聚合物凝膠抗污染性評(píng)價(jià)

在堵漏過(guò)程中，由于地層的復(fù)雜性，聚合物凝膠在送入井下的過(guò)程中會(huì)受到地層、鉆井液、鹽的污染。以6.5%A+13%B(膠凝比為10∶1.3)形成的聚合物凝膠為例，測(cè)試隨著時(shí)間的延長(zhǎng)凝膠的布氏粘度值，判斷是否受到污染，評(píng)價(jià)其抗污染性能，見(jiàn)表2。

表2 聚合物凝膠抗污染性能評(píng)價(jià)(30 ℃)

注：堵漏漿配方為5%土粉+5%核桃殼+5%棉籽殼，鉆井液配方為5%土漿。

從表2可以看出，當(dāng)在聚合物凝膠中加入堵漏漿時(shí)，所形成凝膠的布氏粘度均大于凝膠中加入NaCl、CaCl2和鉆井液，可見(jiàn)加入剛性顆粒與纖維狀材料不僅可以促進(jìn)聚合物凝膠的膠凝，也可以大幅提高凝膠自身強(qiáng)度。

從圖6可以看出，聚合物膠凝抗污染能力較強(qiáng)，受到鹽侵、鈣侵和鉆井液侵時(shí)性能變化不大，膠凝時(shí)間及強(qiáng)度變化不大。

圖6 聚合物凝膠抗污染能力

4 結(jié)論

(1)聚合物凝膠受聚合物濃度、膠凝比、溫度的影響變化趨勢(shì)一致，規(guī)律性較強(qiáng)：濃度越高，膠凝時(shí)間越短；膠凝比越大，膠凝速度越快，膠凝時(shí)間越短；升高溫度可明顯縮短凝膠的膠凝時(shí)間。三個(gè)影響因素中溫度影響最為明顯，當(dāng)溫度較高時(shí)，濃度和膠凝比對(duì)膠凝時(shí)間的影響趨于平緩。

(2)聚合物凝膠具有較好的抗鹽、抗鈣等抗污染能力。聚合物凝膠的膠凝時(shí)間隨著pH值的升高,膠凝時(shí)間縮短，形成的凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)。

(3)通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物CUGB-LJ溶液的濃度、膠凝比和pH值可以調(diào)節(jié)聚合物凝膠的膠凝時(shí)間，以適應(yīng)不同井深、井溫井的漏失封堵。

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(編輯 謝 葵)

Study on influencing factors of gelling time of polymer gel used as MLCin drilling and its properties

Tang Yandan，Xu Chuntian，Li Aihong，Yan Zhan

(DrillingDepartmentofJiangsuPetroluemEngineeringCo.Ltd.，SINOPEC，Yangzhou225261，China)

The polymer gel has a good sealing effect on the mud loss control (MLC) of fracture type and void type.The polymer gel property has a direct influence on the sealing effect.It was carried out study on influencing factors of the solution concentration of polymer gel CUGB-LJ，gel ratio，temperature，and pH value，etc.The results indicated that the gel concentration，gel ratio and temperature have similar influencing change tendencies.The higher the concentration of polymer gel，the shorter the gelling time，and the stronger the gel strength is.The bigger the gel ratio，the faster the gelling speed，and the stronger the gel strength is.The increase in temperature can obviously shorten the gelling time and form a stronger strength gel.Among three factors，temperature is the most obvious.Under the condition of high temperature，the effect of gel ratio and concentration on gelling time becomes flat.Meanwhile，with the increase in pH value，the gelling time becomes shorter and the gel strength becomes stronger.The polymer gel has good salt tolerance and calcium resistance.

plugging；polymer gel；gelling time；affecting factors；anti-pollution assessment

2015-08-19；改回日期：2015-09-30。

湯燕丹(1983—)，工程師，主要從事鉆井液、完井液研究工作。電話：18505143616，E-mail：tangyd.jsyt@sinopec.com。

中石化江蘇石油工程有限公司科技項(xiàng)目《化學(xué)膠凝堵漏技術(shù)的研究與應(yīng)用》(JS14020)。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.01.014

TE39

A