惰性材料與聚合物堵漏技術(shù)室內(nèi)研究

潘 凡, 潘元雙

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

惰性材料與聚合物堵漏技術(shù)室內(nèi)研究

潘 凡, 潘元雙

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

鉆井過程中出現(xiàn)井漏是十分普遍的，這是衡量鉆井安全與否的重要因素之一 。 使用廢舊輪胎這類惰性材料與聚合物相結(jié)合，組成一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐溫性能強(qiáng)、抗鹽性能較高的堵漏劑，不僅可以降低堵漏成本，而且可以有效封堵漏層。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究惰性材料與聚合物組成的堵漏劑的封堵效果有重大意義，并分析了鉆井液堵漏材料及防漏堵漏技術(shù)研究的發(fā)展方向。

惰性材料; 聚合物; 堵漏劑; 漏層

井漏問題一直是困擾國內(nèi)外石油開發(fā)、勘探的重大技術(shù)難題，到現(xiàn)在都沒有一個(gè)有效的辦法來對它進(jìn)行完全的控制。目前應(yīng)用最廣泛的橋接堵漏技術(shù)應(yīng)用時(shí)需準(zhǔn)確地掌握地層孔隙或裂縫尺寸，但孔縫型漏失往往分布面積較廣，孔縫尺寸很難準(zhǔn)確掌握，導(dǎo)致封堵效果不理想，針對孔縫變化及常規(guī)橋接堵漏封堵范圍窄的實(shí)際問題，研究由彈性橡膠堵漏材料和聚合物HPAM、HV-CMC以及CDL-1組成三種防漏堵漏劑，用HKYDL-3型高溫高壓防漏堵漏動(dòng)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其能對較寬尺寸范圍內(nèi)的孔縫產(chǎn)生有效的封堵作用，在很大程度上避免了傳統(tǒng)橋接堵漏劑依賴于漏失通道尺寸的缺點(diǎn)，提高了對孔縫防漏堵漏的成功率[1-4]。

1 橡膠特性

徐同臺(tái)等人在《鉆井工程防漏堵漏技術(shù)》一書中講到：膠粒是一種具有一定強(qiáng)度和很好彈性的材料（室溫下測得膠粒的破碎壓力在50 MPa以上，彈性模量為80 MPa，彈性系數(shù)為0.45），在壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生形變。反之，膠粒發(fā)生形變后，必定會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反彈力。這種反彈力如果作用在與膠粒緊密接觸的層面上，必定會(huì)增大橡膠粒與接觸面間的摩擦阻力。根據(jù)這一理論，如果用膠粒堵漏，設(shè)法使其進(jìn)入裂縫內(nèi)，產(chǎn)生一定程度的形變，就會(huì)使膠粒和縫壁之間產(chǎn)生很大摩擦力，借此摩擦阻力，在撤去外力后，膠粒就會(huì)獲得一定的穩(wěn)定性而形成橋塞骨架。這種骨架能否形成取決于膠粒的粒度，如果我們選擇的膠粒粒度合適，再配合其它一些填充和固化性材料，必定能達(dá)到堵漏目的。膠粒的密度在1.172～1.270 g/cm3之間，能夠均勻地分散于泥漿當(dāng)中，并能吸附泥漿中的粘土等物質(zhì)形成一層吸附膜，具有一定的粘結(jié)能力，膠粒呈不規(guī)則多面體，能與縫壁產(chǎn)生較大摩擦力。這些特性表明，膠粒是一種很好的堵漏材料[5,6]。

以橡膠顆粒為橋堵材料的堵漏劑配方的設(shè)計(jì)，首先需要對膠粒的粒度進(jìn)行分選，而要完成膠粒粒度的選擇，應(yīng)首先研究膠粒在裂縫內(nèi)的行為，即膠粒以何種方式產(chǎn)生橋堵。作為橋堵劑不僅應(yīng)易于產(chǎn)生橋堵，而且應(yīng)具有一定的強(qiáng)度。很多研究者認(rèn)為，橋堵材料的顆粒應(yīng)為裂縫寬度的1/2至1/7之間，才能獲得比較穩(wěn)定的橋堵。這種理論對于堅(jiān)硬材料而言是合理的。因?yàn)橛差w粒的彈性變形極小，像核桃殼之類，顆粒尺寸若大于裂口寬度，只能在縫口橋堵，這種橋堵很不穩(wěn)定，在泥漿流動(dòng)和鉆具運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)很快被解堵；1至1/2裂縫寬度的顆粒不可能產(chǎn)生兩個(gè)顆粒橋堵，而恰好相當(dāng)于裂口寬度的顆粒事實(shí)上是很難選擇的，小于1/7的顆粒粒度太細(xì)，產(chǎn)生橋堵的機(jī)率很低，也是不可取的[7]。

對于膠粒而言，它在裂縫內(nèi)的行為和核桃殼等硬顆粒就有許多不同之處，它可以選擇大于裂口寬度的膠粒，在外力的作用下進(jìn)入裂縫內(nèi)，而形成單橋（圖1）。這種單橋有一定的橋堵，且有100%的成堵機(jī)率。膠粒在裂縫內(nèi)形成兩個(gè)以上的橋堵是不易的（圖2），雖然也能產(chǎn)生瞬間橋堵，但在壓差的作用下，膠粒將變形，到一定程度橋堵就會(huì)破壞。無論是平行裂縫還是楔形裂縫，只要是兩個(gè)以上膠粒的橋堵都不易形成而且強(qiáng)度很低。單個(gè)膠粒橋堵不論在平行裂縫還是楔形裂縫內(nèi)都易于形成，其強(qiáng)度會(huì)隨變形程度的增大而增大[8]。通過正交實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室條件下完成了對橡膠顆粒的優(yōu)選。在此基礎(chǔ)上，研究橡膠顆粒與聚合物組成的堵漏劑的封堵效果。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：蒸餾水、鉆井膨潤土、橡膠粒、部分水解聚丙烯酰胺 HPAM、羧甲基纖維素鈉鹽HV-CMC、丙烯基聚合物CDL-1等。

圖1 單個(gè)膠粒橋堵示意圖Fig.1 Single colloidal particle bridging schematic diagram

圖2 多個(gè)膠粒橋堵示意圖Fig.2 Multiple colloidal particle bridging schematic diagram

（1）試驗(yàn)用設(shè)備

堵漏模擬裝置：HKYDL-3型高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏試驗(yàn)儀。

（2）試驗(yàn)用儀器

1.電子天平：分度值0.01 g；

2.標(biāo)準(zhǔn)篩：孔徑4.75，4，2，1.7，1 mm等；

3.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) ZNN-D6 Ⅱ型（電動(dòng)六速粘度計(jì)）；

4.電動(dòng)攪拌器：GJSS-B12K變頻高速攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速3 000～12 000 r/min；

5.稱量瓶：70 mm×35 mm；

6.秒表；

7.燒杯：150，250，500，1 000 L；

8.量筒：50，100，250，500，1 000 L；

9.氮?dú)庠矗?/p>

10.玻璃棒；

11.容器：容積5 000 mL。

實(shí)驗(yàn)巖心：孔縫型模板（規(guī)格：Φ50 m m×360 m m；孔縫寬度1～4 mm），實(shí)驗(yàn)設(shè)備自帶巖心。

（3）實(shí)驗(yàn)流程：

試驗(yàn)用基漿的配制：基漿配制：按每1 000 mL蒸餾水加入50.0 g鉆井膨潤土的比例配制基漿5 L，將基漿在轉(zhuǎn)速3 000～4 000 r/min下用電動(dòng)攪拌器攪拌4 h，在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h備用。基漿表觀粘度應(yīng)在15～25 mPa·s范圍內(nèi)，否則重新配制。

試驗(yàn)用堵漏漿液的配制：向養(yǎng)護(hù)24 h的基漿中邊攪拌邊加入一定比例的橋接堵漏材料，在電動(dòng)攪拌器上攪拌30 min，配成堵漏漿液。堵漏材料均勻分布在基漿中。

堵漏實(shí)驗(yàn)：

①選擇試驗(yàn)?zāi)０?，將模板裝入巖心筒內(nèi)。

②向釜體及活塞容器內(nèi)注滿堵漏漿。

③設(shè)定試驗(yàn)溫度、進(jìn)口壓力和出口壓力；在設(shè)置溫度下，給堵漏漿加熱。

④均勻向試驗(yàn)容器內(nèi)加壓，在50 s內(nèi)使壓力達(dá)到設(shè)定壓力。

⑤在設(shè)定溫度和壓力下，打開控制閥門，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，如果無渾濁鉆井液濾出，即為封堵試驗(yàn)成功，記錄漿液漏出的體積和實(shí)現(xiàn)封堵的最小時(shí)間。維持30 min，記錄漏失量。若封堵試驗(yàn)失敗，更換試驗(yàn)?zāi)０寤蚋淖冊囼?yàn)條件，重新試驗(yàn)。

⑥在儀器承壓范圍內(nèi)，繼續(xù)加壓，直至再次發(fā)生漏失（封堵層被突破），記錄此時(shí)的壓力作為封堵層的承壓能力。

⑦實(shí)驗(yàn)完成后，請清洗容器并關(guān)閉電源。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

正聚合物一般是長分子鏈，他們可以吸附部分巖屑，并附著在井壁上，他們可以阻礙鉆井液進(jìn)入巖石孔隙或裂縫。同時(shí)在鉆井液中添加聚合物材料可以使攜帶巖屑能力升高以及防卡。故對于常用一些高分子量聚合物進(jìn)行堵漏評價(jià)有非常重要的意義，試驗(yàn)選用了分子量巨大的幾種長鏈大分子，加量均為0.3%，試驗(yàn)方案：孔縫型模板（規(guī)格：Φ50 m m× 360 mm；孔縫寬度1～4 mm）；膨潤土+蒸餾水+5%橡膠粒+0.3%聚合物；工作流量100 mL/min；進(jìn)口壓力：3 MPa；出口壓力：1MPa。結(jié)果見表1。

表1 不同類別聚合物封堵效果試驗(yàn)結(jié)果表Table 1 Test result of plugging effect of different categories of polymer

從表 1中可以看到，封堵效果相對最好的是HPAM。在水基鉆井液中加入膠束聚合物后，可以在固液界面現(xiàn)場吸附層，當(dāng)達(dá)到臨界濃度時(shí)，聚合物在巖石表面發(fā)生締合，形成膠束。隨著其濃度的增加，膠束聚合物在固液界面（井壁）上形成大量膠束，膠束可依靠其界面吸力發(fā)展到膠束間締合，從而在巖石表面形成封堵層，封堵地層微孔隙或微裂縫[9]。為得到最佳膠束濃度，對不同HPAM加量的防漏堵漏效果進(jìn)行了評價(jià)。試驗(yàn)方案：孔縫型模板（規(guī)格：Φ50 mm×360 mm；孔縫寬度1～4 mm）；膨潤土+蒸餾水+5%橡膠粒+（0.1% ～ 0.5%）HPAM；工作流量100 mL/min；進(jìn)口壓力：3 MPa；出口壓力：1 MPa。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

4 結(jié)束語

最近一段時(shí)間，堵漏機(jī)理和漏失的研究、新型堵漏評價(jià)儀器、找漏工具、特殊的堵漏材料應(yīng)用都使得復(fù)雜漏失地層堵漏技術(shù)的發(fā)展越來越快，特別是關(guān)于聚合物配合橋堵及無機(jī)活性堵漏材料的使用，為復(fù)雜漏失地層堵漏提供了有效手段。

表2 不同加量聚合物封堵效果試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Test result of plugging effect of different added amount of polymer

惰性材料與聚合物之間無明顯的化學(xué)作用，反而兩者相結(jié)合可以增加惰性堵漏材料的封堵強(qiáng)度。聚合物一般均具有吸附作用，可以填充惰性材料在封堵過程中留下的細(xì)小孔隙，防止由于惰性材料封堵不完全而造成的滲漏問題。迄今為止雖然關(guān)于聚合物和惰性堵漏材料的相關(guān)研究有很多，但是還不夠全面，在下一步的工作中通過對多種聚合物的分析研究，找到與惰性堵漏材料可以很好結(jié)合的聚合物類型，研制出適應(yīng)性廣、成本相對較低的堵漏劑。

［1］ 趙巍, 林勇, 李波, 等. 誘導(dǎo)性裂縫適應(yīng)性防漏堵漏鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液, 2012, 29(4): 12-15.

［2］ 呂開河. 鉆井工程中井漏預(yù)防與堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 中國石油大學(xué)，2007.

［3］ 王貴. 提高地層承壓能力的鉆井液封堵理論與技術(shù)研究[D]. 西南石油大學(xué)，2012.

［4］ 聶勛勇, 王平全, 張新民. 聚合物凝膠堵漏技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 鉆井液與完井液, 2007, 24(1): 83-84.

［5］ 張新民, 聶勛勇, 王平全, 等. 特種凝膠在鉆井堵漏中的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液, 2007, 24(5): 83-84.

［6］ 孫金聲, 張家棟, 黃達(dá)全, 等. 超低滲透鉆井液防漏堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液, 2005, 22(4): 21-23．

［7］ 李家學(xué), 黃進(jìn)軍, 羅平亞, 等. 隨鉆防漏堵漏技術(shù)研究[J]. 鉆井液與完井液, 2008, 25(3): 25-26.

［8］ 王眉山. 石油鉆井廢棄鉆井液處理的環(huán)境問題(2008年鉆井技術(shù)論文)[R]. 石油工業(yè)出版社, 2008.

［9］ 呂開河. 鉆井工程中井漏預(yù)防與堵漏技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 中國石油大學(xué), 2007.

Study on Inert Materials and Polymer Plugging Technology

PAN Fan, PAN Yuan-shuang
（Petroleum Engineering, Yangtze University，Hubei Wuhan 430100，China)

The circulation loss is not only a common phenomenon in the process of drilling, but also is one of the important factors restricting the safe and fast drilling. A plugging agent with stable chemical property, high temperature resistance and high salt resistance was prepared from waste tire inert materials and polymer, which not only could reduce the cost of plugging, but also could effectively seal loss zone. Indoor experimental study on plugging effect of inert material and polymer plugging agent is of great significance. At last, development directions of drilling fluid plugging materials and plugging technologies were analyzed.

inert material; polymer; plugging agent; leakage layer

TE 357

A

1671-0460（2016）11-2567-03

2016-09-13

潘凡（1990-），男，湖北仙桃人，男，長江大學(xué)石油工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事油氣井流體力學(xué)方面的研究。E-m ail：945918356@qq.com。