溫度增強(qiáng)型高彈性液體膠塞暫堵劑研發(fā)及應(yīng)用

劉偉，朱方輝，于淑珍，李瓊瑋，張振云，董曉煥，李明星

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710018）

0 引言

隨著油氣田的開采，油氣藏壓力不斷下降，壓井液漏失較為普遍，由于凝膠（液體膠塞）兼具固體和液體的性能，常用于油氣井堵漏與堵水。劉音等人采用單體聚合方法，研發(fā)了水平井控水液體膠塞[1]。舒勇等[2]制備出了一種弱凝膠壓井液。該體系不含固相，具有良好的流動性能、低濾失、巖心返排滲透率恢復(fù)率大于85%、返排效果好等特點。秦鳳鳴等[3]針對X1093井壓井液大量漏失的問題，新采用聚合物凝膠進(jìn)行暫堵作業(yè)，漏失量降低了95%。Ziad A B等[4]針對Saudi Arabia氣田高溫高壓的特點，研發(fā)了一種有機(jī)交聯(lián)的凝膠暫堵體系。該體系黏度低（2～30 mPa·s），泵注性好，抗溫達(dá)177 ℃，耐壓27.6 MPa，成膠時間可調(diào)，已在阿拉伯高溫油氣井成功應(yīng)用。張鋒等[5]制備出了一種聚合物凝膠暫堵壓井液，該體系不含固相，高溫高壓下穩(wěn)定時間長，防漏失性能好，對巖心的暫堵效果較好，油氣產(chǎn)量恢復(fù)率高于90%。賈虎等[6-7]使用聚丙烯酰胺、無機(jī)交聯(lián)劑等研制了一種耐高溫的高強(qiáng)度彈性凝膠暫堵劑，該體系抗溫達(dá)150 ℃、抗壓30 MPa、抗鹽30×104mg/L。該暫堵劑已在西北油田雅克拉采氣廠低壓氣井成功應(yīng)用，有效解決了低壓油氣藏壓井液易漏失的問題。左文貴等[8]針對河源地區(qū)大裂隙溶洞地層研制的一種新型聚合物凝膠堵漏劑的應(yīng)用結(jié)果表明，這種體系的初始溶液黏度低，流動性好，成膠迅速，滿足現(xiàn)場施工需求。應(yīng)用性能評價結(jié)果表明，該凝膠堵劑具有較高的強(qiáng)度，可承受較高壓力，后期也可使用破膠劑進(jìn)行破膠。

由于凝膠具有介于液體和固體的特殊狀態(tài)，可達(dá)到一定的強(qiáng)度，又可實現(xiàn)破膠，因而對于漏失地層的暫堵方面具有很好的潛力[9-10]。但當(dāng)前凝膠堵劑通常含有金屬鹽類交聯(lián)劑，高溫穩(wěn)定性能有待提高。近來，聚乙烯亞胺（PEI）交聯(lián)HPAM凝膠在堵水調(diào)剖領(lǐng)域研究較多，該體系具有低毒環(huán)保、抗高溫高鹽等優(yōu)點，特別適合高溫油藏堵水[11-13]。HPAM與PEI的交聯(lián)機(jī)理為PEI亞氨基中的氮原子通過轉(zhuǎn)氨基作用撞擊酰胺基團(tuán)上的碳原子而產(chǎn)生，低于和高于100 ℃的交聯(lián)機(jī)理截然不同[14]。目前，聚乙烯亞胺（PEI）交聯(lián)凝膠用作液體膠塞方面的研究報道較少。旨在研究PEI交聯(lián)聚合物凝膠在高溫下的黏彈性特征和暫堵性能，探索其用于制備高彈性液體膠塞及其暫堵控漏的潛力，滿足高溫油氣井暫堵壓井需求。

1 實驗研究

1.1 實驗用品

實驗藥品：聚合物（抗溫聚合物，SPAM，工業(yè)級，＞95%，分子量300×104；水解度＜10%）、交聯(lián)劑（主要成分為聚乙烯亞胺PEI，工業(yè)級，50%，分子量7×104）、穩(wěn)定劑（主要成分為硫脲）。

實驗儀器：哈克流變儀（HAAKE RS 600 Rotational Rheometer），實驗室自主研制的油氣井工作液防漏堵漏實驗裝置。

通過充填不同粒徑支撐劑材料，模擬不同縫寬的巖心，實驗用人造裂縫巖心基本參數(shù)和外觀形態(tài)如表1和圖1所示。

表1 裂縫巖心基本參數(shù)

圖1 人造裂縫巖心

1.2 實驗方法

1.2.1 體系制備

確定液體膠塞EGL-1基礎(chǔ)配方：2%聚合物SPAM+（1%～1.6%）交聯(lián)劑PEI+0.02%穩(wěn)定劑+清水。具體配制方法：按照質(zhì)量比例，向清水中緩慢加入聚合物SPAM，攪拌約1.5 h至均勻溶液狀態(tài)，然后再依次加入PEI和0.02%穩(wěn)定劑，繼續(xù)充分?jǐn)嚢柚辆鶆颍纬深A(yù)凝膠溶液。

1.2.2 流變與黏彈性能評價

使用哈克流變儀在溫度25、50、70、90 ℃下對剛配制好的預(yù)凝膠溶液測試不同剪切速率下的表觀黏度，測試流變曲線，研究其泵送能力。

將配制好的預(yù)凝膠溶液，取100 mL放入老化罐中密封置于110～140 ℃下放置24 h，充分交聯(lián)后使用哈克流變儀在定頻率0.5 Hz、定應(yīng)力0.5 Pa下測定體系的彈性模量G′、黏性模量G″。研究在經(jīng)受不同高溫老化后體系的黏彈性能。

1.2.3 破膠評價

采取機(jī)械或水力沖刷破碎和化學(xué)破膠2種方法，對140 ℃下老化24 h后液體膠塞樣品進(jìn)行破膠。1）外力破碎。為盡可能地貼近井下情況，采取模擬井筒破碎方法：將一定體積的液體膠塞置于量筒中(保證體系與量筒壁緊密接觸)，然后使玻璃棒上下運(yùn)動搗碎暫堵體系；2）化學(xué)破膠。①使用清水配制濃度分別為5%、10%、15%的過硫酸銨破膠劑溶液；②取在140 ℃下老化24 h后液體膠塞樣品，浸泡在破膠劑中（完全淹沒）；③密封后置于115 ℃下，分別在2、4、6、8、10、12 h時觀察。

1.2.4 防漏承壓性能評價

實驗步驟如下：1）連接好實驗裝置，檢查氣密性，將裂縫巖心放入巖心夾持器中，加載圍壓固定，測定裂縫巖心初始?xì)鉁y滲透率；2）將配制好的液體膠塞暫堵壓井液初始溶液裝入防漏實驗裝置釜體中，升溫至140 ℃，待充分成膠后，開始后續(xù)實驗；3）通過高壓氮氣瓶給防漏實驗裝置提供壓力，逐漸加壓，每次加壓0.5 MPa，穩(wěn)定5 min，觀察漏失及壓降情況，無上述現(xiàn)象則繼續(xù)加壓，直到觀察到有液體膠塞及氣體漏出，停止加壓；4）實驗結(jié)束后，刮去端面膠塞濾餅，反向氣驅(qū)測定突破壓力和裂縫巖心氣測滲透率，計算滲透率恢復(fù)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變性能

液體膠塞EGL-1初始溶液流動情況如圖2所示，溶液宏觀表現(xiàn)為連續(xù)性和整體性，具有較好的流動性，能夠保證泵送要求。

圖2 EGL-1初始溶液流動性能

利 用HAAKE MARSIII旋轉(zhuǎn)流變儀，在25～90 ℃下對地面配制2 h后的液體膠塞EGL-1溶液進(jìn)行流變測試，研究其在井筒中輸送過程的流變性能，實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著剪切速率的增加，體系黏度迅速下降，當(dāng)剪切速率為200 s-1時，體系黏度降低到350 mPa·s以內(nèi)，然后逐漸趨于平穩(wěn)，說明該體系具有較好的剪切稀釋性能，能確保泵送。不同溫度下測定的剪切黏度差異很小，這是因為PEI與HAPM在常溫下便能發(fā)生初步交聯(lián)[15]，形成具有一定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的預(yù)凝膠溶液，可以抵擋剪切影響[16-21]。

圖3 EGL-1剪切黏度與剪切速率的關(guān)系

2.2 黏彈性能

實驗配方：2%聚合物SPAM+（1%～1.6%）PEI+0.02%穩(wěn)定劑+清水，在110～140 ℃下老化24 h后進(jìn)行實驗觀察。圖4表明，在相同溫度下，隨著交聯(lián)劑濃度增大，體系成型變好，強(qiáng)度越高；在相同交聯(lián)劑濃度下，隨著溫度的升高，體系成型更好，且強(qiáng)度更高。高溫能增加膠凝強(qiáng)度，利于高溫油氣井暫堵需求。選取110、120 ℃下，由不同交聯(lián)劑濃度（1%～1.6%）構(gòu)建的完全老化的膠塞進(jìn)行黏彈測試，黏彈曲線如圖5和圖6所示。研究表明，在不同交聯(lián)劑濃度與不同溫度下老化后形成的膠塞均呈現(xiàn)良好的黏彈性，彈性模量在100～470 Pa之間，黏性模量在10～60 Pa之間，隨著溫度升高和交聯(lián)劑濃度增加，膠塞彈性和強(qiáng)度不斷提升，表明高溫儲層更利于該暫堵技術(shù)的實施。以上實驗結(jié)果可為實際地層溫度下的液體膠塞暫堵壓井液配方設(shè)計提供依據(jù)。

圖4 不同交聯(lián)劑濃度與不同溫度下各體系成膠情況

圖5 110 ℃下不同交聯(lián)劑濃度的液體膠塞黏彈模量

對于HPAM/PEI凝膠體系，隨著溫度的升高，體系彈性模量升高，表現(xiàn)為膠凝強(qiáng)度提升，本實驗結(jié)果與Al-Muntasheri G A等人[16]采用的PAtBA（含酯基的聚合物）/PEI凝膠體系實驗結(jié)果類似。這是因為，一方面溫度升高加快分子移動速率，增加交聯(lián)強(qiáng)度，并通過化學(xué)反應(yīng)形成交聯(lián)點，另一方面，高溫加快了聚合物中酰胺基團(tuán)的水解速率，因而增加了更多的交聯(lián)點。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，PEI交聯(lián)凝膠的彈性越好，說明溫度增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度是PEI交聯(lián)凝膠的特有現(xiàn)象，這種性質(zhì)與聚合物種類無關(guān)。因此，后續(xù)將研究140 ℃下老化成型的液體膠塞的暫堵性能。

圖6 120 ℃下不同交聯(lián)劑濃度的液體膠塞黏彈模量

2.3 破膠性能

物理破碎。通過物理搗碎后的膠塞狀態(tài)如圖7所示，體系破碎成極小塊狀，懸浮在清水中，表明該膠塞在外力下均能良好破碎，后期能被上部清水壓井液循環(huán)排出。

圖7 外力沖刷破膠

化學(xué)破膠。如圖8所示，隨著時間延長，2～6 h內(nèi)各濃度破膠劑中的膠塞體積逐漸變小，8 h后10%、15%濃度破膠劑中的膠塞已開始分解，12 h后10%、15%濃度破膠劑中的膠塞已完全破膠，說明采用常規(guī)氧化劑對該彈性液體膠塞具有較高破膠效率。

圖8 化學(xué)破膠情況

2.4 堵漏與返排性能

從圖9的承壓能力結(jié)果可知，對于縫寬1 mm左右的裂縫巖心，液體膠塞EGL-1具有良好的承壓能力，初始施加壓力約10 MPa，120 min內(nèi)壓降1～3.7 MPa。因其具有高彈性特征，在施加正壓差時彈性變形會起到緩沖壓力作用。

圖9 液體膠塞承壓能力測試曲線

圖10濾失實驗表明：液體膠塞EGL-1在120 min內(nèi)總濾失量在50～61 mL之間，濾失速率在25～30.5 mL/h，主要是在正壓差下物理擠壓脫水和剪切破壞侵入巖心兩方面的漏失總和，但總體漏失量并不高。釜體中經(jīng)老化成型的液體膠塞具有較好整體性和彈性與韌性，其產(chǎn)狀如圖10所示。從濾餅形態(tài)與侵入深度來看，實驗結(jié)束后的巖心端面有明顯的膠塞濾餅形成，圖11、12展示了膠塞濾餅形態(tài)與侵入情況。由于實驗結(jié)束后取出的巖心已經(jīng)發(fā)生斷裂，在離端面約3 cm處觀察到了經(jīng)剪碎而侵入裂縫的膠塞“顆?！保秩胼^淺，擠壓脫水后的膠塞顆粒彈性提高，利于返排。

考慮到實際生產(chǎn)返排時間較長，為更好地促進(jìn)彈性顆粒返排提高滲透率恢復(fù)，實驗室反向氣驅(qū)時間定為500 min。表2實驗結(jié)果表明，裂縫巖心自然反排突破壓力均小于1 MPa，巖心滲透率恢復(fù)值普遍大于90%，說明具有彈性特征的暫堵帶完全可以自然解堵，有效地降低了吸附滯留損害，施工結(jié)束后可采用連續(xù)油管氣舉誘噴解堵。

圖10 液體膠塞濾失曲線

圖11 釜體中老化成熟的液體膠塞

圖12 膠塞濾餅形貌及侵入裂縫情況

表2 防漏實驗后巖心滲透率恢復(fù)效果

3 現(xiàn)場試驗

G52-XX井產(chǎn)層為長慶下古碳酸鹽巖儲層，井底溫度約115 ℃。施工前，油管套管壓力分別為6.02和6.08 MPa，原始地層壓力為30.41 MPa，預(yù)測當(dāng)前地層壓力為11.69 MPa，壓力系數(shù)已降至0.38，用常規(guī)清水壓井勢必會造成大量漏失。該井設(shè)計壓井起管柱后查層補(bǔ)孔壓裂后合采，采取了彈性液體膠塞暫堵壓井液（產(chǎn)層段）和清水（非產(chǎn)層段）組合的壓井工藝。暫堵壓井前，將油管和套管壓力放空至0 MPa后，關(guān)閉油管和套管放空針閥；通過油管泵注清水25 m3，關(guān)閉油管閘閥，套管壓力顯示為0 MPa。暫堵施工，方案設(shè)計彈性液體膠塞暫堵壓井液用量為5.5 m3，連續(xù)泵入完成后，跟進(jìn)清水2 m3，計算井筒內(nèi)液柱壓力與地層壓力平衡，保證暫堵液段塞停留并充滿產(chǎn)層段。關(guān)井等待暫堵液成膠約12 h后，打開油管和套管放空針閥，點火，35 min火焰熄滅，判斷儲層已初步堵住。

4 結(jié)論

1.彈性液體膠塞EGL-1初始溶液具有較好剪切稀釋性能，能夠保證泵送。該膠塞具有溫度增強(qiáng)型特征，隨著溫度和交聯(lián)劑濃度增加，膠塞彈性和強(qiáng)度不斷提升，彈性模量在100～470 Pa之間，黏性模量在10～60 Pa之間，高溫儲層更利于該暫堵技術(shù)的實施。溫度增強(qiáng)膠凝強(qiáng)度是PEI交聯(lián)凝膠的特有現(xiàn)象，這種性質(zhì)與聚合物種類無關(guān)。

2.裂縫巖心暫堵控漏實驗表明，在120 min內(nèi)膠塞濾失速率在25～30.5 mL/h，總體漏失量并不高，巖心自然返排突破壓力均小于1 MPa，巖心滲透率恢復(fù)值大于90%，可采取機(jī)械或水力沖刷破碎和化學(xué)破膠2種方法。

3.采取了彈性液體膠塞暫堵壓井液（產(chǎn)層段）和清水（非產(chǎn)層段）組合的壓井工藝，在長慶下古碳酸鹽巖氣藏G52-13井成功實施了彈性液體膠塞EGL-1暫堵壓井，確保了施工安全和復(fù)產(chǎn)效果，對低壓碳酸鹽巖油氣井暫堵壓井具有借鑒作用。