新型高強(qiáng)度承壓堵漏吸水膨脹樹脂研發(fā)與應(yīng)用

王 剛，樊洪海，劉晨超，馮 杰，楊 陽

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3.中國石油渤海鉆探工程公司，天津 300457)

0 引 言

鉆井液漏失問題是鉆井工程領(lǐng)域長期存在的技術(shù)難題，且至今未能得到很好解決。中國大多油氣田存在不同程度地井漏問題，堵漏耗時(shí)約占總鉆井時(shí)間的5%～8%[1-4]。近年來國內(nèi)外各油田堵漏技術(shù)有了很大地進(jìn)步，總結(jié)出很多適合本地區(qū)的防漏、堵漏技術(shù)[5-6]。目前解決漏失井承壓堵漏的常用辦法是調(diào)整橋堵材料的粒徑，采用長纖維和觸變性水泥漿堵漏等。但由于各地區(qū)地層巖性、漏失原因及類型等不同，針對(duì)不同漏失情況應(yīng)用的堵漏技術(shù)也不盡相同，防漏、堵漏技術(shù)通用性較差[7-8]。因此，需要研發(fā)方便、高效、適用廣的防漏、堵漏材料。吸水膨脹性材料自身可變性強(qiáng)，進(jìn)入漏失層時(shí)體積較小，進(jìn)入漏失層后吸水膨脹，因此，可以進(jìn)入深層堵漏，并且可以封堵不規(guī)則漏失層[9-10]。為此，通過實(shí)驗(yàn)研制出一種新型吸水膨脹樹脂，經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該吸水膨脹樹脂吸水膨脹性強(qiáng)，不同配方的吸水膨脹樹脂膨脹倍數(shù)不同，且該吸水膨脹樹脂具有很強(qiáng)承壓封堵能力。

1 新型吸水膨脹樹脂的作用機(jī)理及研制

1.1 作用機(jī)理

①吸水膨脹樹脂顆粒具有架橋堵塞作用。吸水后形成的凝膠顆粒具有一定的粒徑分布，在地層孔道中通過架橋作用起到較好的堵塞作用。②變形壓實(shí)作用。堵漏材料吸水膨脹后具有高彈性和韌性，外力作用下能變形并擠入架橋形成的較小孔道內(nèi)，進(jìn)一步壓實(shí)充填，提高了漏失地層的承壓能力。③吸附作用。堵漏材料分子中包含非離子和陰離子基團(tuán)，能與巖石表面形成較強(qiáng)的氫鍵吸附作用，進(jìn)一步提高堵漏劑的封堵強(qiáng)度和封堵能力。

1.2 原料選擇及加量

通過選擇不同的試劑研究發(fā)現(xiàn)，以丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為單體原料，以N，N亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑、以氧化劑過硫酸銨與還原劑亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑、以膨潤土、二氧化硅和碳酸鈣混合物為填充材料時(shí)得到的吸水膨脹樹脂的產(chǎn)品性能最好。交聯(lián)劑加量、引發(fā)劑加量、無機(jī)/有機(jī)比值對(duì)膨脹倍數(shù)的影響如圖1—3所示。

圖1 交聯(lián)劑加量與膨脹倍數(shù)的關(guān)系

圖2 引發(fā)劑加量與膨脹倍數(shù)的關(guān)系

圖3 無機(jī)物和有機(jī)物的比例與膨脹倍數(shù)的關(guān)系

由圖1可知，產(chǎn)品經(jīng)過24 h室溫膨脹，交聯(lián)劑加量在4.0%～4.5%時(shí)，強(qiáng)度最強(qiáng)且韌性最高。新研發(fā)的吸水膨脹樹脂的強(qiáng)度隨交聯(lián)密度的升高而增大；但吸水量及吸水速度隨交聯(lián)密度增高顯著降低。因此，交聯(lián)劑加量為4.0%～4.5%時(shí)，得到的吸水膨脹樹脂吸水膨脹性最好。

由圖2可知，隨著引發(fā)劑加量增大，膨脹倍數(shù)先下降，后略微升高然后趨于平穩(wěn)。這是由于引發(fā)劑加量過多造成引發(fā)劑殘留，在高溫環(huán)境分解產(chǎn)生活性自由基，導(dǎo)致產(chǎn)物分子鏈的降解或斷裂。因此，引發(fā)劑加量為2.0%～2.5%時(shí)，吸水膨脹樹脂效果最好。

由圖3可知，隨無機(jī)材料加量升高，產(chǎn)物吸水膨脹倍數(shù)先降低后升高。這是由于隨無機(jī)材料比例增加，無機(jī)材料分布逐漸不均勻，網(wǎng)絡(luò)中無機(jī)材料的填充效果變差，膨脹倍數(shù)升高，產(chǎn)品韌性變差。因此，最佳無機(jī)材料與有機(jī)材料配比為7∶1。

1.3 新型吸水膨脹材料的制備

將稱量好的無機(jī)填料依次加入捏合機(jī)中，攪拌使其均勻，然后依次加入單體水溶液、交聯(lián)劑水溶液、引發(fā)劑水溶液，攪拌速率控制在50 r/min，在60 ℃溫度下反應(yīng)30 min，停止。將所得的產(chǎn)物取出并切割成小塊放入干燥箱中，于120 ℃溫度下烘干后得到吸水膨脹樹脂。再根據(jù)不同的要求，可用粉碎機(jī)粉碎成一系列不同粒徑的產(chǎn)品。

2 新型吸水膨脹材料實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1 膨脹能力實(shí)驗(yàn)

2.1.1 吸水膨脹樹脂在不同鉆井液中的膨脹能力

稱取10 g吸水膨脹樹脂分別放入400 mL清水、400 mL 4%膨潤土漿和400 mL鹽水聚磺鉆井液中，分別測(cè)定不同浸泡時(shí)間后的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同泥漿中膨脹倍數(shù)與浸泡時(shí)間關(guān)系

吸水膨脹樹脂在膨潤土漿和清水中的膨脹能力基本相同，吸水膨脹樹脂在清水中前2 h膨脹速率快，膨脹到16.00倍，6 h吸液膨脹達(dá)到22.28倍，6 h后膨脹曲線趨緩，22 h膨脹到23.00倍。吸水膨脹樹脂在鹽水聚磺鉆井液中的膨脹倍數(shù)較小，6 h膨脹到7.00倍左右。這是因?yàn)辂}水聚磺鉆井液中的游離水較少，吸水膨脹樹脂可吸收的自由水少。

2.1.2 不同配比的堵漏劑膨脹能力

表1為不同配方吸水膨脹樹脂的膨脹能力，由表1可知，前30 min 3種配方的膨脹倍數(shù)相差不大，但5 h后膨脹倍數(shù)相差12.00倍以上，配方1與配方2相差12.40倍，配方2與配方3相差15.20倍，配方1與配方3相差27.60倍。隨著膨脹倍數(shù)增大，強(qiáng)度變差、韌性變?nèi)?。因此，不同配方的吸水膨脹樹脂膨脹倍?shù)不同。

表1 不同配方吸水膨脹樹脂膨脹能力評(píng)價(jià)

2.2 承壓封堵能力實(shí)驗(yàn)

2.2.1 吸水膨脹樹脂的封堵作用

實(shí)驗(yàn)配方為基漿(4%膨潤土漿+1%低黏聚陰離子纖維素(PAC-LV))+4%吸水膨脹樹脂的泥漿，在100 ℃、3.45 MPa、砂盤滲透率50 000 mD的條件下進(jìn)行封堵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儀器及試驗(yàn)后的泥餅如圖5所示。濾失實(shí)驗(yàn)：瞬時(shí)率失量為0.5 mL，7.5 min率失量為0.5 mL；30 min率失量為0.5 mL。封堵實(shí)驗(yàn)恒定濾失速率為0，且泥餅的質(zhì)量良好，表明吸水膨脹樹脂有很好的封堵效果。

圖5 濾失儀和泥餅圖

2.2.2 吸水膨脹樹脂的承壓能力測(cè)試

用吸水膨脹樹脂配置封堵漿，進(jìn)行1～5 mm縫板實(shí)驗(yàn)，擠注量與擠注壓力的關(guān)系如圖6所示。封堵漿配方為400 mL水+11.6 g Na2CO3+288.8 g鈉土+15%堵漏材料450 g；堵漏材料為5%吸水膨脹樹脂150 g+10%添加劑300 g；添加劑中核桃核為150 g，CaCO3為90 g，鋸末為60 g。

圖6 擠注量與擠注壓力的關(guān)系

由圖6可知，擠注壓力隨堵漏漿擠注量的增加而增大。當(dāng)擠注量小于1 000 mL時(shí)，擠注壓力上升緩慢；當(dāng)擠注量超過1 000 mL時(shí)，擠注壓力隨擠注量的增大迅速升高；當(dāng)擠注量達(dá)到2 000 mL時(shí)，擠注壓力高達(dá)22 MPa。因此，應(yīng)用該配方的封堵漿進(jìn)行1～5 mm縫板堵漏實(shí)驗(yàn)，封堵層強(qiáng)度可達(dá)10 MPa以上。

2.2.3 不同配方的堵漏漿堵漏效果

在相同條件下模擬不同堵漏漿對(duì)1 mm裂縫堵漏實(shí)驗(yàn)。①號(hào)堵漏漿(水+1%吸水膨脹樹脂)在1 MPa壓差下，5 min基漿全漏，表明無法封堵1 mm模擬裂縫；②號(hào)堵漏漿(水+3%吸水膨脹樹脂)在1 MPa壓差下，5 min基漿全漏，同樣無法封堵1 mm模擬裂縫；③號(hào)堵漏漿(堵漏基漿+1%吸水膨脹樹脂)壓差及濾失量隨時(shí)間變化的關(guān)系如表2所示。堵漏基漿的成分為：5%膨潤土漿+0.5%聚丙烯酰胺(PAM)+1%PAC-LV+4%磺甲基酚醛樹脂(SMP-2)+4%褐煤樹脂(SPNH)。

表2 ③號(hào)堵漏漿模擬1mm裂縫堵漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知，當(dāng)壓差為7.0 MPa時(shí)，其濾失量為110 mL；隨著時(shí)間的延長，壓差增大，濾失量逐漸減少；當(dāng)壓差增至9.0 MPa、時(shí)間為60 min時(shí)，濾失量降為0，由此可見，模擬1 mm裂縫堵漏實(shí)驗(yàn)時(shí)，③號(hào)堵漏漿在9.0 MPa壓差下，承壓堵漏能力良好。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

高強(qiáng)度吸水膨脹樹脂在中國某儲(chǔ)氣庫的8口井推廣應(yīng)用，一次成功率由33%提高至90%以上，堵漏作業(yè)后地層能力大幅度提升。其中1號(hào)井、2號(hào)井進(jìn)行承壓堵漏作業(yè)中現(xiàn)場(chǎng)堵漏漿配方為：5%膨潤土漿+0.5%PAM+1%PAC-LV+4%SMP-2+4%SPNH+1%吸水膨脹樹脂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要額外添加CaCO3或鋸末，承壓堵漏效果見表3。

表3 承壓堵漏施工效果

1號(hào)井鉆進(jìn)Φ311.2 mm井眼，在4 462 m處發(fā)生滲漏，漏失量為20 m3，鉆井液密度為1.42 g/cm3。加入吸水膨脹樹脂封堵漏失層位后繼續(xù)鉆進(jìn)，處理后雖能滿足鉆進(jìn)，但滲漏一直存在。鉆至井深4 718 m，對(duì)該井進(jìn)行承壓試驗(yàn)，井口壓力達(dá)到2 MPa后不再上升，停泵穩(wěn)壓為1.1 MPa。根據(jù)三開固井設(shè)計(jì)，井底處當(dāng)量鉆井液密度應(yīng)達(dá)到1.57 g/cm3(水泥漿密度按1.88 g/cm3計(jì)算)，如鉆至三開設(shè)計(jì)井深5 002 m后再一次性進(jìn)行承壓堵漏作業(yè)，井段長，漏失點(diǎn)多，承壓堵漏施工難度較大。因此，在井深4 718 m處進(jìn)行第1次承壓堵漏，鉆至Φ311.2 mm井眼設(shè)計(jì)井深進(jìn)行第2次承壓堵漏。砂礫層堵漏施工分6次，共擠注堵漏漿量為86 m3，下鉆通井循環(huán)篩除堵漏劑后，關(guān)井試壓最高為8.0 MPa，穩(wěn)壓為5.0 MPa。煤層堵漏施工分3次擠注堵漏漿81 m3，下鉆通井循環(huán)篩除堵漏劑后，關(guān)井試壓最高8.7 MPa，穩(wěn)壓7.5 MPa。完井固井作業(yè)要求井底當(dāng)量鉆井液密度應(yīng)達(dá)到1.57 g/cm3，按現(xiàn)場(chǎng)鉆井液密度1.47 g/cm3計(jì)算，井口回壓需4.93 MPa。因此，滿足作業(yè)要求。2號(hào)井鉆進(jìn)Φ241 mm井眼，在4 200 m處發(fā)生漏失，漏失量為140 m3，鉆井液密度1.40 g/cm3，采用20%濃度的吸水膨脹樹脂，再加隨鉆堵漏劑，封堵漏層，繼續(xù)鉆進(jìn)。承壓堵漏前對(duì)該井進(jìn)行井口承壓試驗(yàn)，打壓3.5 MPa，停泵12 min壓力降至2.0 MPa。根據(jù)三開固井設(shè)計(jì)，井底處當(dāng)量鉆井液密度應(yīng)達(dá)到1.51 g/cm3(水泥漿密度按1.88 g/cm3計(jì)算)。鑒于吸水膨脹樹脂承壓堵漏的技術(shù)特點(diǎn)，以及1號(hào)井的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，2號(hào)井采用一次性對(duì)砂礫層、煤層和潛山同時(shí)進(jìn)行封堵的方式。堵漏施工分8次擠注堵漏漿76.5 m3，下鉆通井循環(huán)篩除堵漏劑后，關(guān)井試壓最高為4.3 MPa，穩(wěn)壓為4.0 MPa。完井固井作業(yè)要求井底鉆井液當(dāng)量密度應(yīng)達(dá)到1.51 g/cm3，按現(xiàn)場(chǎng)鉆井液密度1.42 g/cm3計(jì)算，井口回壓需4.0 MPa。因此，滿足作業(yè)要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，新研制的高強(qiáng)度吸水膨脹樹脂的承壓堵漏能力滿足設(shè)計(jì)和施工要求，為儲(chǔ)氣庫固井前承壓堵漏施工提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

(1) 以丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為單體原料，以N，N亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑(4.0%～4.5%)，以氧化劑過硫酸銨與還原劑亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑(2.0%～2.5%)，以膨潤土、二氧化硅和碳酸鈣混合物為填充材料(無機(jī)物∶有機(jī)物=7∶1)，在60 ℃下反應(yīng)，于120 ℃下烘干得到的新型吸水膨脹樹脂性能最好。

(2) 該吸水膨脹樹脂吸水膨脹能力和承壓封堵能力較強(qiáng)。不同配方的吸水膨脹樹脂膨脹倍數(shù)不同。配方為基漿+4%吸水膨脹樹脂的泥漿封堵實(shí)驗(yàn)恒定濾失速率為0，泥餅的質(zhì)量良好；配方為基漿+5%吸水膨脹樹脂+10%添加劑的封堵漿進(jìn)行1～5 mm縫板堵漏實(shí)驗(yàn)，封堵層強(qiáng)度可達(dá)10 MPa以上。

(3) 在某儲(chǔ)氣庫8口井應(yīng)用表明，封堵一次成功率由33%提高至90%以上，堵漏作業(yè)后地層能力大幅提升。其中，1號(hào)井的砂巖、礫巖、砂礫互層、煤層及2號(hào)井的砂巖、礫巖、砂礫互層、煤層、潛山層承壓堵漏能力好，滿足設(shè)計(jì)施工要求。