高溫延遲交聯(lián)聚丙烯酰胺凝膠堵漏劑的研究

顏幫川，蔣官澄，胡文軍 向雄，鄧正強(qiáng)

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102200）

在鉆井過(guò)程中，井漏問(wèn)題一直是困擾現(xiàn)場(chǎng)工程師的難題，特別是在鉆遇裂縫、洞穴發(fā)育地層的過(guò)程中，經(jīng)常遭遇鉆井液失返現(xiàn)象，延誤鉆井時(shí)間，增加了鉆井成本[1-5]。目前，針對(duì)惡性漏失問(wèn)題，凝膠堵漏（如特種凝膠、新型抗高溫可控凝膠堵漏劑、抗高溫化學(xué)凝膠等）取得了良好的應(yīng)用效果，但也存在高溫下凝膠時(shí)間可控性差、凝膠可泵性難的問(wèn)題[6-7]。對(duì)于高溫地層，凝膠抗溫性較差，易高溫降解，破壞凝膠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致堵漏失效，出現(xiàn)復(fù)漏現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，研發(fā)了一種高溫延遲交聯(lián)聚丙烯酰胺凝膠堵漏劑，使用自制延遲引發(fā)劑，在高溫下成膠時(shí)間為1～4 h可調(diào)，保證現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工的順利進(jìn)行。此外，成膠后凝膠抗拉強(qiáng)度大，可有效封堵裂縫型惡性漏失。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

部分水解聚丙烯酰胺（分子量為8000 kDa）交聯(lián)劑N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，乙酸鉻，聚乙烯亞胺（PEI），丙烯酰胺，偶氮二異丁脒鹽酸鹽，分析純級(jí)；熱熔膠，工業(yè)級(jí)。

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，高溫高壓流變儀，HAKKE流變儀，滾子加熱爐，高溫高壓堵漏儀（自制）。

1.2 延遲引發(fā)劑的制備

延遲引發(fā)劑的制備參照相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[8-10]。取20 g熱熔膠，加入三口燒瓶中，加熱至150 ℃，待熱熔膠完全熔化成液體后，加入2 g偶氮二異丁脒鹽酸鹽，攪拌5 min，將混合物倒入冷水中，過(guò)濾、烘干后，粉碎得到延遲引發(fā)劑。

1.3 凝膠堵漏劑的制備

量取300 mL的去離子水，加入21 g丙烯酰胺，0.1 g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，高速攪拌20 min，加入6 g部分水解的聚丙烯酰胺，高速攪拌30 min，待聚合物充分溶解后，加入0.1 g延遲引發(fā)劑，低速攪拌20 min后得到凝膠堵漏劑。

2 結(jié)果與討論

2.1 延遲引發(fā)劑的表征

2.1.1 紅外光譜分析

將制備的延遲引發(fā)劑、引發(fā)劑以及熱熔膠粉末分別制成KBr壓片進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 延遲引發(fā)劑的紅外光譜分析

由圖1可知，在延遲引發(fā)劑中出現(xiàn)熱熔膠和引發(fā)劑的所有峰，且未出現(xiàn)其他峰，說(shuō)明在延遲引發(fā)劑中存在引發(fā)劑和熱熔膠。

2.1.2 掃描電鏡分析

使用掃描電鏡分析儀對(duì)熱熔膠和延遲引發(fā)劑進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見(jiàn)圖2?？芍跓崛勰z中未混合引發(fā)劑時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)引發(fā)劑顆粒，而延遲引發(fā)劑中由于引發(fā)劑的加入，明顯可以看到熱熔膠中出現(xiàn)晶體狀顆粒，說(shuō)明了延遲引發(fā)劑中引發(fā)劑被熱熔膠包裹起來(lái)。

圖2 引發(fā)劑和延遲引發(fā)劑掃描電鏡分析

2.2 凝膠成膠性能評(píng)價(jià)

2.2.1 溫度對(duì)成膠時(shí)間的影響

將制備好的凝膠堵漏劑置于高溫高壓流變儀中，設(shè)置好成膠溫度，測(cè)試其黏度隨時(shí)間的變化關(guān)系（見(jiàn)圖3）。當(dāng)黏度急劇上升時(shí)，為成膠時(shí)間點(diǎn)。由圖3可知，該凝膠體系在90 ℃下，成膠時(shí)間在3.5 h左右；在120 ℃下，成膠時(shí)間在3 h左右；在150 ℃下，成膠時(shí)間在1 h左右。隨著溫度的增加，成膠時(shí)間有所下降，主要原因是溫度越高，延遲引發(fā)劑釋放速率越快，從而降低成膠時(shí)間。

圖3 不同溫度下凝膠堵漏劑的黏度隨時(shí)間的變化關(guān)系

2.2.2 延遲引發(fā)劑對(duì)成膠時(shí)間的影響

以清水為空白樣，對(duì)比過(guò)硫酸銨和延遲引發(fā)劑對(duì)成膠時(shí)間的影響，膠液體系成膠溫度為150 ℃，測(cè)試膠液體系黏度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。由圖4可知，對(duì)于空白樣清水，在150 ℃下，隨著成膠時(shí)間的增加，體系不會(huì)成膠；對(duì)于引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，成膠時(shí)間僅10 min左右；對(duì)于自制延遲引發(fā)劑，成膠時(shí)間延長(zhǎng)至1 h左右；成膠前膠液黏度僅50 mPa·s左右，保證了該凝膠注入漏層的可泵性；成膠后黏度達(dá)10 000 mPa·s，保證其良好的封堵性。

圖4 不同類(lèi)型引發(fā)劑對(duì)成膠時(shí)間的影響

2.3 凝膠抗拉強(qiáng)度

配制不同交聯(lián)劑交聯(lián)的凝膠體系，參照GB/T 528—2009標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試了凝膠的拉伸強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖5。相比鉻交聯(lián)凝膠體系和PEI交聯(lián)凝膠體系，延遲引發(fā)交聯(lián)凝膠體系具有更好的抗拉伸強(qiáng)度，可有效封堵漏層。

圖5 不同交聯(lián)體系凝膠抗拉強(qiáng)度的測(cè)試

2.4 凝膠抗溫能力

高溫交聯(lián)凝膠堵漏劑具有良好的抗溫性。將100 g凝膠置于150 ℃滾子加熱爐中熱滾不同時(shí)間后，其破膠情況見(jiàn)表1。

表1 100 g凝膠在150 ℃下熱滾不同時(shí)間后的破膠情況

由表1可知，該凝膠堵漏劑在150 ℃下熱滾96 h后破膠率僅5%，熱穩(wěn)定性良好，可防止凝膠堵漏后出現(xiàn)凝膠降解導(dǎo)致復(fù)漏。說(shuō)明該凝膠體系具有良好的可泵性和封堵性。

2.5 凝膠黏彈性

測(cè)試凝膠堵漏劑在150 ℃下，不同成膠時(shí)間的儲(chǔ)能模量和損耗模量，結(jié)果見(jiàn)圖6?？芍S著成膠時(shí)間的增加，儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）均增加，說(shuō)明凝膠堵漏劑在高溫下發(fā)生交聯(lián)，隨著成膠時(shí)間的增加，凝膠交聯(lián)密度增加，凝膠黏彈性越來(lái)越強(qiáng)，進(jìn)一步說(shuō)明了高溫下該凝膠可延遲交聯(lián)。

圖6 不同成膠時(shí)間下凝膠堵漏劑的黏彈性測(cè)試（150 ℃）

2.6 凝膠封堵能力

使用2～5 mm寬的縫板模擬漏層，考察高溫凝膠堵漏漿的承壓堵漏實(shí)驗(yàn)[11-13]，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同縫寬下凝膠堵漏劑的承壓堵漏實(shí)驗(yàn)

由圖7可知，高溫凝膠堵漏封堵4 mm以下縫寬縫板，承壓4.83 MPa以上，具有較好的高溫封堵承壓能力。

3 結(jié)論

1.自制的延遲引發(fā)劑可控制150 ℃以下，凝膠成膠時(shí)間為1～3 h左右，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

2.高溫凝膠堵漏劑適合150 ℃漏層封堵，可封堵4 mm寬裂縫漏層，承壓700 psi以上。

3.高溫凝膠堵漏劑具有良好的抗溫能力，150℃下熱滾96 h，破膠率僅5%，熱穩(wěn)定性良好，可長(zhǎng)期封堵漏層。