新型延遲膨脹堵漏劑特性實(shí)驗(yàn)研究

臧曉宇，邱正松，暴丹，苗海龍，2，鐘漢毅，趙欣，張現(xiàn)斌，陳安亮

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北三河 065201；3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，天津 300280）

0 引言

裂縫性漏失是鉆井液的主要漏失形式之一，地層裂縫特征參數(shù)（開(kāi)度、深度等）具有不確定和多尺度特性，傳統(tǒng)的橋接堵漏材料可變形性較差，封堵效果對(duì)漏失通道尺寸較敏感，自適應(yīng)性及廣譜性較差，易產(chǎn)生封門或流失到裂縫深部，導(dǎo)致堵漏失敗[1-10]。交聯(lián)聚合物、凝膠狀聚合物和吸水膨脹樹(shù)脂等吸水膨脹后有一定彈塑性，對(duì)封堵裂縫的適應(yīng)能力有一定改善[11-13]。但上述堵漏材料大多存在膨脹速度過(guò)快，封堵承壓能力較低等缺陷。

針對(duì)上述問(wèn)題，研制了一種具有高承壓能力的新型延遲膨脹堵漏劑SDSAP。通過(guò)在聚合反應(yīng)中控制交聯(lián)密度及引入填充材料，使其在常溫下具有較低的膨脹速度，更易進(jìn)入漏失通道；在井底高溫下可加快膨脹速度，有利于快速形成封堵層，降低鉆井液漏失量；吸水膨脹后，具有優(yōu)良的抗壓性能，有利于提高封堵層穩(wěn)定性。基于“強(qiáng)力鏈”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密承壓封堵機(jī)理，協(xié)同復(fù)配剛性、彈性和纖維等類型堵漏材料，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化形成延遲膨脹堵漏配方，其承壓能力大于7 MPa，漏失量小于20 mL。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1）實(shí)驗(yàn)材料。酰胺類單體、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）、過(guò)硫酸銨、N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺，化學(xué)純；鈉膨潤(rùn)土、改性纖維，工業(yè)品；NaCl、MgCl2、CaCl2，分析純。

2）實(shí)驗(yàn)儀器。電熱恒溫水浴鍋，高速攪拌器，高溫滾子加熱爐，電子振動(dòng)篩分儀，高溫高壓堵漏模擬實(shí)驗(yàn)裝置，壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 新型延遲膨脹堵漏劑SDSAP 的研制

高溫溶脹型聚合物是具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料，其吸水膨脹性能隨溫度升高而發(fā)生變化。研究表明，通過(guò)大分子改性設(shè)計(jì)、物理?yè)诫s、引入溫度敏感官能團(tuán)、控制交聯(lián)密度等，可賦予產(chǎn)物一定的溫度響應(yīng)特性[14-15]?；谏鲜鲅芯克悸?，選擇酰胺類單體、陽(yáng)離子單體DMDAAC 作為主要合成原料，研制新型延遲膨脹堵漏劑SDSAP，并進(jìn)行綜合性能分析。

2.1 新型延遲膨脹堵漏劑的制備

將酰胺類單體、DMDAAC 及引發(fā)劑（過(guò)硫酸銨）溶解于冰水中，提高溫度至55 ℃進(jìn)行引發(fā)，DMDAAC 單體產(chǎn)生自由基，與酰胺類單體發(fā)生共聚反應(yīng)形成分子鏈，在分子鏈增長(zhǎng)過(guò)程中加入交聯(lián)劑（N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺）進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的共聚物，然后加入改性纖維及鈉膨潤(rùn)土，使其復(fù)合在凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，以改變材料的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)支撐定形作用改善產(chǎn)品力學(xué)性能。以體積膨脹倍數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和單因素分析，優(yōu)化得出最優(yōu)單體濃度、單體配比、交聯(lián)劑和引發(fā)劑濃度及反應(yīng)溫度。將反應(yīng)結(jié)束得到的彈性凝膠體取出，真空干燥、剪切造粒，得到新型延遲膨脹堵漏劑SDSAP。

2.2 紅外光譜表征

將SDSAP 產(chǎn)品進(jìn)行紅外光譜表征，結(jié)果見(jiàn)圖1?？芍?，在1659 cm-1附近出現(xiàn)酰胺基團(tuán)的C颒O特征吸收峰，3409 cm-1附近出現(xiàn)酰胺基團(tuán)的N—H吸收峰，反映了樣品中存在酰胺基團(tuán)；1300～1500 cm-1的譜帶區(qū)是由含C—C、C—N 鏈的五元環(huán)伸縮振動(dòng)引起的，表明DMDAAC 單體鏈接到了分子鏈上，證明經(jīng)過(guò)反應(yīng)得到了設(shè)計(jì)產(chǎn)物。

圖1 SDSAP 紅外光譜圖

3 延遲膨脹顆粒堵漏劑特性評(píng)價(jià)

3.1 吸水膨脹性能

該研究采用體積膨脹倍數(shù)作為吸水膨脹性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，體積膨脹倍數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：Qn為tn時(shí)刻堵漏劑的體積膨脹倍數(shù)，倍；V0為堵漏劑初始體積，cm3；Vn為tn時(shí)刻堵漏劑吸水膨脹后的體積，cm3；m0為堵漏劑的初始質(zhì)量，g；mn為tn時(shí)刻堵漏劑的質(zhì)量，g；ρ為堵漏劑吸收介質(zhì)的密度，g/cm3。

分別以自來(lái)水、堵漏基漿（4%膨潤(rùn)土漿+0.4%CMC-HV）、鉀銨基聚磺鉆井液作為介質(zhì)，在80 ℃下，測(cè)試了粒徑為2.00～3.20 mm 的SDSAP 體積膨脹倍數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。可知，SDSAP 在不同介質(zhì)中具有良好的吸水膨脹性能。

圖2 不同介質(zhì)中SDSAP 體積膨脹倍數(shù)（80 ℃）

3.2 抗壓性能

當(dāng)作用于堵漏材料的力超過(guò)其抗壓強(qiáng)度時(shí)，堵漏材料就會(huì)發(fā)生破碎，導(dǎo)致封堵層破壞，進(jìn)而使漏失通道重啟[3，16]。使用壓力機(jī)向延遲膨脹堵漏劑加壓，模擬堵漏劑在地層中的受力情況，測(cè)試吸水前后在15 MPa 下穩(wěn)壓10 min 后D90、D50、D10粒度降級(jí)率，并稱量堵漏劑受壓后過(guò)0.90 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩的篩余量，計(jì)算破碎率，結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍?，吸水膨脹前受壓粒度降級(jí)率為38.29%，破碎率大，具有一定的脆性；吸水膨脹后，受壓粒度降級(jí)率明顯減小，破碎率僅為2.83%，材料由硬脆性向彈塑性轉(zhuǎn)變，抗壓強(qiáng)度增大，有利于在漏失通道中滯留，增強(qiáng)封堵層的穩(wěn)定性。

圖3 SDSAP 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

3.3 抗鹽性能

稱量5 g 粒徑為2.00～3.20 mm 的延遲膨脹堵漏劑SDSAP，浸泡于80 ℃的不同鹽溶液中，測(cè)定其體積膨脹倍數(shù)與時(shí)間關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。可知，無(wú)機(jī)鹽離子對(duì)SDSAP 的吸水膨脹性能有一定抑制作用，在復(fù)合鹽水中，15 h 體積膨脹倍數(shù)也在5 倍以上，保證了其在高礦化度下仍有一定的膨脹作用。

圖4 不同鹽溶液中SDSAP 體積膨脹倍數(shù)與時(shí)間關(guān)系

3.4 延遲膨脹特性

SDSAP 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由大分子鏈、交聯(lián)化學(xué)鍵及氫鍵組成，在制備過(guò)程中提高交聯(lián)密度來(lái)形成緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制吸水膨脹性能，確保低溫下具有相對(duì)較低的吸水膨脹速率。隨著溫度升高，部分大分子鏈間的交聯(lián)鍵逐漸水解，使SDSAP 的交聯(lián)密度降低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空間增大[15]；同時(shí)溫度升高對(duì)酰胺基團(tuán)的水解具有促進(jìn)作用，酰胺基團(tuán)水解后生成的羧酸基團(tuán)中的氧原子易與水分子的氫原子結(jié)合形成氫鍵，促進(jìn)水分子進(jìn)入聚合物的三維網(wǎng)絡(luò)空間中，進(jìn)一步提高膨脹速度。

在不同溫度下，測(cè)試了SDSAP 在堵漏基漿、鉀銨基聚磺鉆井液及添加10% NaCl 的堵漏基漿中的飽和吸水膨脹倍數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 溫度對(duì)SDSAP 吸水膨脹性能影響

可知，當(dāng)溫度低于80 ℃時(shí)，由于此時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交聯(lián)密度較高，達(dá)到飽和吸水后的體積膨脹倍數(shù)較??；當(dāng)溫度為80～120 ℃時(shí)，由于部分交聯(lián)鍵的水解作用，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)釋放出空間以容納更多的水分，因此達(dá)到飽和吸水后的體積膨脹倍數(shù)發(fā)生較大幅度的提升；繼續(xù)升高溫度，更多交聯(lián)鍵發(fā)生斷裂，此時(shí)的交聯(lián)程度不足以維持有效的吸水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，飽和吸水后的體積膨脹倍數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

選取幾種不同類型的膨脹類堵漏劑SAP-1、SAP-2、SAP-3 及SDSAP，以不同時(shí)刻體積（Vn）與飽和吸水后的體積（Vmax）的比值（Vn/Vmax）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行吸水膨脹性能對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，在20 ℃下SDSAP 的膨脹速度最低，且在24 h 仍未達(dá)到飽和吸水，表明其具有良好的持續(xù)膨脹性能；當(dāng)溫度升至120 ℃時(shí)，SDSAP 老化2 h 后即接近飽和吸水膨脹，有利于快速形成封堵層?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，利用地面及井底存在的溫度差，實(shí)現(xiàn)配漿及泵送過(guò)程中緩慢吸水膨脹，從而控制堵漏劑進(jìn)入漏失通道前的體積。進(jìn)入漏失通道后，在地層高溫作用下，延遲膨脹堵漏劑快速吸水膨脹，從而在較短時(shí)間內(nèi)形成封堵層，降低鉆井液漏失量。

表1 不同類型堵漏劑膨脹性能

4 延遲膨脹堵漏工作液配方構(gòu)建

4.1 堵漏材料的優(yōu)選

基于研制的延遲膨脹堵漏劑SDSAP，協(xié)同復(fù)配剛性顆粒、彈性顆粒和纖維等不同類型防漏堵漏材料，構(gòu)建適用1～3 mm 開(kāi)度裂縫的致密承壓堵漏工作液配方。其中，剛性顆粒優(yōu)選碳酸鈣顆粒SDSCC，具有較高的抗壓強(qiáng)度，作為封堵層骨架；彈性顆粒優(yōu)選彈性橡膠SDRUB，粒徑小、彈性好，進(jìn)一步充填封堵層間隙，增加封堵層致密性；纖維優(yōu)選纖維強(qiáng)化堵漏劑SDFIB，其具有較高的抗拉強(qiáng)度，交錯(cuò)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可增加封堵層剪切強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性[17]；延遲膨脹堵漏劑SDSAP，增強(qiáng)對(duì)裂縫自適應(yīng)性，提高封堵層承壓能力，形成具有“強(qiáng)力鏈網(wǎng)絡(luò)”的致密承壓封堵層。

4.2 堵漏模擬實(shí)驗(yàn)

基于延遲膨脹堵漏劑SDSAP，協(xié)同SDSCC、SDRUB、SDFIB，針對(duì)3 mm×2 mm、2 mm×1 mm、1 mm×0.5 mm 楔形裂縫，優(yōu)化了致密承壓封堵工作液配方，并進(jìn)行了封堵性能實(shí)驗(yàn)?？芍?，基于SDSAP 形成的堵漏配方針對(duì)1～3 mm 裂縫形成的封堵層承壓能力達(dá)7 MPa 以上，漏失量小于20 mL。且裂縫漏失量較少，有利于提高鉆井液現(xiàn)場(chǎng)防漏堵漏作業(yè)成功率，降低鉆井液漏失造成的損失。配方如下。

1 mm×0.5 mm 2%SDSAP（0.45～0.90 mm）+5%SDSCC（0.18～0.90 mm）+2%SDRUB（0.18～0.90 mm）+0.1%SDFIB

2 mm×1 mm 2% SDSAP（0.90～2.0 mm）+2%SDSAP（0.45～0.90 mm）+8%SDSCC（0.098～2.0 mm）+2%SDRUB（0.18～0.9 mm）+0.1%SDFIB

3 mm×2 mm 2%SDSAP（2.0～2.8 mm）+2%SDSAP（0.9～2.0 mm）+2%SDSAP（0.45～0.90 mm）+10%SDSCC（0.18～3.2 mm）+2%SDRUB（0.18～0.90 mm）+0.1%SDFIB

4.3 SDSAP封堵作用機(jī)理探討

堵漏材料在裂縫中位置及封堵區(qū)域結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。由圖6 可知，堵漏材料集中分布于裂縫近入口端及裂縫中部，且形成的封堵層十分致密，達(dá)到了較為理想的封堵?tīng)顟B(tài)。同時(shí)，SDSAP 能夠進(jìn)入裂縫深部，增強(qiáng)封堵層厚度，并廣泛充填于封堵層各個(gè)部位，強(qiáng)化了封堵層整體穩(wěn)定性。

圖6 不同開(kāi)度裂縫封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜合以上分析可知，延遲膨脹堵漏劑強(qiáng)化封堵層承壓能力機(jī)理可概括為：①延遲膨脹堵漏劑緊密充填于剛性碳酸鈣顆粒空隙間，有效提高了顆粒堆積體積分?jǐn)?shù)，提高封堵層致密程度；②具有延遲膨脹效應(yīng)，初始體積較小，可進(jìn)入裂縫深部，增強(qiáng)封堵層厚度，并廣泛分布于裂縫各個(gè)部位，強(qiáng)化封堵層整體承壓能力；③延遲膨脹堵漏劑進(jìn)入裂縫中還可繼續(xù)吸水膨脹，進(jìn)一步起到壓實(shí)、充填的作用，提高顆粒間接觸應(yīng)力，促進(jìn)“強(qiáng)力鏈”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成；④延遲膨脹堵漏劑具有一定的彈性變形能力，在壓力作用下可擠壓變形，提高了對(duì)不同開(kāi)度裂縫的適應(yīng)能力。

5 結(jié)論

1.研制了具有延遲膨脹效應(yīng)的堵漏劑SDSAP，密度為1.52 g/cm3，粒徑為0.425～3.35 mm。其具有良好的吸水膨脹性能、抗鹽性能，吸水膨脹后的抗壓性能良好。

2.SDSAP 在常溫下膨脹速度較低，容易進(jìn)入漏失通道；在地層高溫下快速吸水膨脹，有利于降低封堵層形成時(shí)間，減少漏失量。

3.基于SDSAP 協(xié)同復(fù)配剛性顆粒、彈性顆粒及纖維材料，優(yōu)化形成了針對(duì)1～3 mm 開(kāi)度裂縫的延遲膨脹堵漏配方，承壓能力超過(guò)7 MPa。

4.SDSAP 通過(guò)提高顆粒堆積體積分?jǐn)?shù)，增加顆粒間接觸應(yīng)力，增強(qiáng)封堵層的承壓能力，其受壓變形的特性使其對(duì)不同開(kāi)度裂縫具有一定自適應(yīng)能力，可用于解決復(fù)雜裂縫性地層井漏問(wèn)題。