耐溫耐鹽暫堵化學(xué)橋塞體系研究與性能評(píng)價(jià)

王翔，郭繼香，王文昌，張世嶺，楊矞琦，陳金梅

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000)

由于地質(zhì)或工程因素導(dǎo)致的井筒漏失一直是國(guó)內(nèi)外油田現(xiàn)場(chǎng)亟待解決的技術(shù)難題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有1/4的井會(huì)發(fā)生井漏事故，甚至出現(xiàn)惡性漏失[2]，經(jīng)濟(jì)損失巨大[3-4]。21世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同垮塌漏失類型對(duì)凝膠堵漏劑開展了較多的研究，主要集中于耐溫承壓等方面[5-11]，但塔河油田高溫(120～150 ℃)、高鹽(2×105～2.5×105mg/L) 的特點(diǎn)導(dǎo)致了常規(guī)凝膠堵劑無法滿足井筒處理要求，封堵效果有限[12]。本文針對(duì)塔河油田現(xiàn)場(chǎng)井筒垮塌漏失治理難題，研究出一種能適應(yīng)井筒高溫高壓環(huán)境，并滿足現(xiàn)場(chǎng)高礦化度地層水配制，達(dá)到平衡井筒壓力或封堵漏失地層效果的暫堵化學(xué)橋塞體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

丙烯酰胺(AM)、氯化鈉、氯化鈣、無水氯化鎂均為分析純；耐高溫聚丙烯酰胺(SDP-1，相對(duì)分子質(zhì)量為800萬)、V型交聯(lián)劑、偶氮二異丁脒鹽酸鹽V-50、耐高溫改性淀粉均為工業(yè)級(jí)；實(shí)驗(yàn)用水為塔河油田24×104mg/L模擬地層水，水質(zhì)離子濃度(g/L)組成見表1。

表1 塔河油田24×104mg/L模擬地層水離子組成Table 1 Ion composition of simulated formation water 24×104mg/L in Tahe oilfield

FA2004C型電子天平；DHG型電熱鼓風(fēng)干燥箱；JJ-1型數(shù)顯電動(dòng)攪拌器；高溫高壓HAAkE Mars Ⅲ型流變儀；FEI Quanta 200F型冷場(chǎng)環(huán)境掃描電鏡；P110S型突破壓力評(píng)價(jià)裝置，自制。

1.2 暫堵化學(xué)橋塞體系制備

按照表1配制24×104mg/L的模擬地層水，其他礦化度的模擬地層水可由礦化度為24×104mg/L模擬地層水稀釋得到。量取一定量模擬地層水作為分散介質(zhì)，加入丙烯酰胺單體和耐高溫聚丙烯酰胺，攪拌一段時(shí)間使其均勻分散，待其充分溶解后，緩慢加入適量引發(fā)劑V-50，攪拌均勻后，逐漸加入一定量的V型交聯(lián)劑，隨后加入復(fù)配增強(qiáng)劑，繼續(xù)充分?jǐn)嚢柚辆嗪笮纬蓵憾禄瘜W(xué)橋塞體系預(yù)凝膠溶液。

1.3 性能評(píng)價(jià)

1.3.1 暫堵化學(xué)橋塞體系強(qiáng)度評(píng)價(jià) 將預(yù)溶液注入安瓿瓶約25 mL抽真空后放置于恒溫140 ℃的烘箱中成膠，采用目測(cè)代碼法篩選配方[13]。在觀察到凝膠開始形成后，通過將安瓿瓶倒置來觀察其膠液的流動(dòng)狀態(tài)，并與目測(cè)代碼強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，以此來判斷凝膠強(qiáng)度。

1.3.2 暫堵化學(xué)橋塞體系突破壓力評(píng)價(jià) 將配制好的暫堵化學(xué)橋塞體系預(yù)凝膠溶液注入不銹鋼管中，用螺帽封堵兩端，置于140 ℃烘箱中恒溫成膠。待凝膠形成后，將平流泵連接至裝置底部，以10 mL/min 左右的水流量持續(xù)注水，管中凝膠在受到水的推力后緩慢上移，直到突破。整個(gè)過程的瞬時(shí)壓力值可由壓力傳感器傳遞到信號(hào)處理器中，并在電腦終端實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)?shù)姿畬⒛z膠塞完全突破時(shí)，壓力傳感器的壓力值會(huì)發(fā)生急劇變化，此時(shí)顯示的壓力峰值即為凝膠的突破壓力。

1.3.3 暫堵化學(xué)橋塞體系流變性評(píng)價(jià) 采用流變儀測(cè)量暫堵化學(xué)橋塞體系的流變性能，如凝膠的黏彈性、蠕變-回復(fù)性能等，以此來評(píng)價(jià)凝膠的強(qiáng)度和形變/應(yīng)變能力。

1.3.3.1 黏彈性 通過改變剪切頻率(0.1 ～10 Hz)測(cè)試模擬地層水礦化度分別為0，6×104，12×104，24×104mg/L時(shí)配制的暫堵化學(xué)橋塞體系黏彈性變化曲線。

1.3.3.2 蠕變-回復(fù)性能 固定屈服應(yīng)力值為400 Pa， 測(cè)量復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉配制暫堵化學(xué)橋塞體系在該應(yīng)力值下的形變性質(zhì)及應(yīng)變能力。

1.3.4 暫堵化學(xué)橋塞體系微觀結(jié)構(gòu)分析 將在140 ℃下恒溫成膠后的凝膠樣品密閉干燥處理，隨后采用冷場(chǎng)環(huán)境掃描電鏡觀察凝膠微觀結(jié)構(gòu)和表面特征，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，從而在機(jī)理上解釋體系凝膠強(qiáng)度發(fā)生變化的根本原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 暫堵化學(xué)橋塞體系配方優(yōu)選

2.1.1 交聯(lián)劑濃度優(yōu)選 通過改變V型交聯(lián)劑質(zhì)量濃度(0.1%～2.0%)，在140 ℃下觀察其成膠強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

表2 不同交聯(lián)劑濃度下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠強(qiáng)度Table 2 Gelation strength of temporary plugging chemical bridge plug system under different crosslinking agent concentrations

由表2可知，當(dāng)交聯(lián)劑濃度小于0.3%時(shí)，體系無法成膠；當(dāng)交聯(lián)劑濃度為0.3%時(shí)，可形成I級(jí)強(qiáng)凝膠；當(dāng)交聯(lián)劑濃度大于0.3%時(shí)，短時(shí)間內(nèi)凝膠強(qiáng)度可以達(dá)到I級(jí)，但隨著時(shí)間推移凝膠強(qiáng)度減弱冰伴有逐漸分水現(xiàn)象，原因是交聯(lián)劑濃度過大會(huì)引起過交聯(lián)現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致體系的保水效果有一定程度的下降。因此，確定體系交聯(lián)劑濃度為0.3%。

2.1.2 引發(fā)劑濃度優(yōu)選 聚合單體丙烯酰胺的濃度為10.0%，V型交聯(lián)劑濃度為0.3%，在140 ℃條件下，考察引發(fā)劑濃度對(duì)體系成膠效果的影響,結(jié)果見表3。

由表3可知，引發(fā)劑濃度為0.01%時(shí)在4 h可形成I級(jí)凝膠，且引發(fā)劑濃度的增大可增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度，但過高的引發(fā)劑濃度會(huì)加快聚合反應(yīng)的速率，縮短體系的成膠時(shí)間，影響現(xiàn)場(chǎng)的使用，因此引發(fā)劑的濃度為0.01%最為合理。

表3 不同濃度引發(fā)劑下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠強(qiáng)度Table 3 Gelation strength of temporary plugging chemical bridge plug system with different concentrations of initiator

2.1.3 聚合物濃度優(yōu)選 凝膠在成膠的過程中共聚-交聯(lián)反應(yīng)同步進(jìn)行，因此聚合物的濃度對(duì)成膠效果有重要影響，當(dāng)交聯(lián)劑的濃度一定時(shí)，聚合物的加量會(huì)直接影響凝膠在高溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。單體丙烯酰胺濃度為10.0%，V型交聯(lián)劑濃度為0.3%，引發(fā)劑濃度為0.01%。在140 ℃的溫度下，考察不同聚合物濃度下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠情況,結(jié)果見表4。

表4 不同聚合物濃度下暫堵化學(xué)橋塞體系的成膠強(qiáng)度Table 4 Gelation strength of temporary plugging chemical bridge plug system under different polymer concentrations

由表4可知，恒溫140 ℃，4 h，聚合物濃度>0.3%時(shí)形成I級(jí)凝膠，24 h后依然可保持I級(jí)強(qiáng)度，但聚合物濃度<0.3%時(shí)，膠體強(qiáng)度較弱，出現(xiàn)分水現(xiàn)象，原因在于聚合物濃度較低時(shí)會(huì)引起過交聯(lián)現(xiàn)象發(fā)生，交聯(lián)密度的增加使得凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被限制，力學(xué)強(qiáng)度顯著降低，凝膠在高溫下的穩(wěn)定性也隨之降低。因此，確定體系聚合物濃度為0.3%。

2.2 暫堵化學(xué)橋塞體系突破壓力評(píng)價(jià)

2.2.1 地層水礦化度對(duì)突破壓力的影響 采用礦化度為12×104mg/L和24×104mg/L的模擬地層水配制體系，耐高溫改性淀粉作復(fù)配增強(qiáng)劑，研究不同礦化度地層水對(duì)體系突破壓力的影響，其凝膠形態(tài)和突破過程分別見圖2和圖3。

圖1 突破壓力測(cè)定裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of breakthrough pressure measuring device

圖2 12×104 mg/L模擬地層水配制下凝膠突破過程Fig.2 12×104 mg/L simulated formation water to prepare gel breakthrough process

圖3 24×104 mg/L模擬地層水配制下凝膠突破過程Fig.3 24×104 mg/L simulated formation water to prepare gel breakthrough process

實(shí)驗(yàn)表明，模擬地層水的礦化度為12×104mg/L時(shí)，突破壓力為246 kPa/m；模擬地層水的礦化度為24×104mg/L時(shí)，突破壓力為2 038 kPa/m，由此可知，地層水礦化度增大會(huì)直接影響體系的凝膠強(qiáng)度，突破壓力會(huì)大幅提升。

2.2.2 復(fù)配增強(qiáng)劑對(duì)突破壓力的影響 選用礦化度為24×104mg/L的模擬地層水和復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉配制體系，隨后在Ф25 mm×200 mm的不銹鋼管中注入10 cm高的預(yù)溶液，140 ℃下成膠6 h后冷卻至室溫進(jìn)行突破壓力測(cè)量，其凝膠形態(tài)和突破過程見圖4。

圖4 耐高溫改性淀粉作增強(qiáng)劑下的凝膠形態(tài)和突破過程Fig.4 Gel morphology and breakthrough process of high temperature resistant modified starch as enhancer

由圖4可知，耐高溫改性淀粉作為暫堵化學(xué)橋塞體系的復(fù)配增強(qiáng)劑時(shí)，凝膠在中心鼓泡約3 cm后突破，整體保持良好的機(jī)械蠕變性能和較強(qiáng)的柔韌性，此時(shí)的突破壓力為2 128 kPa/m。

2.2.3 膠塞長(zhǎng)度對(duì)突破壓力的影響 在5根同規(guī)格的鋼管中分別注入5，10，15，20，25 cm的預(yù)溶液，140 ℃下成膠6 h再冷卻至室溫測(cè)量突破壓力值，壓力信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系曲線見圖5。壓力傳感器以大氣壓力為基準(zhǔn)值，讀數(shù)100.1 kPa，而曲線峰值則代表不同膠塞長(zhǎng)度下的瞬時(shí)突破壓力。

圖5 不同長(zhǎng)度膠塞的突破過程曲線Fig.5 Breakthrough curves of different lengths of rubber plugs

由圖5可知，膠塞長(zhǎng)度與突破壓力呈正相關(guān)，膠塞長(zhǎng)度越長(zhǎng)，突破壓力值越大。

不同膠塞長(zhǎng)度下的突破壓力值的擬合，結(jié)果見圖6。

圖6 突破壓力隨膠塞長(zhǎng)度的變化曲線Fig.6 Curve of breakthrough pressure with rubber plug length

由圖6可知，其變化趨勢(shì)近似二次函數(shù)增長(zhǎng)，突破壓力值(y)與膠塞長(zhǎng)度(x)遵循以下規(guī)律(壓力單位為kPa，膠塞長(zhǎng)度單位為m)。

x=(3.67×10-5y2+1.85×10-2y+4.1)/100

(1)

因此，在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)膠塞承壓要求，通過式(1)求得所需的膠塞長(zhǎng)度，滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求。

2.3 暫堵化學(xué)橋塞體系流變性評(píng)價(jià)

2.3.1 地層水礦化度對(duì)黏彈性的影響 彈性模量(G′)和黏性模量(G″)可分別用于評(píng)價(jià)凝膠的強(qiáng)度和黏性。實(shí)驗(yàn)采用不同礦化度模擬地層水配制暫堵化學(xué)橋塞體系，通過測(cè)量不同剪切頻率下凝膠的黏彈性來研究地層水礦化度對(duì)成膠強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 不同礦化度模擬地層水配制凝膠的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)Fig.7 Elastic modulus(G′) and viscosity modulus(G″) of the gel prepared from different mineralization levels

由圖7可知，凝膠體系的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨礦化度的增大而增大，這說明地層水的礦化度對(duì)體系的成膠強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，可能在一定程度上改善了凝膠的結(jié)構(gòu)；當(dāng)固定剪切頻率f=1 Hz時(shí)，用去離子水配制的凝膠彈性模量為358 Pa，而礦化度為24×104mg/L的模擬地層水配制的凝膠彈性模量為757 Pa，強(qiáng)度增加了約1倍，而此時(shí)凝膠的黏性模量為282 Pa，也增加了接近1倍。但相對(duì)彈性模量來說，礦化度對(duì)黏性模量的增加作用更明顯，G′和G″的增大也反映出凝膠抵抗變形和壓縮的能力的增強(qiáng)。

2.3.2 復(fù)配增強(qiáng)劑對(duì)蠕變-回復(fù)性能的影響 選用耐高溫改性淀粉復(fù)配體系，研究復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉對(duì)于凝膠體系形/應(yīng)變能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 耐高溫改性淀粉復(fù)配凝膠的蠕變回復(fù)性Fig.8 Creep recovery of high temperature modified starch composite gel

由圖8可知，施加400 Pa的外加應(yīng)力條件下，由耐高溫改性淀粉作增強(qiáng)劑體系凝膠在應(yīng)力卸載后能迅速恢復(fù)形變，從開始恢復(fù)形變到形變不再變化的時(shí)間需要50 s，凝膠的形變恢復(fù)能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的柔韌性，其原因在于耐高溫改性淀粉復(fù)配的體系凝膠擁有較高的黏性模量和彈性模量，由于黏滯力和彈力等力學(xué)因素的影響，在恢復(fù)形變時(shí)有一定的能量損耗，因而具有良好的應(yīng)變能力。

2.4 暫堵化學(xué)橋塞體系微觀結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 復(fù)配增強(qiáng)劑對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響 對(duì)不加復(fù)配增強(qiáng)劑(見圖9a)和加入復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉(見圖9b)的暫堵化學(xué)橋塞體系密閉干燥后進(jìn)行冷場(chǎng)環(huán)境掃描電鏡觀察，在同等放大倍數(shù)(1 000倍)下發(fā)現(xiàn)：不加復(fù)配增強(qiáng)劑的凝膠體系表面有細(xì)小緊密的突起褶皺；而加入復(fù)配增強(qiáng)劑的暫堵化學(xué)橋塞體系凝膠表面突起大，褶皺十分明顯，在宏觀上表現(xiàn)出比普通凝膠更好的彈性和拉伸延展性。

圖9 冷場(chǎng)環(huán)境電鏡拍攝凝膠表面形貌對(duì)比Fig.9 Comparison of gel surface morphology under cold field electron microscope

2.4.2 復(fù)配增強(qiáng)劑加劑量對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響 將復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉加量由0.8%增加為1.5%，微觀形貌(圖10a)顯示，耐高溫改性淀粉為0.8%時(shí)凝膠的褶皺表面較為光滑，而加量為1.5%時(shí)有大量樹枝狀/鱗片狀的片層吸附于凝膠褶皺表面(見圖10b)，在一定程度可起到穩(wěn)固網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用，但過量淀粉的堆砌會(huì)導(dǎo)致凝膠保水性減弱，同時(shí)也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

圖10 不同耐高溫改性淀粉加量下凝膠表面形貌對(duì)比Fig.10 Comparison of surface morphology of gelatin under different high temperature modified starch dosage

2.4.3 地層水礦化度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響 使用冷場(chǎng)環(huán)境掃描電鏡分別對(duì)去離子水(見圖11a)、12×104mg/L模擬地層水(見圖11b)和24×104mg/L模擬地層水(見圖11c)配制的體系凝膠表面進(jìn)行觀察。

圖11 不同礦化度模擬地層水下的凝膠表面形貌對(duì)比Fig.11 Comparison of gel surface morphology under simulated salinity with different salinity

結(jié)果可知,去離子水配制的體系凝膠表面褶皺光滑，12×104mg/L模擬地層水配制的凝膠表面褶皺上附著有大量顆粒物，而24×104mg/L模擬地層水配制的凝膠表面的顆粒物增多，大量附著在褶皺表面甚至堆砌在褶皺形成的凹槽中。將圖c再放大5 000倍(見圖d)，觀察到顆粒物片層在樹狀褶皺表面的聚結(jié)吸附，推測(cè)其可能是凝膠形成過程中溶液過飽和而析出的無機(jī)鹽，無機(jī)鹽顆粒吸附堆砌在凝膠骨架結(jié)構(gòu)表面，起到提高凝膠強(qiáng)度的作用，與不同礦化度凝膠黏彈性測(cè)量結(jié)果較為一致，也為暫堵化學(xué)橋塞體系具有良好的耐鹽性提供了證明。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)塔河油田井筒垮塌漏失井治理難題，研究出一種耐溫耐鹽暫堵化學(xué)橋塞體系，其配方組成為(%)：10%丙烯酰胺+0.3%耐高溫聚丙烯酰胺SDP-1+0.3%V型交聯(lián)劑+0.01%引發(fā)劑V-50+0.8%復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉+模擬地層水，膠液在140 ℃下成膠，具有良好的耐溫耐鹽承壓性能。

(2)地層水礦化度對(duì)凝膠的突破壓力有較大影響，礦化度增加1倍，突破壓力可提升10倍以上；而復(fù)配增強(qiáng)劑的加入可使得體系的突破壓力達(dá)2 128 kPa/m； 凝膠的突破過程以中間鼓泡形式發(fā)生，說明凝膠本身具有較強(qiáng)的柔韌性，且對(duì)管壁有較強(qiáng)的黏附力，表現(xiàn)出良好的承壓能力。

(3)彈性模量G′和黏性模量G″隨地層水礦化度升高增大，剪切頻率為1 Hz時(shí)，礦化度為24×104mg/L 模擬地層水配制的體系彈性模量G′和黏性模量G″分別為757 Pa和282 Pa，高礦化度地層水對(duì)凝膠樹狀結(jié)構(gòu)的改善使得其抵抗變形和壓縮的能力顯著增強(qiáng)；復(fù)配增強(qiáng)劑耐高溫改性淀粉的加入使得體系具有較強(qiáng)的彈性和一定的黏附性，宏觀上顯示出體系整體性能的提升。

(4)高礦化度地層水在凝膠形成過程中會(huì)過飽和析出無機(jī)鹽顆粒物，這些顆粒物在樹狀褶皺表面或凹槽進(jìn)行聚結(jié)吸附，堆砌在凝膠骨架結(jié)構(gòu)表面，起到提高凝膠強(qiáng)度的作用，表現(xiàn)為凝膠良好的耐鹽性。