新型延迟膨胀堵漏剂特性实验研究

2020-03-03臧晓宇邱正松暴丹苗海龙钟汉毅赵欣张现斌陈安亮

钻井液与完井液 2020年5期

臧晓宇，邱正松，暴丹，苗海龙，2，钟汉毅，赵欣，张现斌，陈安亮

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，河北三河 065201；3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300280）

0 引言

裂缝性漏失是钻井液的主要漏失形式之一，地层裂缝特征参数（开度、深度等）具有不确定和多尺度特性，传统的桥接堵漏材料可变形性较差，封堵效果对漏失通道尺寸较敏感，自适应性及广谱性较差，易产生封门或流失到裂缝深部，导致堵漏失败[1-10]。交联聚合物、凝胶状聚合物和吸水膨胀树脂等吸水膨胀后有一定弹塑性，对封堵裂缝的适应能力有一定改善[11-13]。但上述堵漏材料大多存在膨胀速度过快，封堵承压能力较低等缺陷。

针对上述问题，研制了一种具有高承压能力的新型延迟膨胀堵漏剂SDSAP。通过在聚合反应中控制交联密度及引入填充材料，使其在常温下具有较低的膨胀速度，更易进入漏失通道；在井底高温下可加快膨胀速度，有利于快速形成封堵层，降低钻井液漏失量；吸水膨胀后，具有优良的抗压性能，有利于提高封堵层稳定性。基于“强力链”网络结构的致密承压封堵机理，协同复配刚性、弹性和纤维等类型堵漏材料，实验优化形成延迟膨胀堵漏配方，其承压能力大于7 MPa，漏失量小于20 mL。

1 实验材料及仪器

1）实验材料。酰胺类单体、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）、过硫酸铵、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，化学纯；钠膨润土、改性纤维，工业品；NaCl、MgCl2、CaCl2，分析纯。

2）实验仪器。电热恒温水浴锅，高速搅拌器，高温滚子加热炉，电子振动筛分仪，高温高压堵漏模拟实验装置，压力试验机。

2 新型延迟膨胀堵漏剂SDSAP 的研制

高温溶胀型聚合物是具有空间网络结构的高分子材料，其吸水膨胀性能随温度升高而发生变化。研究表明，通过大分子改性设计、物理掺杂、引入温度敏感官能团、控制交联密度等，可赋予产物一定的温度响应特性[14-15]。基于上述研究思路，选择酰胺类单体、阳离子单体DMDAAC 作为主要合成原料，研制新型延迟膨胀堵漏剂SDSAP，并进行综合性能分析。

2.1 新型延迟膨胀堵漏剂的制备

将酰胺类单体、DMDAAC 及引发剂（过硫酸铵）溶解于冰水中，提高温度至55 ℃进行引发，DMDAAC 单体产生自由基，与酰胺类单体发生共聚反应形成分子链，在分子链增长过程中加入交联剂（N，N′-亚甲基双丙烯酰胺）进行交联反应，形成具有三维网络结构的共聚物，然后加入改性纤维及钠膨润土，使其复合在凝胶网络内，以改变材料的结构，并通过支撑定形作用改善产品力学性能。以体积膨胀倍数作为主要评价指标，通过正交实验和单因素分析，优化得出最优单体浓度、单体配比、交联剂和引发剂浓度及反应温度。将反应结束得到的弹性凝胶体取出，真空干燥、剪切造粒，得到新型延迟膨胀堵漏剂SDSAP。

2.2 红外光谱表征

将SDSAP 产品进行红外光谱表征，结果见图1。可知，在1659 cm-1附近出现酰胺基团的C颒O特征吸收峰，3409 cm-1附近出现酰胺基团的N—H吸收峰，反映了样品中存在酰胺基团；1300～1500 cm-1的谱带区是由含C—C、C—N 链的五元环伸缩振动引起的，表明DMDAAC 单体链接到了分子链上，证明经过反应得到了设计产物。

图1 SDSAP 红外光谱图

3 延迟膨胀颗粒堵漏剂特性评价

3.1 吸水膨胀性能

该研究采用体积膨胀倍数作为吸水膨胀性能的评价指标，体积膨胀倍数计算公式见式（1）。

式中：Qn为tn时刻堵漏剂的体积膨胀倍数，倍；V0为堵漏剂初始体积，cm3；Vn为tn时刻堵漏剂吸水膨胀后的体积，cm3；m0为堵漏剂的初始质量，g；mn为tn时刻堵漏剂的质量，g；ρ为堵漏剂吸收介质的密度，g/cm3。

分别以自来水、堵漏基浆（4%膨润土浆+0.4%CMC-HV）、钾铵基聚磺钻井液作为介质，在80 ℃下，测试了粒径为2.00～3.20 mm 的SDSAP 体积膨胀倍数，结果见图2。可知，SDSAP 在不同介质中具有良好的吸水膨胀性能。

图2 不同介质中SDSAP 体积膨胀倍数（80 ℃）

3.2 抗压性能

当作用于堵漏材料的力超过其抗压强度时，堵漏材料就会发生破碎，导致封堵层破坏，进而使漏失通道重启[3，16]。使用压力机向延迟膨胀堵漏剂加压，模拟堵漏剂在地层中的受力情况，测试吸水前后在15 MPa 下稳压10 min 后D90、D50、D10粒度降级率，并称量堵漏剂受压后过0.90 mm 标准筛的筛余量，计算破碎率，结果见图3。可知，吸水膨胀前受压粒度降级率为38.29%，破碎率大，具有一定的脆性；吸水膨胀后，受压粒度降级率明显减小，破碎率仅为2.83%，材料由硬脆性向弹塑性转变，抗压强度增大，有利于在漏失通道中滞留，增强封堵层的稳定性。

图3 SDSAP 抗压强度测试结果

3.3 抗盐性能

称量5 g 粒径为2.00～3.20 mm 的延迟膨胀堵漏剂SDSAP，浸泡于80 ℃的不同盐溶液中，测定其体积膨胀倍数与时间关系，结果见图4。可知，无机盐离子对SDSAP 的吸水膨胀性能有一定抑制作用，在复合盐水中，15 h 体积膨胀倍数也在5 倍以上，保证了其在高矿化度下仍有一定的膨胀作用。

图4 不同盐溶液中SDSAP 体积膨胀倍数与时间关系

3.4 延迟膨胀特性

SDSAP 的网络结构由大分子链、交联化学键及氢键组成，在制备过程中提高交联密度来形成紧密的三维网络结构，控制吸水膨胀性能，确保低温下具有相对较低的吸水膨胀速率。随着温度升高，部分大分子链间的交联键逐渐水解，使SDSAP 的交联密度降低，网络结构中的空间增大[15]；同时温度升高对酰胺基团的水解具有促进作用，酰胺基团水解后生成的羧酸基团中的氧原子易与水分子的氢原子结合形成氢键，促进水分子进入聚合物的三维网络空间中，进一步提高膨胀速度。

在不同温度下，测试了SDSAP 在堵漏基浆、钾铵基聚磺钻井液及添加10% NaCl 的堵漏基浆中的饱和吸水膨胀倍数，结果见图5。

图5 温度对SDSAP 吸水膨胀性能影响

可知，当温度低于80 ℃时，由于此时网络结构交联密度较高，达到饱和吸水后的体积膨胀倍数较小；当温度为80～120 ℃时，由于部分交联键的水解作用，网络结构释放出空间以容纳更多的水分，因此达到饱和吸水后的体积膨胀倍数发生较大幅度的提升；继续升高温度，更多交联键发生断裂，此时的交联程度不足以维持有效的吸水网络结构，饱和吸水后的体积膨胀倍数出现下降趋势。

选取几种不同类型的膨胀类堵漏剂SAP-1、SAP-2、SAP-3 及SDSAP，以不同时刻体积（Vn）与饱和吸水后的体积（Vmax）的比值（Vn/Vmax）作为评价指标，进行吸水膨胀性能对比测试，结果见表1。由表1 可知，在20 ℃下SDSAP 的膨胀速度最低，且在24 h 仍未达到饱和吸水，表明其具有良好的持续膨胀性能；当温度升至120 ℃时，SDSAP 老化2 h 后即接近饱和吸水膨胀，有利于快速形成封堵层。现场施工时，利用地面及井底存在的温度差，实现配浆及泵送过程中缓慢吸水膨胀，从而控制堵漏剂进入漏失通道前的体积。进入漏失通道后，在地层高温作用下，延迟膨胀堵漏剂快速吸水膨胀，从而在较短时间内形成封堵层，降低钻井液漏失量。

表1 不同类型堵漏剂膨胀性能

4 延迟膨胀堵漏工作液配方构建

4.1 堵漏材料的优选

基于研制的延迟膨胀堵漏剂SDSAP，协同复配刚性颗粒、弹性颗粒和纤维等不同类型防漏堵漏材料，构建适用1～3 mm 开度裂缝的致密承压堵漏工作液配方。其中，刚性颗粒优选碳酸钙颗粒SDSCC，具有较高的抗压强度，作为封堵层骨架；弹性颗粒优选弹性橡胶SDRUB，粒径小、弹性好，进一步充填封堵层间隙，增加封堵层致密性；纤维优选纤维强化堵漏剂SDFIB，其具有较高的抗拉强度，交错成网状结构，可增加封堵层剪切强度和整体稳定性[17]；延迟膨胀堵漏剂SDSAP，增强对裂缝自适应性，提高封堵层承压能力，形成具有“强力链网络”的致密承压封堵层。

4.2 堵漏模拟实验

基于延迟膨胀堵漏剂SDSAP，协同SDSCC、SDRUB、SDFIB，针对3 mm×2 mm、2 mm×1 mm、1 mm×0.5 mm 楔形裂缝，优化了致密承压封堵工作液配方，并进行了封堵性能实验。可知，基于SDSAP 形成的堵漏配方针对1～3 mm 裂缝形成的封堵层承压能力达7 MPa 以上，漏失量小于20 mL。且裂缝漏失量较少，有利于提高钻井液现场防漏堵漏作业成功率，降低钻井液漏失造成的损失。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封堵作用机理探讨

堵漏材料在裂缝中位置及封堵区域结构见图6。由图6 可知，堵漏材料集中分布于裂缝近入口端及裂缝中部，且形成的封堵层十分致密，达到了较为理想的封堵状态。同时，SDSAP 能够进入裂缝深部，增强封堵层厚度，并广泛充填于封堵层各个部位，强化了封堵层整体稳定性。

图6 不同开度裂缝封堵实验结果

综合以上分析可知，延迟膨胀堵漏剂强化封堵层承压能力机理可概括为：①延迟膨胀堵漏剂紧密充填于刚性碳酸钙颗粒空隙间，有效提高了颗粒堆积体积分数，提高封堵层致密程度；②具有延迟膨胀效应，初始体积较小，可进入裂缝深部，增强封堵层厚度，并广泛分布于裂缝各个部位，强化封堵层整体承压能力；③延迟膨胀堵漏剂进入裂缝中还可继续吸水膨胀，进一步起到压实、充填的作用，提高颗粒间接触应力，促进“强力链”网络结构的形成；④延迟膨胀堵漏剂具有一定的弹性变形能力，在压力作用下可挤压变形，提高了对不同开度裂缝的适应能力。