一种智能结构性流体前置堵漏工作液体系_胡耀太.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .生产技术一种智能结构性流体前置堵漏工作液体系胡耀太，赫英状，易 浩，周亚军，严思明（西南石油大学化学化工学院，四川 成都；中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐；中原石油工程公司固井公司，河南 濮阳）摘 要：针对顺北油田在堵漏过程中常规酸溶性水泥浆体系无法暂驻和后期解堵问题，以疏水缔合聚合物为堵漏剂，以、为时间调节剂，研制出一种能在漏失通道有效驻留且后期易解堵的智能结构性流体前置堵漏工作液体系，并对该体系的地面可流动时间、抗温性、触变性、承压能力、配伍性、解堵能力等性能进行了研究。结果表明：利用疏水缔合聚合物可以配制出.的高浓度前置堵漏工作液，地面可流动时间大于，解决了高浓度堵漏剂上水性差的问题；.前置堵漏工作液体系在 的保留黏度为，抗温性能良好；下.前置堵漏工作液体系触变能为，在不同剪切区内，前置堵漏工作液体系的触变指数均大于普通堵漏剂；对 裂缝，.智前置堵漏工作液体系注入 即能满足承压 的要求，封堵能力强；、后几乎完全解堵，其黏度仅为，自动解堵能力优异，后续工程中无需进行单独解堵；体系与泥浆和后置水泥浆配伍性好，不影响后续水泥浆稠化时间。前置堵漏工作液体系适用于高温、大裂缝、大孔洞等漏失性地层前端暂堵作业。关键词：堵漏；结构性流体；承压能力；解堵能力；配伍性；性能评价中图分类号：文献标志码：文章编号：（）基金项目：国家科技重大专项“缝洞型油藏提高采收率配套工艺技术示范”（项目编号）、“大型油气田及煤层气开发海相碳酸盐岩超深油气井关键工程技术”（项目编号），中国石化科技部项目“顺北油气田一区优快钻井技术研究”（项目编号），中国石化科技部项目“顺北一区易漏失地层固井技术研究与应用可酸溶水泥浆堵漏技术评价与优化”（项目编号）。第一作者：胡耀太（），男，在读研究生，要从事油井水泥外加剂开发和应用。通讯作者：严思明（），男，教授，主要从事油田化学方面的教学和研究工作。，（，；，；，）：，.，.，.，.，.，.，.，.：；第 卷第 期胡耀太，等：一种智能结构性流体前置堵漏工作液体系 井漏是钻井过程中常见的井下事故，给油田开发带来了巨大经济损失。新疆顺北地区奥陶系碳酸盐岩储层岩石胶结性差、断裂带活动较强，地层破碎、缝网发育；天然裂缝约.；天然孔隙约.；断裂带和破碎性地层是该地区经常井漏的主要原因。该地区漏失主要是以裂缝型为主，包括天然裂缝、人工诱导裂缝、压裂裂缝；宽度可达到 ；漏失层温度高，漏失量大，常规的堵漏剂和堵漏措施成功率低。由于漏失涉及油层，要求堵漏材料在后期开采过程中可以用简单方法解堵，现场实践表明，可酸溶性水泥浆堵漏方法较适合该地区。在堵漏施工过程中，需可酸溶性水泥浆进入地层一定深度，但工程实践表明，水泥浆在地层中难以驻留，需要开发一种能提高地层承压能力的前置承托液，增强水泥浆的驻留能力。该地区的前置型聚合物堵漏工作液体系的要求是：能在地面配制高浓度堵漏工作液体系且地面可流动时间可调控；在高温下、一定时间内强度高且抗温能力强；在一定时间范围内可自动热降解或自然降解的特性，以便后期解堵和返排。智能结构性流体前置堵漏工作液体系兼有液体和半固体的性质，具有较好进入地层的能力，能形变并完全填充漏失通道；可通过黏度、黏弹性、触变性、流出膨胀性等作用，在地层中适当的注入距离下产生一定的承压能力，为后续水泥浆提高驻留支撑能力，是适合该地区前置堵漏工作液体系。通常堵漏剂浓度越高，其在裂缝和孔洞介质中的流动阻力越大，相同注入距离下承压能力越大。部分水解聚丙烯酰胺（）及其铬、铝、甲醛交联体系是价格低廉、配制容易的一种凝胶体系，常用作油田堵水、调配、暂堵等工程，溶解速度快、在满足凝胶强度要求的交联剂浓度条件下成胶时间快，使地面配制上水好的高浓度凝胶困难。疏水缔合聚合物是近年开发出的一种具有独特性能的功能高分子聚合物，其疏水基团缔合形成可逆交联结构，在高剪切下交联结构减弱或拆散，在低剪切或静止时交联结构恢复，相同条件下抗温能力强，已用于油田聚合物驱油、调剖、堵水等方面。针对新疆顺北地区奥陶系碳酸盐岩储层酸溶性水泥浆堵漏前置暂堵工作液的要求，选用一种可盐调控地面可流动时间的改性疏水缔合聚合物，开发一种智能结构性流体前置堵漏工作液体系，有重要的实际应用意义。实 验.材料与仪器疏水缔合聚合物（干粉），四川光亚聚合物有限公司；部分水解聚丙烯酰胺（）、氯化钙、氯化钾均为化学纯，成都科隆化工试剂厂；碳酸钙（目、目），石家庄大恒矿产品加工有限公司；级高抗硫油井水泥，嘉华特种水泥股份有限公司；高分子降失水剂、醛酮缩合物减阻剂、消泡剂、聚羧酸类缓凝剂，成都欧美克石油科技股份有限公司。型流变仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；型多功能岩心驱替装置，海安石油科研仪器有限公司；型滚子加热炉，青岛同春石油仪器有限公司；六速旋转黏度计，青岛海通达专用仪器有限公司；型增压稠化仪，辽宁贝斯瑞德石油装备制造有限公司；改装钢珠堵漏实验装置、槽型实岩心、钢珠（粒径 与），自制。.实验方法.智能结构性流体前置堵漏工作液体系（堵漏工作液，下同）配制按实验所需浓度，在低速搅拌下将疏水缔合聚合物在室温下加入蒸馏水中充分水解，熟化 ，用 转速在低速离心机运行 消泡，制得堵漏工作液体系。.堵漏工作液地面可流动时间调控分别在一定浓度的、溶液中加入一定量的疏水缔合聚合物，并在室温下分别溶解 后，用六速旋转黏度计测定 下的黏度，考察、溶液浓度对地面可流动时间的影响。.堵漏工作液抗温性能测定用 流变仪和同轴圆筒系统在 剪切速率为.时，分别测试不同浓度堵漏工作液的黏温曲线。.堵漏工作液触变指数测定触变指数（，）是反映流体在剪切力的作用下结构被破坏后恢复原有结构能力大小的方法之一，该指数的测定方法是：下，用 流变仪，采用两个相差 倍的剪切速率，分别测定流体的表观黏度 低速和高速。结合疏水缔合聚合物的特点和工程要求，为反映不同流速下的触变性，定义.为高剪切区、.为中剪切区、.为低剪切区。不同剪切速率区间的触变指数按式（）计算：低速高速（）式中：触变指数，量纲 表观黏度，.堵漏工作液触变能测定特定温度下，用 流变仪，在.剪切范围内，先由低向高、再由高向低在 恒剪切测试，通过仪器自带软件分别计算上行曲线和下行曲线组成的触变环滞后面积，面积之差即为触变能。.堵漏工作液的承压能力测定裂缝中堵漏工作液的承压能力测定：为更加接近实际地层模拟堵漏工作液在裂缝中的工作状态，采用低渗（气测渗透率）人造方岩心为基质材料，加工不同宽度的模拟裂缝模具（尺寸为 ），如图 所示，槽深为 ，槽宽分别为、，用多功能岩心驱替装置测试其封堵启动压力梯度，评价堵漏工作液的封堵能力。图 、裂缝岩心实物图.，将方岩心模型抽真空、充分饱和水后装入岩心夹持器中，将烘箱设置为相应温度，取不同浓度的堵漏工作液装入中间容器内，用手动压力泵在恒压条件下，以 的流速将溶液泵入至模型裂缝处，待夹持器出口匀速流出溶液后，停止注入，清洗掉除岩心模型以外所有的聚合物，封闭夹持器，候凝；使出口端压力等同于大气压，用手动压力泵加压，每次加压.，当压力高于.时，每次加压.，广 州 化 工 年 月直至出口端有液体流出，此时进口端压力表上的读数即为堵漏工作液的突破压力。图 改装后的高温高压滤失仪模型.孔洞中堵漏工作液的承压能力测定：将不同浓度的堵漏工作液装入改装后的高温高压滤失仪内，再将不同粒径的钢珠压入堵漏工作液体系内，使得钢珠充满整个空间（如图 所示），一端用进液阀密封，另一端用一定宽度缝隙堵头密封；高温高压滤失仪置于烘箱内升温至实验温度，候凝 ；打开出口阀，使出口端压力等同于大气压；用手动泵加压，每次加压.，当压力高于.时，每次加压.，直至出口端有液体流出，入口端压力迅速持续下降为止，此时进口端压力表上的读数即为堵漏工作液的突破压力。突破压力梯度值按式（）计算：破突（）式中：破 突破压力梯度，突 突破压力，岩心长度或钢珠填充长度，工程要求小于 段塞长度的承压能力大于.，视为满足要求。满足.承压能力的塞长度按式（）计算：破（）式中：破 突破压力梯度，承压强度，.满足.的段塞长度，.堵漏工作液的配伍性可酸溶性水泥浆配方：.嘉华 级高抗硫油井水泥.碳酸钙（目）.碳酸钙（目）.降失水剂 .缓凝剂.减阻剂.消泡剂 水（总水量.）；稠化时间测定按 油井水泥进行。缓凝水配方：按清水质量的.加入缓凝剂 并搅拌 ，至混合均匀；使用前再搅拌 。污染水配方：.堵漏工作液与清水按照质量的:配制。.堵漏工作液的解堵性能用不同浓度的 或 溶液配制不同浓度的堵漏工作液，装入防腐性老化罐内，放入滚子炉，在 下老化相应时间，在 剪切速率下测定解堵黏度。结果与讨论.堵漏工作液的地面可流动时间调控能在地面配制出可流动时间可调、上水性能好的高浓度构性流体前置堵漏工作液体系是暂堵成功的关键。根据疏水缔合聚合物的特点，采用不同浓度的、盐溶液调控地面可流动时间。实验结果如图、图 所示。图 溶液对黏度的影响.图 溶液对黏度的影响.图、图 实验结果表明，随着、浓度增加，堵漏工作液的地面可流动时间延长，上水性能良好；以黏度小于 为可流动时间，地面可流动时间大于 为判定依据，溶液可将地面可流动时间控制在 以上，溶液可将成胶时间控制在 以上，满足工程要求。.堵漏工作液的抗温性能高黏度是封堵的关键作用。配制.、.堵漏工作液，测定 下的黏温曲线，考察其在不同温度下的保留黏度，结果如图 所示。图 不同浓度堵漏工作液的黏温实验结果图.第 卷第 期胡耀太，等：一种智能结构性流体前置堵漏工作液体系 图 实验结果表明：相同温度下，前置堵漏工作液保留黏度随浓度增加而增大；相同浓度下，黏度随温度升高而下降。在 ，.和.的堵漏工作液保留黏度仍分别高达 和，可保证堵漏工作液在高温下依然有较强封堵能力，且浓度越高封堵越强，有利于提高其承压能力。.堵漏工作液的触变性能表 堵漏工作液、聚丙烯酰胺触变指数实验数据表 剪切速率区间剪切速率 黏度（）.堵漏工作液.聚丙烯酰胺触变指数（）.堵漏工作液.聚丙烯酰胺低剪切区.中剪切区.高剪切区.触变性是反映堵漏工作液体系抵抗外力产生形变的性能，能反映堵漏工作液因抵抗外力发生流动的能力。较强的触变性是堵漏工作液能够在地层中形成有效封堵的另一关键作用。用流变仪在.剪切范围内考察堵漏工作液的触变指数和触变能。结果如表、表 所示。表 不同浓度堵漏工作液触变能测试结果 温度 触变能（）.堵漏工作液.堵漏工作液表、表 实验结果表明：在所有剪切速率区间，堵漏工作液的触变指数和触变能大于常规聚丙烯酰胺体系，表明堵漏工作液的封堵能力更强；剪切速率越大，触变指数越大，封堵能力越强，有利于后续流体在地层中的驻留。.堵漏工作液的承压能力堵漏工作液承压能力是其封堵能力的直观表现，采用人造岩心裂缝和改装滤失仪分别模拟堵漏工作液在地层裂缝和孔洞及高压环境的工作状态，考察其封堵能力。裂缝中承压实验结果如表 所示，孔隙中承压实验结果如表 所示。表 裂缝中不同堵漏工作液承压能力实验数据表 裂缝宽度 温度 启动压力梯度（）.推算段塞长度.表 孔隙中不同堵漏工作液承压能力实验数据表 钢珠直径 温度 堵漏工作液启动压力梯度（）.推算段塞长度.表、表 实验结果表明：堵漏工作液的浓度越高、温度越低启动压裂梯度越大，提高堵漏工作液浓度有利于提高封堵能力，达到相同的封堵效果时宽裂缝、大孔隙需要的堵漏工作液浓度更高。根据推算表可知，堵漏工作液浓度越高，段塞长度越短。.堵漏工作液的配伍性堵漏工作液混入水泥浆则可能引起水泥浆稠化时间缩短，堵漏工作液与水泥浆的配伍性关系到后续注入水泥浆的施工安全。考虑到可以用缓凝水减弱堵漏工作液对水泥浆体系稠化时间的影响，考察了堵漏工作液和缓凝水对水泥浆体系的稠化时间影响。水泥浆体系稠化时间的实验条件：温度 ，压力.；实验结果如表 所示。实验结果表明，堵漏工作液不会大幅度缩短稠化时间，且通过缓凝水隔离后，稠化时间还会延长。因此，只需要少量的 广 州 化 工 年 月缓凝水进行隔离即可保证施工安全。表 堵漏工作液与水泥浆的配伍性实验数据表 编号自来水 缓凝水 污染水 稠化时间.堵漏工作液的解堵能力堵漏工作液关系到后续解堵的可行性和成本，要求堵漏工作液承压时间满足水泥浆固化时间即可，后续在地层工况条件下能自动解堵，以便减小对油层伤害。在 剪切速率下，考察堵漏工作液浓度、与 盐浓度对堵漏工作液在条件下解堵性能的影响。实验结果如图、图 所示。图 盐溶液对不同浓度堵漏工作液解堵实验.图 不同盐含量溶液对 堵漏工作液解堵实验.图、图 实验结果表明：在、盐溶液中，堵漏工作液的黏度随老化时间的增加而降低；不同堵漏工作液在相同浓度盐溶液中，堵漏工作液浓度越高，时堵漏工作液保有黏度越高，后续堵漏水泥浆固化时间一般不超过 ，表明堵漏工作液在水泥浆固化前有较强的封堵能力，能确保水泥浆的驻留；不同浓度和盐度的堵漏工作液 后黏度低于，高浓度堵漏工作液 后黏度低于 ，几乎完全解堵；堵漏工作液有较好的热自动降解性，随着时间延长体系黏度还将进一步降低，不需要专门对堵漏工作液进行解堵即可实现暂堵体系的返排，降低工程成本。机理分析.地面流动时间调控机理高浓度堵漏工作液地面流动时间调控是通过离子屏蔽效应和盐析效应来实现的；初期黏度主要依靠含阴离子基团的疏水缔合聚合物快速溶解，分子中阴性基团相互排斥，分子链成伸展状态形成黏度。含盐溶液中的、等阳离子对聚合物阴性基团进行屏蔽后，疏水缔合聚合物分子在高盐环境下卷曲，一方面，卷曲状态的高分子在未溶解的疏水缔合聚合物颗粒表面形成密实球状堆积阻止水分子通过，控制其溶解速度；另一方面，疏水缔合聚合物是一种带疏水基团的聚合物，高浓度的盐对疏水基团的盐析效应促使疏水基团靠近和聚集、增强疏水效应，使高分子形成紧密的空间网状结构，延缓其溶解速度（如图 所示）。当堵漏工作液进入井下管柱或地层（完成上水）后，随着温度升高这中延缓作用减弱，溶解速率加快，体系黏度快速升高，不影响堵漏工作液的封堵效应和承压能力。图 盐析效应示意图.图 工作液智能封堵机理示意图.智能封堵机理堵漏工作液挤入裂缝后，溶胀但未完全溶解的疏水缔合聚合物，通过进一步溶胀能自动变形适应和填充地层中各种形状的裂缝和孔洞；（挤出膨大）效应是高浓度的高分子溶液具有的一种特殊性质，高浓度堵漏工作液在地层中从小直径的孔洞或裂缝流向大直径的孔洞和裂缝时，通过自身膨大作用智能化完全填充裂缝或孔洞。工作液的智能封堵机理如图 所示。.黏度和触变封堵机理堵漏工作液的超高黏度是其封堵孔缝和提高地层承压能力第 卷第 期胡耀太，等：一种智能结构性流体前置堵漏工作液体系 的关键，包括黏度效应、黏弹效应、吸附作用、喉道捕集、物理堵塞等作用；堵漏工作液除了与高分子常规堵漏剂一样通过水力学体积和高分子之间的缠绕作用形成结构来产生黏度外，还可通过疏水缔合、盐析效应强化疏水缔合形成更高的结构黏度，从而提高封堵效果的承压能力。堵漏工作液除了通过可折叠、旋转等高分子构象变化产生触变性外（如图 所示），还能通过疏水缔合作用产生更强的触变性，从而具有更强的封堵能力和承压能力；堵漏工作液的疏水作用是一种弱作用力，堵漏工作液高速流动时疏水效应减弱、疏水缔合结构被拆散，有利于输送和注入地层，在地层中低速流动或静止则结构恢复（如图 所示），触变性、黏度增加，有利于提高封堵能力和承压能力。图 堵漏工作液高分子旋转、折叠储量示意图.图 堵漏工作液触变演示图.结 论（）以疏水缔合聚合物为主体的堵漏工作液在 、.下有较好的封堵能力，提高了地层承压的能力，能适应大裂缝、孔洞等漏失地层的暂堵工作；（）堵漏工作液的地面流动时间可用、调控，能在地面配制高浓度堵漏工作液，解决了高浓度堵漏工作液上水困难的问题；（）堵漏工作液有一定热降解性，无需进行专项解堵；（）堵漏工作液配伍性好，可就地取水或用稀泥浆配制。参考文献 赵文军.钻井施工过程中井漏原因与解决对策的分析科学中国人，（）：.，（）：.邓尚，刘雨晴，刘军，等.克拉通盆地内部走滑断裂发育、演化特征及其石油地质意义：以塔里木盆地顺北地区为例大地构造与成矿学，（）：.，.，（）：.康毅力，张敬逸，许成元，等.刚性堵漏材料几何形态对其在裂缝中滞留行为的影响石油钻探技术，（）：.姚晓，赵新，冯时雨.酸溶性水泥的室内研究钻井液与完井液，（）：.王翔宇.酸溶水泥浆体系在哈法亚地区的研究与应用中国石油和化工标准与质量，（）：.，（）：王勇，蒋官澄，杜庆福，等.超分子化学堵漏技术研究与应用钻井液与完井液，（）：.张坤，王磊磊，苏君，等.温敏型凝胶堵漏剂的室内研究钻井液与完井液，（）：.胡子乔，刘四海，张金成，等.新型抗高温二次交联凝胶堵漏材料的研制探矿工程（岩土钻掘工程），（）：.，.：，.，（）：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.油井水泥试验方法.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.油井水泥.（上接第 页）李尤，廖晓勇，阎秀兰，等.鼠李糖脂淋洗修复重金属污染土壤的工艺条件优化研究农业环境科学学报，（）：.韩张雄，王龙山，郭巨权，等.土壤修复过程中重金属形态的研究综述岩石矿物学杂志，（）：.，.张金永，朱玉婷，王明新，等.还原增溶强化 淋洗修复重金属污染土壤环境科学，（）：.关天霞，何红波，张旭东，等.土壤中重金属元素形态分析方法及形态分布的影响因素 土壤通报，（）：.