压差激活密封剂的制备与性能研究.pdf

化学工程师Sum335No.8ChemicalEngineerDOI:10.16247/ki.23-1171/tq.20230860油田化学2023年第8 期压差激活密封剂的制备与性能研究李凯凯,范振忠,刘庆旺,周明,臧鑫（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆16 3318）摘要：本文通过对胶乳浓度、电解质加量、制备温度、终止剂加量、停搅时间等多种因素的考察，确定胶乳浓度为2 0%、电解质加量为10 mL、制备温度为7 0、终止剂加量为6 mL、停搅时间为5min。通过微观分析发现，在此条件下制备的丁基胶乳在NaC1的作用下能够形成分散性良好、形貌规则、粒径均匀的微球状胶凝颗粒，粒径集中分布在10 0 30 0 m;通过模拟封堵实验发现，制备的密封剂可在12 MPa下对缝隙、油管丝扣等不同微泄漏处激活封堵，说明该密封剂具有良好的封堵性能；通过对密封剂的封堵行为同时分析了其自适应修复机理。关键词：压差激活密封剂；微观分析；封堵性能；自适应修复中图分类号：TE25；T Q 31Study on preparation and properties of differential pressure activated sealant*LI Kai-kai,FAN Zhen-zhong,LIU Qing-wang,ZHOU Ming,ZANG Xin(School of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)Abstract:In this paper,many factors such as latex concentration,electrolyte addition,preparation temperature,terminating agent addition and stirring stop time were investigated,the concentration of latex was determined to be20%,the addition of electrolyte to be 10mL,the preparation temperature to be 70,t h e a d d i t i o n o f t e r mi n a t o r t o b e6mL and the stop stirring time to be 5min.Microscopic analysis of butyl latex prepared under these conditionsshowed that under the action of NaCl,butyl latex could form microspherical gel particles with good dispersion,regular morphology and uniform particle size,and the particle size was concentrated in the range of 100300m.Through the simulation plugging experiment,it was found that the prepared sealant could activate the plugging atdifferent micro-leakage places such as gaps and tubing wires under 12MPa,indicating that the sealant had goodplugging performance.Its adaptive repair mechanism was analyzed by the plugging behavior of the sealant,at thesame time.Key words:differential pressure activated sealant;micro analysisi plugging performance;adaptive repair在油气井生产过程中，由于地层环境复杂及设备使用年限增加，油气井密封组件、连接组件、连接管柱都有可能发生不同形式的损坏(1)。由此造成的各种密封器件的损坏及井筒的完整性缺失成为影响油气田正常工作的主要因素，进而影响油气井正常工作,制约了油气井的采收率12。压差激活密封剂主要是通过堵塞泄漏孔隙来实现密封的131。在注入密封剂后，密封剂会随着介质流动进人泄漏孔道中，随着流体的压力下降，密封剂在收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 5基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（No.LH2020E014)：磁性纳米Fe:O.SiO2-NH,絮凝油田污水方法研究作者简介：李凯凯（1999-）,男，硕士研究生在读,研究方向：油田化学。通信作者：范振忠（197 1-）,男，教授，博士生导师，从事油田化学方面教学和科研工作。文献标识码：A漏点处形成堵塞层,从而达到密封的效果,剩余的密封剂可以在油气井管柱内继续流动，不会影响油气井的正常生产141。此外,密封剂中的材料具有一定的黏度和粘附性,能够增强密封的稳定性和持久性。同时，密封剂中的化学成分也会与漏点物质发生反应生成沉淀物，进一步堵塞孔道,增强密封效果。总之,压差激活密封剂的堵漏机理是通过物理和化学作用,形成堵塞层和沉淀物，实现对泄漏孔隙的密封 1 5.6 。本文在现有研究的基础上，对压差激活密封剂的制备条件、压差激活机理、封堵机理进行研究。采取多种因素分析方法，探讨密封剂原材料组合和比例并确定最佳密封剂配方，对密封剂的微观形貌和粒度分布进行分析，评价了密封剂在泄漏位置的封堵行为。2023年第8 期1实验部分1.1实验材料丁基胶乳（工业品上海普朗橡塑科技有限公司）;NaC1(AR天津鼎盛鑫化工有限公司）;终止剂OP-10（聚醚类工业品山东优索化工科技有限公司）;稳定剂VIS-B（黄原胶类工业品郑州天佳化工产品有限公司）;DT-135消泡剂（有机硅类工业品许氏化工科技有限公司）。1.2实验设备HH-2型数显恒温水浴锅（常州金坛良友仪器有限公司）;NKT-N9型纳米激光粒度分析仪（山东耐克特分析仪器有限公司）;CAM-MS型偏光显微镜（上海光密仪器有限公司）;J-1A型电动搅拌器（常州苏瑞仪器有限公司）;GGS71-B型高温高压滤失仪（山东美科仪器有限公司）;NDJ-8S型数字式黏度计（深圳市鼎鑫宜试验设备有限公司）。1.3实验方法1.3.1压差激活密封剂的制备在恒温水浴锅中装配搅拌器、恒压液滴漏斗、烧杯（1工),往烧杯中依次加人2 0 mL丁基胶乳、40 mLVIS-B（0.3%）溶液、1mL消泡剂，搅拌均匀，作为胶乳稀释液；在7 0 恒温下控制搅拌器转速为140 0 rmin,将10 mL激活剂（2 0%NaC1溶液)滴加到烧杯中，滴加完毕搅拌5min，再静置5min，得到具有微米级颗粒的乳液，静置后再次加人40 mLVIS-B（0.3%）溶液、6 mLOP-10并搅拌5min，随后停止搅拌，制得压差激活密封剂。1.3.2密封剂微结构及黏度检测采用纳米激光粒度分析仪测量丁基胶乳粒径大小；采用偏光显微镜检测压差激活密封剂微观形貌特征、结构、粒径尺寸大小；采用数字式黏度计检测压差激活密封剂黏度。1.3.3静态封堵实验将压差激活密封剂注入高温高压滤失仪，并设置注入压力与温度；开启仪器并实时记录压力变化曲线，关闭仪器并取出泄漏组件，检测形成的固体屏障；通过分析实时压力变化数据来评估密封剂封堵效果。1.3.4动态封堵实验通过模拟调节油管螺纹装置的螺纹圈数,模拟泄漏速度分别为10、30、8 0 mLmin将密封剂注入容器中,打开高压气瓶，调节实验压力,测量油管螺纹封堵前后泄漏速度,评价封堵效果。2结果与讨论李凯凯等：压差激活密封剂的制备与性能研究*265.76nm,见图1。1001.粒径体积百分数2.粒径累计百分数5001Fig.1 Particle size distribution of butyl latex通过控制胶乳浓度、NaC1加量、温度、停搅时间、OP-10的加量等因素来考察密封剂粒径变化规律及影响因素对粒径生长趋势的影响。2.1.1胶乳浓度与NaC1加量对粒径中值的影响保持其他制备条件不变，改变胶乳浓度与NaC1加量，粒径中值变化情况见图2。由图2(a)可见,随着胶乳浓度的提高,密封剂粒径先增大后减小。这是因为胶乳浓度的提高使得胶乳粒子活性片段多，碰撞搭接趋势强，从而使得颗粒聚集成为更大的团簇。高浓度的胶乳会增加胶乳颗粒与无机盐之间的碰撞概率，从而使得颗粒更容易聚合成为更大的颗粒。当胶乳浓度过高时，可能会出现胶乳颗粒之间的交错现象，导致颗粒不易聚集成团,反而会导致颗粒尺寸的减小。因此，选择最佳的胶乳浓度为2 0%。由图2(b)可见，密封剂粒径出现了先增大后减小的趋势。具体来说，当加入低浓度的电解质时，电解质中的离子会与胶乳中的离子发生作用，形成化学键或静电相互作用,导致胶乳颗粒聚集，从而使得密封剂的粒径增大。当电解质浓度增加时，电解质中的离子会逐渐与胶乳颗粒表面上的功能团发生反应,形成交联结构，使得胶乳颗粒逐渐固化,形成较大的胶乳颗粒。当电解质浓度进一步增加时，电解质中的离子会与胶乳颗粒表面上的功能团发生过度交联反应，造成胶乳颗粒的破碎和溶解，使得密封剂粒径减小(6.7)。因此，选择最佳NaC1加量为10 mL。612.1厂压差激活密封剂制备条件优化选用的胶乳为丁基胶乳，丁基胶乳具有良好的的化学稳定性与胶体性质，能够在常温下长时间稳定储存，不会发生明显的聚合和分解反应，且具有较大的比表面积和分子间相互作用力，能够很好的进行密封剂的制备17。经测量，丁基胶乳平均粒径为累计百分数/%010100粒径/nm图1丁基胶乳粒径分布图10210001000062/12010080604020010200(b)180160/140120100806040200246810121416182022NaCl加量/mL图2（a)胶乳浓度与(b)NaC1加量对粒径中值的影响Fig.2Effect of latex concentration(a)and Nacl addition(b)2.1.2温度与停搅时间对粒径中值的影响他制备条件不变，改变温度与停搅时间，粒径中值变化情况见图3。180(a)160/14012010080604020030159158(b)157/156155154153152151150051015202530354045停搅时间/min图3（a)温度与(b)停搅时间对粒径中值的影响Fig.3 Effect of temperature(a)and stop stirring time(b)onmedianparticle size李凯凯等：压差激活密封剂的制备与性能研究*180(a)1601402023年第8 期由图3(a)可见,温度的上升导致密封剂粒径出现了增大的趋势。原因可能是温度上升，分子之间的热运动加快，使得分子的动能增大，减弱了分子之间的相互作用，分子之间距离增大，更易形成较大颗粒。因此，选择最佳制备温度为7 0。由图3(b)可见，停搅时间的增加对密封剂粒径大小影响并不显著,可能是因为在反应初期,反应物的浓度高、反应速率快，胶乳颗粒的表面电荷和胶乳11520胶乳浓度/%onmedianparticlesize-40温度/2550603070内部离子强度等因素更加重要，而反应时间的影响相对较小。因此，选择最佳停搅时间为5min。2.1.3OP-10加量对粒径中值的影响保持其他制备条件不变，改变OP-10加量，粒径中值变化情况见图4。18518017517016516015515014514013513045OP-10加量/mL保持其图4OP-10加量对粒径中值的影响Fig.4Effect of OP-10 dosage on median particle size由图4可见，OP-10加量的增加使得粒径先增大后减小。OP-10分子中的氧乙烯醚基可以与胶乳颗粒表面的羟基或羧基发生氢键或范德华力作用，从而改变颗粒形态和大小。加人过多的终止剂会使胶乳颗粒过度分散甚至形成聚集体，从而使密封剂性能下降。因此,选择最佳OP-10加量为6 mL。2.2行微观结构及形貌通过对2.1项优化后的条件下制备的密封剂进行微观结构分析，进一步探索密封剂活性颗粒生长规律。密封剂的粒径分布及微结构见图5。60(a)粒径分布50D10=92.3mD50=176.3m%/41-1谱403020100Xu L,Huang X,Huang X,et al.Systematic Experimental Investiga-tion on In-Situ Self-Adaptive Sealing Property of Composite Pres-sure-Activated Sealant for Curing Minor Tubular LeaksJ.Ener-gies,2020,13(21):1-14.7 白晓莹.天然胶乳粒子双电层结构及其对胶乳稳定性影响研究D.海南大学,2 0 16.8真戴彩丽，邹辰炜，刘逸飞，等.弹性冻胶分散体与孔喉匹配规律及深部调控机理J.石油学报，2 0 18,39（4)：42 7-434.9 0戴武，孟雄飞，冯益然，等.NaC1及表面活性剂含量对油水界面zeta电势的影响J.当代化工，2 0 2 0,49(1)：19-2 2;36.【10 王付勇，赵久玉.微裂缝油气水多相流动力学机制与规律管柱J.中南大学学报（自然科学版）2 0 2 1,52（11)：3990-3998.11赵小安,徐升华，周宏伟,等.电解质浓度对胶体粒子表面有效电荷的影响J.物理学报，2 0 2 1，7 0（5)：2 8 9-2 96.12幸雪松，许林，冯桓楷，等.压差激活密封剂的制备、密封性能及机理研究J.钻井液与完井液，2 0 19,36（6)：7 8 9-7 94.【13孙金声，赵震,白英睿，等.智能自愈合凝胶研究进展及在钻井液领域的应用前景J.石油学报，2 0 2 0,41（12)：17 0 6-17 18.14】王敏生，光新军.智能钻井技术现状与发展方向.石油学报,2 0 2 0,41(4):50 5-512.2023年第8 期3结论针对油气井生产过程中油气井管柱、封隔器等漏失问题开展了压差激活密封剂微观分析、堵漏性能以及堵漏机理的研究。通过对胶乳浓度、电解质加量、制备温度、终止剂加量、停搅时间等因素的研究，确定了最佳的制备条件。通过对压差激活密封剂制备条件的探索，制备了不同粒径的密封剂来封堵微缺陷漏失情况。通过模拟封堵实验，可在12 MPa下对缝隙和油管丝扣等缝隙形成有效封堵，形成的固体屏障具有很好的承压性能。参考文献1刘盈.油气井完整性综合评价方法及管理系统研究【D.西安