双亲聚合物随钻堵漏剂综合性能评价

2013-08-20王建莉张丽君郑志军

精细石油化工进展 2013年4期

王建莉，董华，张丽君，郑志军，马伟

(1.河南省科学院化学研究所有限公司，郑州 450002;2.中国石化中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001;3.兖矿国宏化工有限责任公司，山东邹城 273512)

随钻堵漏技术由于投入少、方法简单且不需要停钻处理，已经成为解决井漏、预防井下复杂情况［1－2］的有效手段，在钻井液中加入随钻堵漏剂对提高漏失地层的钻井速度、降低钻井成本以及油气层保护［3］具有重大意义。现有随钻堵漏剂主要包括碳酸钙［4］、植物纤维［5－6］、沥青［7－8］、橡胶颗粒［9］以及近年来发展起来的吸水凝胶类随钻堵漏剂［10］，这些材料在2 000～3 000 m的地层中具有很好的应用效果。近年来随着深部油气藏的勘探和开发，深井及超深井的数量大幅增加［11－12］，较高的井底温度对随钻堵漏剂的抗温性能提出了更高的要求。从应用现状来看，深井超深井、尤其是150℃以上地层的漏失问题还没有得到有效解决;另一方面，目前对地层中0.1 mm以上级裂缝与微裂缝的封堵问题已解决，但还不能有效封堵微米级微裂缝。多数随钻堵漏材料属于毫米级以上的较粗颗粒，对于微裂缝、孔隙度小尤其是微米级的渗透性地层的漏失，只能在井壁外形成简单的封门，不能适当地渗入地层形成致密、高强度的封堵层，导致封堵强度低，有效期短，容易造成重复漏失。因此笔者制备了一种新型聚合物随钻堵漏剂——具有亲油核/亲水壳的双亲微球聚合物材料，简称AMP。该材料是具有双亲结构的微米级聚合物微球材料，抗温能力优异，并可与地层中的微裂缝、微孔隙漏失通道相匹配，显著提高封堵层的承压强度，可用于深井超深井的随钻防漏堵漏作业。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

丙烯酰胺(AM)、N，N'－亚甲基双丙烯酰胺(BMA)、有机醇溶胀剂，均为工业品;亲油抗温单体、亲油交联剂、偶氮二异丁腈、界面引发剂、乳化剂，均为化学纯;水。

ZNN－D6型6速旋转黏度计、ZNS型钻井液失水仪、XGRL－3型高温滚子炉、EP－A型极限压力润滑仪，青岛海通达专用仪器厂;SL－01型钻井渗滤试验装置(40～60目砂床)，华北钻井院仪器厂;JB－80A型高压计量泵(40～60目砂床)，海安县石油科研仪器厂。

1.2 AMP 的合成

在适量乳化剂作用下，将亲油抗温单体、亲油交联剂及偶氮二异丁腈等混合均匀作为分散相，在搅拌下配置成质量分数为75%～80%的油包水乳液体系，在50℃下聚合一定时间，待亲油抗温单体反应完全后，加入适量有机醇溶胀剂溶胀约4 h，再加入AM、BMA、界面引发剂水溶液，在室温下进行界面包覆反应2～5 min，干燥后得到细微的白色粉末状产物，即为双亲聚合物随钻堵漏剂AMP。

1.3 吸水、吸油率评价

将0.5 g干燥的AMP用滤纸包裹置于漏斗底部，用橡胶塞封堵漏斗出口，加入10 mL水或白油，室温浸泡2 h;除去橡胶塞，放出水或白油，取出产品称量湿态质量。湿态、干态时的质量差与干态质量的比值即为吸水(油)率。

1.4 配伍性能评价

随钻堵漏剂直接添加至钻井液中应用，必须与钻井液具有较好的配伍性(尤其是表观黏度)，即在有效加量范围内不能过大增加表观黏度，且不能明显改变原有体系的pH等。AMP配伍性能的评价方法为:在400 mL水中加入16 g膨润土和0.8 g无水碳酸钠，高速搅拌30 min，室温养护24 h后得到淡水基浆(下同)。在淡水基浆中加入一定量AMP，在150℃下老化16 h，室温下高速搅拌5 min，用6速旋转黏度计测定钻井液流变参数。

1.5 润滑能力评价

采用EP－A型极限压力润滑仪考察AMP的润滑能力，具体评价方法为:测定AMP加入淡水基浆前后体系的摩擦系数，考察其变化情况。

1.6 降滤失效果评价

高温条件下黏土颗粒表面和处理剂分子中亲水基团的水化能力会有所降低，使水化膜变薄，从而导致处理剂的护胶能力减弱，发生高温去水化，使体系滤失量增大，对保护储层不利。AMP降滤失效果的评价方法为:测定AMP加入淡水基浆前后体系的滤失量，考察其变化情况。

1.7 承压封堵能力评价

模拟渗透性漏失，评价AMP承压封堵能力。评价方法:在钻井液中加入一定量的AMP，150℃下老化16 h后，室温高速搅拌5 min，考察漏失量(40～60目砂床)随AMP加量的变化规律，用高压计量泵测定挤注压力随挤注量的变化。

2 结果与讨论

2.1 吸水、吸油率

室温下测得AMP的吸水率为97.6%，吸油率为45.1%，对水和油均有较好的亲和性，双亲性好。这是由于AMP具有亲油核/亲水壳的特殊结构，在水中和油中均能吸收液体发生膨胀。

2.2 配伍性能

AMP在淡水基浆中的配伍性能见表1。随着AMP用量的增加，体系表观黏度有所增加，动切力变化不大，剪切稀释性(动塑比)先提高后降低，pH不变。这是由于AMP表面的部分酰胺基团与黏土颗粒有吸附作用，形成“卡片房子”结构，但并没有加剧体系形成结构的能力，体系仍具有较好的剪切稀释性。AMP加量≤2%时与钻井液具有较好的配伍性。

表1 AMP在淡水基浆中的配伍性能

2.3 润滑性能

AMP在淡水基浆中的润滑性能见表2。淡水基浆中加入1%AMP后，体系的摩擦系数从0.525降至0.341，显示出较好的润滑作用。这是由于AMP的制备采用了特殊的聚合方法，AMP产品为球形结构，滚动及运动能力强，在体系中可以缓解摩擦，降低摩阻，尤其是在高速旋转钻进的钻井液中，可起到轴承作用，有效降低体系摩阻，起到固体润滑剂的作用。

表2 AMP在淡水基浆中的润滑性能

2.4 降滤失效果

AMP在淡水基浆中的降滤失性能见表3。AMP在淡水基浆中具有较好的降滤失效果，而且随着老化温度从120℃升至180℃，降滤失效果逐渐增强，形成的泥饼薄而细腻，如图1所示。这一方面是由于高温下AMP性能稳定，变形能力强;另一方面是由于AMP具有一定的粒径分布［13］，大小颗粒相互填充，并与黏土颗粒相互作用，形成薄而韧的致密黏弹泥饼，阻止水分的渗透。

表3 AMP在淡水基浆中的降滤失性能

图1 淡水基浆中加入1%AMP的API滤饼形态(150℃老化)

AMP的高温高压降滤失效果如表4所示。AMP在纯水和淡水基浆中均显示出较好的降滤失能力，甚至优于普通线型聚合物类降滤失剂。这是由于AMP在高温高压条件下可以变形，并在滤纸表面依靠自身粒径级配形成一层薄膜，形成垫层和滤饼(见图2)，有效封堵了滤纸表面的微孔隙。

表4 AMP在纯水/淡水基浆中的高温高压降滤失性能

图2 纯水中加入1%AMP的高温高压滤饼形态

从实验结果可以看出，AMP具有较好的降滤失效果，尤其是高温高压降滤失效果明显，有利于储层保护;同时AMP还可参与泥饼形成、改善泥饼质量，防止因形成厚泥饼而使环空间隙缩小，导致环空压耗增加等。

2.5 承压封堵能力

AMP在淡水基浆中的承压封堵能力见图3，AMP加量为1%时体系最高承压可达14 MPa。AMP在现场聚磺盐水浆(P 3－侧90，Cl－含量120 000 μg/g)中的承压封堵能力见图4。现场井浆P 3－侧90承压强度较低，仅为3 MPa，加入2%的AMP后承压强度提高至24 MPa，承压封堵效果显著。这是由于AMP为可变形弹性球，可吸收水分使体积膨胀，其特殊的核壳结构赋予了材料外柔内刚的特性，使其具有较强的填充及承压能力，并能有效预防诱导裂缝的产生，进入漏层后具有一定的扩张填充和内部挤紧压实的双重作用，形成密实封堵层，提高封堵强度。