延迟膨胀颗粒堵漏剂的研究应用

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1、1延迟膨胀颗粒堵漏剂的研究应用延迟膨胀颗粒堵漏剂的研究应用张歧安、徐先国、董维、付建国（新疆石油管理局钻井准东泥浆技术服务公司）摘要：摘要：井漏是严重影响钻井生产正常进行的井下复杂情况之一，目前所采用的堵漏方 法主要是桥塞堵漏和快干水泥堵漏，桥塞堵漏所采用的材料多为天然物质加工而成，它们 的吸水膨胀能力较小或不具备吸水膨胀能力，在钻井堵漏时，往往易造成堵漏效果不佳和 堵漏后发生重复性漏失。延迟膨胀颗粒堵漏剂是一种吸水膨胀性很强的树脂，具有延迟膨 胀的特征，这样能够保证颗粒材料有足够的时间进入井下漏失层位后继续膨胀，其吸水膨 胀体积倍数可以达到 48 倍。同时，延迟膨胀颗粒堵漏剂的机械弹性形变能

2、力强，拉伸强 度大，封堵强度高，与各种水基钻井液配伍性好。从而达到良好的堵漏效果和有效提高地 层的承压能力。 主题词：主题词：钻井、井漏、堵漏剂、堵漏一、一、前言前言 井漏是钻井过程中一项非常棘手的技术难题，它不仅影响钻井的正常作业、钻井液的 流失，还危及井壁稳定性，而且对油气层造成损害，并给试油和采油带来了许多后遗症的 问题。同时，井漏在某些情况下又是无法避免的。因此，井漏发生时，及时有效的治理井 漏就显得尤为重要。 在治理井漏的诸多工艺当中，利用各种天然物质加工而成的堵漏材料进行桥塞堵漏是 目前较为普遍采用的堵漏方法。长期以来，工程技术人员针对不同情况的井漏，在实践中 对各种堵漏材料进行了

3、优选。但是，这些材料的共同缺陷在于：一是堵漏过程中自身的可 变形性较差，稍大于漏层孔隙裂缝或是与漏层孔隙裂缝形状不匹配的颗粒就不易进入，在 漏层表面形成堆积，并未深入漏层。二是这些堵漏材料不具有膨胀性或只有微小的膨胀量， 在外部作用力的作用下不易稳定的滞留在漏层当中。由于上述原因，使用这些材料处理井 漏时，往往易造成堵漏效果不佳和堵漏后发生重复性漏失。这就促使我们去研究和开发一 种具有延迟膨胀性和可变形性的新型膨胀颗粒堵漏剂来提高治理井漏的效果。 国外膨胀颗粒堵漏剂在水库堤坝管涌堵漏、地铁隧道渗透堵漏、水基功能性建筑密封 堵漏等领域都有应用。国内市场上现在出售的吸水膨胀颗粒主要以丙烯酰胺、纤维

4、素和淀 粉等多糖类化合物、无机或有机交联剂、粘土等填充材料组成，属于合成高分子水凝胶物 质范畴。成功应用最多的应该是高吸水树脂或保水材料。采油堵水作业也有部分成功应用。 但在这些合成方法中，吸水树脂的分子结构较为简单，主要是由交联剂参加接枝聚合反应 过程中一次形成。因此高吸水树脂吸水过程中就容易出现“面团现象” ，吸水后易积聚成团， 明显表现出吸水树脂凝胶强度弱，剪切易破碎，加压保水性能差等缺点。 采用吸水膨胀颗粒作为钻井堵漏材料，不同于水库堤坝管涌堵漏、地铁隧道渗透堵漏、 水基功能性建筑密封堵漏，除了应该具有良好强度，特别还应该具有延迟膨胀的特征，这 样才能够保证颗粒材料有足够的时间进入井下

5、漏失层位后继续膨胀，满足深入漏失地层深 部堵漏的钻井生产工艺要求。 WEA-1 延迟膨胀颗粒堵漏剂的创新思路就在于，第一是堵漏材料具有较强的可变形性， 易使其能够适应不同性状的漏层，解决漏层对堵漏材料的选择效应，弥补材料级配很难达 到合理的缺陷。第二是堵漏材料进入漏层后自身体积持续膨胀，使得漏层内的堵漏材料具 有一定的扩张填充和内部挤紧压实的双重作用。第三是 WEA-1 的膨胀量受钻井液性能的影 响小，在任何体系的水基钻井液中都具有良好的膨胀能力。因此，延迟膨胀颗粒堵漏剂在2治理钻井井漏及其他方面的治漏上具有良好的发展前景。二、延迟膨胀聚合物颗粒的合成技术二、延迟膨胀聚合物颗粒的合成技术 延迟

6、膨胀颗粒堵漏剂 WEA-1 是以丙烯酰胺为基础原材料，选用具有疏水性的有机化合 物为交联剂，以化学共价键组成大分子交联网络，用双交联方法制备出互穿网络聚合物型 吸水膨胀材料，用现有聚合方法得到粒状固体聚合物。用疏水性物质（表面活性剂等）对 聚合物材料颗粒的表面进行化学改性，使其达到亲油疏水的效果，最终达到延缓吸水速度， 延迟膨胀时间的目的。 三、作用机理：三、作用机理：延迟膨胀型颗粒堵漏剂 WEA-1 以聚合物大分子所特有的酰胺基等化学官能团为基础， 借助化学键和分子间力的作用，选用适当的亲油疏水物质，对聚合物颗粒表面进行化学改 性，依靠疏水分子或分子膜的作用，阻止水分子进入聚合物中，延缓聚合

7、物与水分子的作 用。延迟膨胀物质的疏水作用主要是为了使其在一定温度和水浸泡环境下，随着疏水性物 质的分散，达到聚合物逐渐吸水、缓慢溶胀的目的，这样可以保证有足够的时间用水基钻 井液将聚合物颗粒带进漏失层深部。同时，因整个交联网络的强烈作用，导致聚合物只溶 胀而不溶解，固体聚合物颗粒体积增大，溶胀体强度高，抗冲刷能力强，从而提高封堵效 果。四、四、WEA-1WEA-1 主要技术指标：主要技术指标：1. 粒径：根据造粒和筛分条件，粒径可以控制在 0.1m3mm，也可以根据钻井漏失 地层的实际裂缝尺寸做特殊加工处理； 2. 颗粒密度：1.301.50g/cm3； 3. 膨胀倍数：48 倍（wt%）

8、； 4. 膨胀时间：遇水开始缓慢膨胀，膨胀时间和膨胀速率可以调节。 5. 耐盐性：化学性质不受水中矿化度的影响； 6. 稳定性：膨胀体只溶胀不溶解，80条件下具有 11.5 个月稳定性。 7. 抗压性能：合成岩芯单位长度承压 1.0Mpa/cm。五、室内实验评价五、室内实验评价1、颗粒粒度及表观特征 室内对常规使用的 WEA-1 产品进行了粒度分析， WEA-1 为不同颗粒级配的白色固体颗 粒。膨胀后有利于与所堵裂缝、孔道的形状匹配。而且还可以根据钻井漏失地层的实际裂3缝尺寸做特殊加工处理。粒径（mm）2.03.00.92.00.450.90.45 以下含量%354015102、体积膨胀倍数实

9、验体积膨胀倍数实验采用了直接测量体积变化法。用准确刻度的量筒先量取一定体积的水 V0，再将干燥的堵漏剂颗粒加入，读取量筒中实际水刻度体积 VA，干燥堵漏剂颗粒的体积为 V1， （V1=VA- V0） ，在设定温度的恒温水浴中膨胀一段时间或至吸水平衡后，倒出量筒里的剩余水，从新初始净水体积 V0，读取量筒中实际水刻度体积 VB，此时，堵漏剂颗粒吸水后的膨胀体积为 V2（V2=VB- V0） ，前后两者体积相比即为该物质在某个时间段的体积膨胀倍数（钻井液中采用的是一定粒度范围的 WEA-1） 。实验分别采用了清水、4%坂土浆、聚磺钻井液、钾盐聚磺钻井液、不同区块的现场钻井液为基液进行 WEA-1

10、的常温膨胀性评价。结果表明，在几种体系钻井液或清水中堵漏剂的体积膨胀倍数相差无几，常温下体积膨胀倍数都在 45 倍。说明 WEA-1 受钻井液体系和性能的影响小，具有广泛的可应用性。钻井液类 型 膨胀倍数清水坂土 浆聚磺钻井液钾盐聚磺 钻井液八区 钻井液彩南 钻井液石南 钻井液0.5h11.51.51.01.51.51.51.0h22.52.52.02.52.52.52.0h2.53.53.53.03.53.53.54.0h3.54.54.54.04.54.54.5膨胀 时间6.0h4554.55553、温度影响实验该实验主要为了检验 WEA-1 堵漏剂在不同体系钻井液和不同温度条件下，受温度

11、影响 的程度。实验分别采用了在清水、4%坂土浆、聚磺钻井液、钾盐聚磺钻井液和彩南现场钻 井液中加入 WEA-1 堵漏剂后，在不同温度条件下的膨胀情况。实验结果表明，该产品随着 温度的升高，膨胀倍数相对增大。其抗温能力可达到 100左右，基本可满足现场使用需 求。基液类型 膨胀倍数清 水坂土浆聚磺钻井液钾盐聚磺 钻井液彩南油田 钻井液253.54.54.54.04.5404.55.55.55.55.06056.56.56.56.080688.587.5试 验 温 度100810109.59.5 试验膨胀时间为 4h4、堵漏效果评价44.1 膨胀颗粒堵漏剂的封堵能力试验（1）模拟实验装置实验中采用

12、了评价采油堵水调剖作业时所用的岩心流动封堵实验装置。人造岩心参数： 100%、80 目石英砂用 10%环氧树脂胶结；岩心尺寸：长度 9.59cm，岩心截面积 5.06 cm2（石油大学提高采收率中心制造） ，岩心初始水相渗透率 8.168.09m2，基本用于模 拟地层裂缝的大渗透率人造岩心。将延迟膨胀堵漏剂粉碎成颗粒，选取颗粒粒径为过 100250 目筛（最小粒径 0.06mm）的产品，在中间容器内用水搅拌配制成浓度为 200mg/L 的悬浮液，用手摇泵快速打入已经固定在岩心夹持器中的岩心。关闭阀门，恒定稳定等待 膨胀时间。随后转用微量计量泵注水，通过测量岩心夹持器注入口的压力变化，考查堵漏

13、剂颗粒膨胀后对人造毛细管孔道的封堵能力，近似获得堵漏剂膨胀体在单位面积单位长度 岩芯中的耐压强度。岩心流动封堵实验流程示意图A微量计量泵、手摇泵；B中间容器（油） ；C中间容器（水） ；D中间容器（药剂） ；E岩心夹持器；F接样瓶；G注入口压力表；H环空压力表；I恒温箱。（2）实验结果实验结果给出了不同注入阶段岩心两端压力差的变化情况，注入前期，压力明显有一 个提高，说明颗粒随着水介质一起流动进入岩心孔道。第二阶段为颗粒连续注入阶段，整 体压力变化趋势向上，但存在较大的波动，其原因就是颗粒在孔道内的运移所致。颗粒在 岩心孔喉孔道内被卡住时，压力提高，起到了注入封堵作用。由于颗粒具有较好的弹性，

14、 随着颗粒的移动，封堵孔道的变形错位，压力下降。所以，在延迟膨胀的初期，堵漏剂颗 粒随着水介质在岩心多孔介质内可以保证流动状态，对于颗粒运移到大孔道或裂缝地带再 膨胀封堵，提供了时间保证和流动性保证。50510152025303501234567实验次数压力强度（kg/cm2cm）虽然条件无法保证每次实验条件的相同性，但 6 次重复实验的结果说明，堵漏剂颗粒 在人造孔道的封堵压力可以达到 1422kgcm2cm。 需要说明，由于堵漏剂颗粒自身密度为 1.31.5gcm3，在注入岩心过程中颗粒悬浮 液的稳定性不好，每次实验的有效注入数量相差较大，模拟的重复性不理想。 4.2 模拟堵漏实验 实验采

15、用 71 型高温高压失水仪，底部铺 50g、2mm5mm 的核桃壳（40%）和石英石 （60%）混合物模拟地层的渗透。采用彩南油田现场取样钻井液，分别加入不同量的 WEA-1 堵漏剂（40-60 目） ，搅拌 0.5h 后，倒入 71 型高温高压失水仪中进行封堵试验评价。试验 结果表明，WEA-1 具有可靠的堵漏效果，随加量增加堵漏时间缩短，漏失量明显减少，适 宜加量为 1.5%-3%。加量（%）堵住时间 s滤失量（常压）ml滤失量（0.7MPa）ml常温5578114160405259 常温4147901.560333835 常温3741712.060293131 常温3134642.560

16、202225 常温2123503.060141519 常温1921475.0601314185、对钻井液性能的影响实验 实验采用彩南现场钻井液，加入 WEA-1 后搅拌 1h，在 22条件下，堵漏剂对钻井液性 能的影响较小，有利于在地面配制堵漏钻井液，在 60时，随着堵漏剂加量的增加，钻井 液的粘度、切力均较大提高，失水量降低，有利于在漏失层位形成桥塞段，增强堵漏效果。钻井液性能加量及温度 g/cm3T sPV mPa.s/ PaFL ml加样前221.0653161/256601.0654171/25221.0660191/251.5%601.0674212/44.5221.0664201.5/353.0601.0794354/64.0六、现场使用情况：六、现场使用情况：1.彩南油田的 C2872 井，钻进至 1450m 时发生井漏。经现场判断漏层在上部吐谷鲁 组的 720m 左右。当时用 3%综合堵漏剂和 1%短棉绒的堵漏浆堵漏成功，但在随后的钻进中， 不断出现渗漏现象，采取边堵