钻井用延时吸水膨胀堵漏剂的制备及其室内性能评价*

曾志强

(中石化南京化工研究院有限公司，江苏南京 210048)

井漏是石油和天然气钻探过程中经常遇到的复杂问题之一[1]。因井漏引起的井下复杂事故对钻井、完井施工危害极大，一直是国内外石油工程界十分关注的问题。钻井作业中一旦发生漏失，不仅延误钻井时间，损失钻井液，损害油气层，干扰地质录井工作，严重时还可能引起井壁失稳导致井塌、卡钻、井喷等一系列复杂情况与事故，甚至导致井眼报废，造成重大的经济损失。因此，堵漏是钻井工程中必须采取的一项重要措施[2-6]。目前，国内外使用的堵漏材料有很多种，聚合物类吸水膨胀型堵漏材料是其中较为常见的一种，其在井筒中及漏失裂缝中会吸水发生体积膨胀，形成一种具有弹性和韧性的物质，在压力作用下通过架桥作用堵塞裂缝，达到堵漏的目的[7-10]。但常规吸水膨胀堵漏材料抗温能力差、强度低、膨胀速率难以控制，通常由地面到进入漏失层位的过程需要几个小时，优良的吸水膨胀材料在此时间段内会高速吸水，体积大幅膨胀，无法准确到达漏失点，影响了实际的堵漏效果。

针对上述问题，研究人员采用多种技术措施来减缓堵漏剂的吸水速率，达到延缓膨胀的目的。如包裹法[11]、疏水性交联剂法[12]等，但这些方法均具有一定的局限性：包裹法制备工艺复杂，对包覆设备要求高，难以实现工业化生产；疏水性交联剂法制备的吸水膨胀材料，材料内外没有明显的吸水膨胀能力差，进而导致该吸水膨胀材料整体吸水膨胀能力减小、放缓，而并未出现先缓慢后迅速吸水膨胀的特点。笔者采用改性法对吸水膨胀树脂表面的亲水基团进行疏水改性，制得一种耐高温延时吸水膨胀堵漏剂，在水中随着温度的变化及时间的延长，水缓慢从延时膨胀堵漏剂表面疏水链之间的空隙进入堵漏剂内核，从而呈现出堵漏剂前期缓慢吸水膨胀后期迅速吸水膨胀的趋势。与现有延时膨胀堵漏剂相比较，该延时膨胀堵漏剂具有优良的延时吸水膨胀效果，使得堵漏剂颗粒在进入漏失层位过程中不膨胀(或缓慢膨胀)，随着进入地层的时间或地层温度等因素影响，到达漏失层位时堵漏剂颗粒迅速吸水膨胀，从而达到对漏失地层良好封堵效果。

1 试验部分

1.1 试验试剂与仪器

1.1.1 主要试剂

丙烯酸(AA)，氢氧化钠，引发剂，氯化钠：以上试剂均为分析纯，南京化学试剂有限公司；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；增强剂：胜利油田博友泥浆技术有限责任公司；膨润土：潍坊市坊子区兴隆膨润土厂；交联剂：实验室自制；改性剂、催化剂：国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 主要仪器

EX324ZH 型天平：美国奥豪斯公司；DHG-9146A 型恒温箱：上海精宏实验设备有限公司；Y6202 型粉碎机：北京燕山正德机械设备有限公司；DF-Ⅱ型集热式磁力搅拌器：江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；DL-2 型堵漏仪：青岛鑫睿德石油仪器有限公司。

1.2 延时吸水膨胀堵漏剂的制备

在装有搅拌装置及N2导管的反应器中，依次加入水、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、增强剂等，搅拌均匀后以(w)25% NaOH 溶液调节中和度至40%，再加入交联剂及引发剂，升温至50 ℃反应3 h，得到黏弹性凝胶体，取出干燥、粉碎造粒、过0.425～3.35 mm(6～40 目)筛，即得到耐温吸水膨胀树脂。

取一定量的上述树脂，依次加入适量改性剂和催化剂，缓慢升温至80 ℃，反应2 h，取出过滤干燥后即得到延时吸水膨胀堵漏剂。

1.3 性能测试

1.3.1 吸水膨胀倍率测试

以带准确刻度的量筒先量取一定体积的水(V0)，加入干燥的树脂，读取量筒中实际水刻度体积(VA)，则干燥堵漏剂颗粒的体积为V1(V1=VA-V0)。在设定温度的水浴中膨胀一定时间后，倒出量筒中剩余水，重新加入初始净水体积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)，V2/V1的值即为该堵漏剂颗粒在某时间段的体积膨胀倍数。

1.3.2 堵漏性能测试

采用DL-2 型堵漏仪，选用4.39 mm 钢珠模拟渗透型漏失地层，参照石油天然气行业标准SY/T 5840—2007 《钻井液用桥接堵漏材料室内实验方法》评价试样的堵漏性能。

2 结果与讨论

2.1 表观特征

延时膨胀堵漏剂为不同粒径的灰白色固体小颗粒(如图1 所示)，有利于进入不同尺寸的裂缝或漏失通道中，吸水膨胀后达到封堵的效果。

图1 延时膨胀堵漏剂

2.2 延时吸水膨胀性能评价

取延时改性前后的试样及市售的2 种延时膨胀堵漏剂，分别测试在30，50，80 ℃条件下，清水和(w)5%膨润土浆中吸水膨胀倍数，试验结果分别见图2—图4。

图2 30 ℃下的吸水膨胀性能

图3 50 ℃下的吸水膨胀性能

图4 80 ℃下的吸水膨胀性能

由图2—图4 可见：改性后的延时膨胀堵漏剂在不同温度下的清水中或膨润土浆中，均具有一定的延时膨胀效果。室温下(约30 ℃)，清水中延时约2 h，膨润膨润土浆中延时约2.5 h；随着温度的升高，延时膨胀时间逐渐缩短；在80 ℃时，清水和膨润土浆中均延时0.5～1 h。与市售的2 种延时膨胀堵漏剂相比，改性后的延时膨胀堵漏剂延时吸水膨胀效果尤为明显。同时，其吸水膨胀能力(吸水膨胀平衡倍数)随着温度的升高逐渐增强，室温下，清水中吸水膨胀能力为28 倍，膨润土浆中吸水膨胀能力为15 倍；50 ℃时，清水中吸水膨胀能力可到50 倍，膨润土浆中吸水膨胀能力可达到30倍；80 ℃时，清水中吸水膨胀能力可到55 倍，膨润土浆中吸水膨胀能力可达到35 倍。由此可见，该延时膨胀堵漏剂的吸水膨胀能力也比市售的2 种延时膨胀堵漏剂强。

2.3 耐温性能评价

取1.0 g 延时膨胀堵漏剂试样倒入高温老化罐中，加入400 g (w)5%膨润土浆，置于一定温度下的加热炉中。24 h 后打开老化罐，滤去游离水，测定试样吸水膨胀倍数，并观察试样形态，试验结果见表1 及图5。

由表1 及图5 可见：延时膨胀堵漏材料在膨润土浆中经热处理后，吸水膨胀性能随温度升高而增大(100 ℃以内)，且吸水膨胀后延时膨胀堵漏材料具有一定的强度，弹性较强。当热处理温度达到120 ℃时，部分延时膨胀堵漏材料发生脱水，但仍具有一定的强度。可见，延时膨胀堵漏剂的耐温性基本可达到120 ℃。

表1 延时膨胀堵漏剂耐温性能

图5 不同耐热温度下24 h吸水膨胀后形态

2.4 堵漏性能评价

配制(w)5%的膨润土浆，预水化处理24 h 后，加入(w)0.3%的延时膨胀堵漏剂，搅拌2 h 配制成堵漏浆。以4.39 mm 钢珠模拟渗透型漏失地层，进行堵漏性能评价试验，结果见表2。

由表2 可见：在堵漏浆中延时膨胀堵漏剂加量(w)为0.3%时，堵漏浆即具有良好的封堵效果。随着压力升高、时间的延长，堵漏颗粒逐渐吸水膨胀，延时膨胀堵漏浆最终将渗透型漏失地层完全封堵住。与市售2种堵漏剂相比较，延时膨胀堵漏剂总漏失量为113 mL，其中常压漏失量仅为85 mL，远低于市售的2种堵漏剂。说明该延时膨胀堵漏剂具有优异的封堵效果。

表2 延时膨胀堵漏材料封堵性能

将已被封堵的渗透型模拟漏层静置24 h，泄压，取出堵漏层上层堵漏浆，向堵漏仪中缓慢加入2 L清水，逐步加压，测试封堵层的承压能力。测试结果见表3。

表3 封堵层承压能力

由表3 可见：随着压力的逐渐增加，封堵层无明显滴液，表明延时膨胀堵漏剂封堵过程中形成的封堵层具有较高的承压能力，可以达到6.0 MPa。该延时膨胀堵漏剂在钻井过程中具有较好的堵漏效果，具有广阔的应用前景。

3 结论

1)以丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、增强剂及交联剂为原料，在氧化-还原引发体系作用下，制备出耐温型吸水膨胀树脂，再经表面延时改性处理，制得一种耐温型延时吸水膨胀堵漏剂。

2)制备的延时膨胀堵漏剂具有良好的延时膨胀效果，在30 ℃清水中可延时约2 h，随着温度的升高，延时时间缩短，80 ℃仍可延时0.5 h 以上。延时膨胀效果优于市售同类产品。

3)针对渗透型漏失地层，延时吸水膨胀堵漏剂具有良好的封堵效果。封堵层承压能力达6 MPa，总漏失量仅为113 mL，封堵效果优于市售同类产品，且延时膨胀堵漏剂堵漏过程中形成的封堵层具有良好的承压能力。该延时膨胀堵漏剂在钻井过程中具有较好的堵漏效果，具有广阔的应用前景。