新型自膠結堵漏劑的研制

呂開河,邱正松,賀 雷

(中國石油大學石油工程學院,山東青島 266555)

新型自膠結堵漏劑的研制

呂開河,邱正松,賀 雷

(中國石油大學石油工程學院,山東青島 266555)

針對現(xiàn)有橋接堵漏劑存在的問題,研制出一種新型自膠結堵漏劑。自膠結堵漏劑為形狀不規(guī)則的固體顆粒,在水介質環(huán)境中發(fā)生化學反應,其反應產物充填于顆粒之間,使自膠結堵漏劑膠結在一起,形成具有一定強度的固結體。試驗結果表明:自膠結堵漏劑膠結速率及固結體的抗壓強度受溫度、顆粒粒徑及外加劑影響,可通過顆粒粒徑及添加劑進行調節(jié);固結體具有一定滲透性,且其滲透率可調,適合于油氣層堵漏。

油井;自膠結;井漏;堵漏;堵漏劑

井漏對油田鉆井作業(yè)危害極大,目前應用最廣泛堵漏材料為橋接堵漏劑[1-6]。橋接堵漏劑在壓差的作用下進入地層孔隙或裂縫,通過顆粒間的架橋、充填作用封堵孔隙或裂縫[7-11],阻止鉆井液繼續(xù)漏失。由于橋接堵漏劑自身不能膠結在一起,同時也不能與漏失地層膠結在一起,導致封堵層承壓能力不高,在以后的鉆進作業(yè)中容易再次發(fā)生井漏。為解決此類問題,筆者研制一種新型自膠結化學堵漏劑。

1 自膠結堵漏劑的制備及理化性能

1.1 自膠結堵漏劑的制備

選擇鋁土礦、石灰石和石膏為主要原料,在 1000～1400℃下燒制一定時間,將產物磨細至所需粒度,并添加一定的添加劑,即得自膠結堵漏劑。

1.2 自膠結堵漏劑的理化性能

(1)自膠結堵漏劑的外觀特征。在常溫、干燥條件下,自膠結堵漏劑為松散顆粒,顆粒之間不發(fā)生反應。

(2)自膠結化學堵漏劑顆粒粒徑分布。將 500 g自膠結堵漏劑放到電動振動篩進行振動分級,5 min后停止振動,稱取各級別的質量,計算不同粒徑顆粒所占的質量分數。試驗結果表明,自膠結堵漏劑由不同粒徑的顆粒組成,不同粒徑的顆?？赏ㄟ^架橋、充填作用封堵地層孔隙或裂縫,起到堵漏作用。常規(guī)自膠結堵漏劑產品的粒徑分布為 0.4～0.6 mm顆粒占 20%,0.6～0.8 mm顆粒占 49.8%, 0.8～1.0 mm顆粒占 30.1%,其他占 0.1%。在實際應用中,可根據漏失地層的實際狀況,制備不同粒徑及粒徑分布的自膠結堵漏劑產品。

(3)自膠結堵漏劑密度。得到自膠結堵漏劑的體積V和質量 m,可通過ρ=m/V計算得到樣品的密度。對質量m很容易使用天平稱獲得,體積V可使用如下方法獲得:將稱取的自膠結堵漏劑產品放入量筒中,保證顆粒在量筒中的平面水平,緩慢倒入蒸餾水,沒過顆粒平面,驅走顆粒間的空氣,記下倒入蒸餾水的體積 Vb和此時顆粒與蒸餾水占據總的空間體積Vo,則顆粒的總體積 V=Vo-Vb。試驗測得自膠結堵漏劑的密度為 1.075 g/cm3。

2 膠結與穩(wěn)定性能的評價

將自膠結堵漏劑壓實裝入一端開口的Φ25 mm ×30 mm的玻璃管中,然后置于恒溫水浴中,水的深度大于玻璃管高度,水進入玻璃管,在一定時間內堵漏劑在水介質環(huán)境下發(fā)生反應形成固結體。輕輕敲碎玻璃管,取出固結體,將固結體兩端除糙磨平,放入 40℃的恒溫箱進行 24 h的烘干,將烘干后的巖心取出備用。

2.1 溫度及時間對膠結性能的影響

為評價自膠結堵漏劑在不同條件下的膠結情況,在不同溫度及不同時間下進行了膠結試驗,并對固結體抗壓強度進行了測定,試驗結果見表 1。

表 1 自膠結堵漏劑固結體抗壓強度Table 1 Compressive strength of cementing body of self-bonding lost circulation agent

由表 1看出,溫度和時間對自膠結堵漏劑膠結狀況有很大的影響:溫度越高,越有利于其膠結;養(yǎng)護時間越長,膠結狀況越好。因此,在實際堵漏作業(yè)中,應根據不同漏失地層的特點,掌握自膠結堵漏劑的注入時間及侯堵時間,確保堵漏劑能在漏失層中膠結良好,有效封堵漏層。

2.2 顆粒粒徑對膠結性能的影響

用粉碎機將自膠結堵漏劑磨細,分別評價其粒徑 d在 0.15～0.25 mm及小于 0.15 mm的膠結情況,試驗結果見表2。

由表 2可以看出,在同樣的條件下,將自膠結堵漏劑磨細,促進了其膠結,減少了堵漏劑的膠結時間,增加了膠結的強度。因此,在實際堵漏作業(yè)過程中,可以根據漏層的位置及溫度,合理選擇自膠結堵漏劑的粒度,做到高效快速封堵漏層。

表 2 不同粒徑自膠結堵漏劑固結體的抗壓強度Table 2 Compressive strength of cementi ng body of self-bondi ng lost circulation agent with different di ameters

2.3 外加劑對固結體強度的影響

外加劑的加入可加速自膠結堵漏劑的水解固化,提高固結體的早期強度和最終強度。在相同配方及相同固結環(huán)境下,加入不同外加劑進行固結,測固結體的抗壓強度,試驗結果見表 3。

表 3 外加劑對固結體抗壓強度的影響評價Table 3 Effect of additives on compressive strength of cementing body of self-bonding lost circulation agent

從表 3可以看出,外加劑 CaCl2和三乙醇胺的加入有利于提高固結體抗壓強度,CaCL2提高抗壓強度的能力好于三乙醇膠。由于外加劑能促進化學堵漏劑水化,使其反應速度加快,一定時間內產生的反應產物(起膠結作用)增多,因此提高了固結體的抗壓強度。

2.4 自膠結堵漏劑與地層巖石膠結性能

為了評價自膠結堵漏劑進入地層后與地層巖石的膠結狀況,進行了堵漏劑 (d≤0.15 mm)與砂巖、泥頁巖和灰?guī)r混合物的膠結試驗,砂巖、泥頁巖和灰?guī)r顆粒的粒徑在 0.2～0.4 mm。試驗結果見表 4。

表 4 自膠結堵漏劑與巖石混合物固結體強度Table 4 Compressive strength of blending cementi ng body of self-bonding lost circulation agent and rock

由 4可以看出,自膠結堵漏劑與與砂巖、泥頁巖和灰?guī)r混合物固結體的抗壓強度,與自膠結堵漏劑單獨形成固結體的抗壓強度相當,說明少量砂巖、泥頁巖和灰?guī)r的混入不影響自膠結堵漏劑的膠結。同時,通過觀察可以發(fā)現(xiàn),通過自膠結堵漏劑水化產物的作用,砂巖、泥頁巖和灰?guī)r顆粒與自膠結堵漏劑牢固地粘結在一起。

2.5 自膠結堵漏劑固結體穩(wěn)定性能

自膠結堵漏劑固結體能否具有較長時間的強度,將直接決定自膠結堵漏劑堵漏的有效性。先將自膠結堵漏劑固結體(50℃,24 h)置于清水中,再分別置于 80和120℃的恒溫箱中進行老化試驗,每5 d取出3塊固結體烘干,測其強度,試驗結果見圖 1。

圖 1 自膠結堵漏劑固結體抗壓強度隨時間的變化Fig.1 Changing of compressive strength of cementing body of self-bondi ng lost circulation agent with ti me

由圖 1看出,自膠結堵漏劑固結體有較高的穩(wěn)定性,隨放置時間的增加,其抗壓強度變化很小。

3 自膠結堵漏劑固結體滲透率調節(jié)

對于油層堵漏,自膠結堵漏劑固結體應具有一定的滲透性,使堵漏后油層仍能維持一定的產量。把自膠結堵漏劑按粒徑分級為 0.4～0.6,0.6～0.8,0.8～1.0,1.0～1.2 mm,在 50℃,24 h條件下生成固結體。固結體滲透率及抗壓強度與粒徑的關系見圖2。

圖 2 堵漏劑粒徑對滲透率及抗壓強度的影響Fig.2 Effect of particle size of self-bonding lost circulation agent on permeability and compressive strength

由圖 2可以看出,隨著粒徑增大,固結體的滲透率增大,抗壓強度減小。因此,可通過適當調整自膠結堵漏劑粒徑,使固結體在具有一定抗壓強度的前提下具有較高的滲透率,達到既能堵漏又不堵死油層的效果。綜合考慮,堵漏劑粒徑應控制在 0.1～0.7 mm,在此粒徑范圍內,膠結速率較快,固結體強度及滲透率較高。

4 自膠結堵漏劑固結機制分析

4.1 自膠結堵漏劑的水化特性

自膠結堵漏劑主要礦物成分為無水硫鋁酸鈣(3CaO·3Al2O3·CaSO4)和硅酸二鈣 (2CaO· SiO2)。硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為水硬性材料,遇水發(fā)生水化、硬化反應。水化作用初期主要產生溶解—沉淀反應,其主要水化產物是鈣礬石 (高硫型硫鋁酸鈣 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)、氫氧化鋁凝膠 (A12O3·3H2O凝膠)和水化硅酸鈣凝膠 (CaO ·SiO2·H2O)。

(1)水化反應。

硅酸二鈣水化生成的氫氧化鈣又可與該系統(tǒng)中的氫氧化鋁凝膠和石膏起作用生成鈣礬石,其反應如下:

反應生成的鈣礬石形成堅硬的骨架,同時析出的氫氧化鋁凝膠和水化硅酸鈣凝膠一起充填在骨架中間,起連接加固作用,使固化體結構很快能加固密實。

(2)硬化過程。當自膠結堵漏劑按照水化過程達到終凝以后,水化作用仍在進行,水化物硫鋁酸鈣、氫氧化鋁凝膠和硅酸鈣凝膠以更小的纖維晶體從固結主料的顆粒表面析出,并且數量顯著增加。這些纖維晶體象鏈條一樣把固體顆粒牢固地連接成整體,使原來沒有明顯機械強度的自膠結堵漏劑聚集體逐漸產生更高的機械強度,或者說硬化成象巖石般的固結體。

4.2 固結體微觀結構特征

為了觀察自膠結堵漏劑固結體的微觀結構,進行了掃描電鏡試驗,掃描電鏡圖片見圖 3。

由圖 3可以看出,自膠結堵漏劑在一定條件下發(fā)生化學反應,其反應產物呈針狀和板狀,充填于顆粒之間起連接作用,使自膠結堵漏劑膠結在一起,形成固結體。

圖 3 自膠結堵漏劑固結體掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scann i ng electron m icroscope picture of cementi ng body of self-bondi ng lost circulation agent

5 結 論

(1)自膠結堵漏劑為形狀不規(guī)則的顆粒狀固體,可通過架橋充填作用,在孔隙、裂縫和溶洞中快速滯留。

(2)自膠結堵漏劑在水介質環(huán)境中發(fā)生化學反應,其反應產物呈針狀或板狀充填于顆粒之間,使自膠結堵漏劑膠結在一起,形成具有一定強度的固結體。

(3)自膠結堵漏劑膠結速率及固結體的抗壓強度受溫度、顆粒粒徑及外加劑影響,可通過顆粒粒徑及添加劑進行調節(jié)。

(4)自膠結堵漏劑固結體具有一定滲透性,且其滲透率可調,適合于油氣層堵漏。

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(編輯 劉為清)

Preparation of a novel self-bonding lost circulation agent

LüKai-he,Q IU Zheng-song,HE Lei
(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China)

In view of the limitations of traditional lost circulation agents,a novel self-bonding lost circulation agentwas prepared.The self-bonding lost circulation agent is solid and irregular in shape,and can reactwithwater.The reaction products fill bet ween particles and cement the particles together.The cementing rate of the self-bonding lost circulation agent and compressive strength of cementing body is affected by temperature,particle size and added additives,which can be adjusted by changing particle size and added additives.The cementing body has certain per meability and the permeability can be adjusted,so it can be used to control lost circulation in reservoir.

oilwells;self-bonding;lost circulation;lost circulation control;lost circulation agent

TE 252

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.034

1673-5005(2010)04-0172-04

2010-04-19

國家科技重大專項課題(2008ZX05002-005);中國石油天然氣集團公司重點科技攻關項目(06B2010203)

呂開河(1970-),男(漢族),河北保定人,副教授,博士,主要從事井壁穩(wěn)定、油氣層保護及油田化學劑開發(fā)方面的研究。