水平井用液體膠塞制備與放大試驗(yàn)研究

李 欣 ，楊東海 ，黃 其 ，劉 音 ，馮國君 ，常 青 ，劉雨晨

（1．中國石油集團(tuán)渤海鉆探公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油廠地質(zhì)研究所，天津 300283；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探公司工程技術(shù)研究院，天津 300280）

水平井用液體膠塞制備與放大試驗(yàn)研究

李 欣1，楊東海1，黃 其1，劉 音1，馮國君2，常 青3，劉雨晨1

（1．中國石油集團(tuán)渤海鉆探公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油廠地質(zhì)研究所，天津 300283；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探公司工程技術(shù)研究院，天津 300280）

根據(jù)液體膠塞的作用和具體參數(shù)要求，制備出水溶性高分子聚合物的液體膠塞，讓其在井筒內(nèi)進(jìn)行交聯(lián)聚合反應(yīng)，并以大塊的形式固結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)篩管壁與井壁的封堵。本研究考察了單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、溫度等主要因素對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響，并進(jìn)行了35 kg級(jí)模擬水平井的放大試驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)單體為丙烯酰胺且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，在60℃下用量10-5g數(shù)量級(jí)的過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉引發(fā)劑，且用10-4g數(shù)量級(jí)的交聯(lián)劑丙烯酸羥乙酯進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，制備的液體膠塞具有較好的強(qiáng)度且無脆性，可以滿足施工的使用要求。

液體膠塞；篩管完井；環(huán)空封隔材料；高分子聚合物

20世紀(jì)90年代，國外開始研究植物膠液體膠塞，如 Halliburton公司的 Temblock-90、Phillips公司的Tempgel等，將其應(yīng)用在修井、堵漏作業(yè)中，取得了不錯(cuò)的效果。液體膠塞的研究在國內(nèi)尚處于起步階段，渤海石油鉆井公司報(bào)道的暫堵劑產(chǎn)品，是以乙醇為分散劑、四氯化鈦為交聯(lián)劑的田菁膠凍膠，但由于田菁膠濃度很低（1%～2%），應(yīng)用受到限制[1]。1998年，由長慶石油勘探局鉆采工藝研究院研制的植物膠液體膠塞是以胍膠為原料，其應(yīng)用是將膠塞擠入射孔眼、裂縫、填砂層進(jìn)行封堵，承壓能力與炮眼等的孔徑大小密切相關(guān)[2]。2008年，自破膠液體膠塞水平井分段射孔壓裂工藝及膠塞申請(qǐng)國家專利，該膠塞是用胍膠粉劑制備胍膠基液后，利用交聯(lián)劑交聯(lián)制備而成的[3]。

國內(nèi)外研究的液體膠塞堵劑都并非以大塊的膠塞形式存在，而是通過擠入裂縫、炮眼等凝膠后起到封堵的作用，本公司對(duì)水平井篩管完井中所使用的化學(xué)手段封堵劑進(jìn)行了調(diào)研，機(jī)械卡封的辦法難以實(shí)施，主要依靠化學(xué)手段封堵，其中的核心技術(shù)為“環(huán)空封隔材料”，也叫“液體膠塞”，是大塊存在于管外環(huán)空的封隔材料。我國環(huán)空封隔材料研制成功的首例是2008年中國石油大港油田公司研制的環(huán)空封隔液體膠塞，是以丙烯酸和淀粉接枝共聚，通過氧化劑引發(fā)產(chǎn)生爆聚，形成強(qiáng)凝膠產(chǎn)物。但反應(yīng)聚合時(shí)間長達(dá)4 h～24 h，且穩(wěn)定時(shí)間短在 24 h～48 h，適用于暫堵[4，5]。本公司研制出一種高分子液體膠塞，它具有成膠時(shí)間可控，可根據(jù)需求以達(dá)到施工要求的成膠時(shí)間，形成的膠塞均一、穩(wěn)定、有強(qiáng)度、有韌性，且穩(wěn)定時(shí)間較長，可在堵水施工完成后用化學(xué)和機(jī)械聯(lián)合方法清除，也可用單一化學(xué)方法清除。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

主要原料：丙烯酰胺、丙烯酸鈉、丙烯磺酸鈉 、偶氮二異丁腈、過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉、過氧化苯甲酰、甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯、硼砂、硼酸、硝酸鉻、過硫酸鉀、過硫酸銨、雙氧水、次氯酸鈉等皆為工業(yè)純。

2 結(jié)果與討論

2.1 單體種類及含量對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響

選丙烯酰胺、丙烯酸鈉、丙烯磺酸鈉幾種單體分別進(jìn)行共聚反應(yīng)制備液體膠塞，不同種類的單體對(duì)液體膠塞的性能影響不同。單體不同含量時(shí)的液體膠塞性質(zhì)（見表1）。當(dāng)單體含量較小時(shí)，所制備的液體膠塞強(qiáng)度較低；當(dāng)單體含量較高時(shí)，由于反應(yīng)大量的放熱，導(dǎo)致聚合過程中有爆聚現(xiàn)象發(fā)生。單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的液體膠塞強(qiáng)度較好，且不會(huì)出現(xiàn)爆聚現(xiàn)象。

表1 單體種類及含量對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響（T=60℃）

2.2 引發(fā)劑種類及用量對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響

選偶氮二異丁腈、過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉、過氧化苯甲酰幾種引發(fā)劑分別在60℃條件下引發(fā)共聚反應(yīng)制備液體膠塞，不同種類及用量的引發(fā)劑對(duì)液體膠塞的強(qiáng)度影響不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

表2 引發(fā)劑種類及用量對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響（T=60℃）

由表2可知，用過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉作為引發(fā)劑可以制備較高強(qiáng)度的液體膠塞。引發(fā)劑過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉的用量對(duì)液體膠塞的初始交聯(lián)時(shí)間和成膠時(shí)間有明顯的影響（見表3）。

由表3數(shù)據(jù)可知，伴隨引發(fā)劑用量的減少，液體膠塞的初始交聯(lián)時(shí)間、成膠時(shí)間逐漸延長，初始交聯(lián)時(shí)間應(yīng)大于30 min，因此，引發(fā)劑的用量應(yīng)控制在10-5g數(shù)量級(jí)。

表3 引發(fā)劑過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉用量對(duì)初始交聯(lián)時(shí)間、成膠時(shí)間的影響

2.3 交聯(lián)劑種類及用量對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響

選擇兩種有機(jī)交聯(lián)劑甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯和三種無機(jī)交聯(lián)劑硼酸、硼砂、硝酸鉻，研究有機(jī)、無機(jī)交聯(lián)劑對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用有機(jī)交聯(lián)劑交聯(lián)形成的液體膠塞強(qiáng)度高于無機(jī)交聯(lián)劑形成的液體膠塞強(qiáng)度。由于不同種類交聯(lián)劑的主鏈長短不同，對(duì)交聯(lián)后形成的聚合物液體膠塞的脆性和強(qiáng)度也明顯不同（見表4）。當(dāng)交聯(lián)劑的主鏈較長時(shí)，所制備的液體膠塞的強(qiáng)度有所下降，而液體膠塞的脆性可以得到相應(yīng)改善。交聯(lián)劑的用量對(duì)液體膠塞的強(qiáng)度和脆性也有較大的影響，當(dāng)交聯(lián)劑用量較多時(shí)，液體膠塞的脆性較大，承壓過程中較易脆裂；當(dāng)交聯(lián)劑用量較少時(shí)，雖韌性較好，但自身強(qiáng)度的提高不明顯。

表4 交聯(lián)劑甲基丙烯酸和丙烯酸羥乙酯用量對(duì)液體膠塞強(qiáng)度的影響

由表4中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)交聯(lián)劑甲基丙烯酸用量在10-4g數(shù)量級(jí)時(shí)，制備的液體膠塞具有較好的強(qiáng)度且脆性較小，可以滿足使用要求；當(dāng)交聯(lián)劑丙烯酸羥乙酯的用量在10-4g數(shù)量級(jí)時(shí)，液體膠塞具有較好的強(qiáng)度且無脆性，也可以滿足使用要求。

2.4 溫度對(duì)破膠的影響

控制破膠溫度為60℃，對(duì)不同破膠濃度下的4種破膠劑的破膠能力進(jìn)行了研究，結(jié)果（見表5）。

表5 60℃條件下，4種破膠劑及其濃度變化對(duì)破膠效果的影響

由表5可知，伴隨破膠劑濃度的增加，破膠液的破膠時(shí)間逐漸減少，其中，雙氧水和次氯酸鈉的破膠時(shí)間均可控制在4 h以內(nèi)。60℃時(shí)，使用破膠劑次氯酸鈉在破膠前（左）、破膠后3 h（右）對(duì)液體膠塞拍攝的照片（見圖1），破膠劑次氯酸鈉在3 h內(nèi)可完成對(duì)液體膠塞的破膠，從右圖可以看出，膠塊已完全消失，成為液體狀。

圖1 液體膠塞破膠前（左）與破膠后3 h（右）的照片

2.5 35 kg級(jí)模擬水平井放大試驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)室取得的結(jié)果進(jìn)行了35 kg級(jí)模擬水平井的放大試驗(yàn)，在模擬液體膠塞在水平井中成膠的條件下，進(jìn)行了三次放大試驗(yàn)，得到了兩個(gè)35 kg級(jí)液體膠塞的優(yōu)化配方。前兩次主要用單體丙烯酰胺及一些功能性的助劑，第三次使用單體丙烯酰胺和丙烯酸鈉的復(fù)合體系。

模擬水平井制備的35 kg級(jí)液體膠塞裝置（見圖2），該裝置管路內(nèi)徑為12 cm，長度為3.2 m，管路一側(cè)裝有進(jìn)料管，且進(jìn)料管上方裝有球形閥，在管路的前、中、后三處裝有熱電耦溫度計(jì)，該熱電耦連接到溫控記錄儀，實(shí)時(shí)記錄并描繪出溫度-時(shí)間曲線。該溫度-時(shí)間曲線能夠準(zhǔn)確表示反應(yīng)起始時(shí)間及成膠時(shí)間。整個(gè)模擬水平井管路裝置平躺在水浴中，水浴溫度控制在60℃左右，另有三個(gè)熱電耦溫度計(jì)也分別置于水浴的前、中、后三處監(jiān)控水浴的溫度。

圖2 35 kg級(jí)模擬水平井放大制備液體膠塞裝置

溫度60℃，對(duì)35 kg級(jí)模擬水平井制備的液體膠塞膠塊進(jìn)行了破膠試驗(yàn)，結(jié)果顯示，膠塊（見圖3）在3 h內(nèi)可以完全破膠（技術(shù)要求破膠時(shí)間小于5 h），破膠后的黏度小于10 mPa·s。根據(jù)模擬水平井裝置三次放大試驗(yàn)的結(jié)果，制備的液體膠塞、優(yōu)選的破膠劑配方和工藝的研究工作已獲得進(jìn)展。

圖3 35 kg級(jí)模擬放大試驗(yàn)中所得的膠塊實(shí)物

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)高分子材料的原料進(jìn)行篩選，制備出以水溶性高分子聚合物為材料的液體膠塞。當(dāng)單體為丙烯酰胺且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，在60℃下用量10-5g數(shù)量級(jí)的過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉引發(fā)劑，且用10-4g數(shù)量級(jí)的交聯(lián)劑丙烯酸羥乙酯進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，制備的液體膠塞具有較好的強(qiáng)度且無脆性，可以滿足施工的使用要求。

（2）將室內(nèi)所得配方放大到35 kg級(jí)模擬水平井試驗(yàn)，結(jié)果顯示，初始交聯(lián)時(shí)間和成膠時(shí)間均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求；使用破膠劑次氯酸鈉進(jìn)行了破膠試驗(yàn)，膠塊在3 h內(nèi)可以完全破膠，破膠后的黏度小于10 mPa·s。

［1］李銀素，陳淑生.抗高溫完井暫堵劑［P］.中華人民共和國發(fā)明專利，CN1047686.

［2］楊洪志，朱建峰，管保山，等.植物膠液體膠塞CQTD-95及其暫堵技術(shù)研究［J］.油田化學(xué)，1998，15（3）：224-227.

［3］李憲文，趙文，李建山，等.自破膠液體膠塞水平井分段射孔壓裂工藝及膠塞［P］.中華人民共和國發(fā)明專利，CN101270277.

［4］馬如然，劉音，常青.油田壓裂用暫堵劑技術(shù)［J］．天然氣與石油，2013，31（6）：79-82.

［5］劉音，常青，譚銳，等.水平井控水用液體膠塞的室內(nèi)合成研究［J］.石油化工應(yīng)用，2015，34（8）：97-100.

Study on synthesis and magnifying test of liquid colloid plug for horizontal well

LI Xin1，YANG Donghai1，HUANG Qi1，LIU Yin1，F(xiàn)ENG Guojun2，CHANG Qing3，LIU Yuchen1
（1.Downhole Technical Service Branch Company，BHDC，Tianjin 300283，China；2.The Fifth Geological Institute of Oil Recovery Plant，Dagang Oilfield，Tianjin 300283，China；3.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China）

The water-soluble polymer of liquid colloid plug was synthesized according to claims of function and specific parameters,and makes it is cross-linked in shaft,which become a big sheet control sieve tubes wall and well wall.In this present research,the effect of intensity for liquid colloid plug is investigated by monomer,initiator,cross-linkers,temperature,and so on,also carry out the bigger scale test of thirty-five kilogram horizontal wellbore.The study demonstrates that optimizing monomer acrylic amide and its optimal dosage is 35%,initiator potassium persulfate-sodium bisulfate and its optimal dosage is 10-5gram,cross-linkers hydroxyl-ethyl acrylate and its optimal dosage is 10-4gram magnitude,the synthesis of liquid colloid plug possess good intensity and without brittleness,and meet the requirement of construction progress.

liquid rubber plug；sieve tubes well completion；packing material；polymer

TE358.3

A

1673-5285（2017）10-0024-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.006

2017－08-30

李欣，男（1989-），工程師，碩士研究生在讀，從事井下作業(yè)技術(shù)研究及項(xiàng)目管理工作，郵箱：674464937@qq.com。