一種油基鉆井液封堵用油溶脹微凝膠的制備及性能評價(jià)

趙 艷，張?zhí)?，劉楊康，胡 靜

(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；2.中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，四川 成都 610051；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川 成都 610051)

隨著頁巖油氣勘探開發(fā)的加速，鉆井過程中所鉆遇的地層復(fù)雜，易發(fā)生垮塌、掉塊和卡鉆等井壁失穩(wěn)問題，嚴(yán)重制約著油氣勘探開發(fā)的進(jìn)程[1-2]。油基鉆井液可避免因泥頁巖的水化問題而造成的井壁失穩(wěn)問題，因此提高油基鉆井液的封堵性可從根本上增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性[3-5]。目前，人們主要通過在鉆井液中添加封堵劑對儲層孔喉進(jìn)行封堵來維持井壁穩(wěn)定[6-8]。為進(jìn)一步提高頁巖氣藏孔喉、裂縫的封堵效率，實(shí)現(xiàn)“安全，高效，環(huán)保”鉆探，本文采用超聲波分散技術(shù)以及微懸浮聚合法制備了一種油基鉆井液封堵用油溶脹微凝膠，以期在微裂縫表面形成致密封堵層，有效封堵頁巖微孔隙、微裂縫，改善井壁失穩(wěn)問題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

甲基丙烯酸丁酯(BMA)、聚乙烯醇1788(PVA)、甲基丙烯酸十八酯(SMA)、無水乙醇、十二烷基苯磺酸鈉(LAS)和過氧化苯甲酰(BPO)，分析純，成都市科龍化工試劑廠；二乙烯基苯(DVB)化學(xué)純，湖北楚爍生物科技有限公司；納米SiO2，濰坊橫爍納米材料有限公司；酚醛環(huán)氧丙烯酸酯(MEP)，自制；重晶石(密度4.2 g/cm3)，工業(yè)級，重慶聚購。

HTD-D6S型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、HTD-GL4型高溫滾子加熱爐、ZNS-2型中壓濾失儀、GGS42-2A型高溫高壓濾失儀，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司；WQF-520A型傅里葉紅外光譜儀，北京瑞利分析儀器有限公司；HS-TGA-103型熱失重分析儀，上海和晟儀器科技有限公司；Quanta450型掃描電子顯微鏡，美國科視達(dá)(中國)有限公司。

1.2 油溶脹微凝膠的合成

1)稱取一定質(zhì)量的PVA、LAS和納米SiO2于燒杯中，加入適量的純水，攪拌均勻得到預(yù)乳液，將預(yù)乳液置于超聲波中分散納米SiO2。

2)稱取一定質(zhì)量的MEP、BMA、SMA、DVB以及BPO配成油相。

3)將預(yù)乳液加至三口燒瓶中并進(jìn)行加熱，向體系中加入油相后開始攪拌，使預(yù)乳液和油相充分混合。

4)將體系溫度升至聚合反應(yīng)溫度，反應(yīng)數(shù)小時(shí)后停止反應(yīng)并進(jìn)行冷卻。

5)將反應(yīng)液進(jìn)行過濾、洗滌、干燥后得到油溶脹微凝膠。將油溶脹微凝膠粉碎，得到淡黃色粉末顆粒，即為封堵劑。

1.3 油基鉆井液的配制

按油水體積比80∶20向高攪杯中加入白油和質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的CaCl2溶液，依次加入5%復(fù)合乳化劑、3% CaO和3%有機(jī)土并各自攪拌5 min，繼續(xù)加入封堵劑攪拌10 min，最后加入重晶石攪拌30 min，以上攪拌速度均為11 000 r/min(油基鉆井液密度為1.6 g/cm3)。

1.4 性能測試方法

1)吸油倍率的測定。稱取干燥的油溶脹微凝膠于裝有白油的燒杯中，將燒杯置于60 ℃的恒溫水浴鍋中數(shù)小時(shí)，對其進(jìn)行抽濾后用濾紙吸去油溶脹微凝膠表面多余的白油，稱重并記錄數(shù)值。對油溶脹微凝膠的吸油倍率進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出其平均值。

式中：M1為吸油前油溶脹微凝膠的質(zhì)量，g；M2為吸油后油溶脹微凝膠的質(zhì)量，g；Q：吸油倍率，g/g。

2)封堵性能。在常溫中壓(0.69 MPa)、高溫高壓(3.5 MPa)條件下測定油基鉆井液的API和HTHP濾失量，以油基鉆井液基礎(chǔ)配方的濾失量作為初始濾失量(V0)，測定加入封堵劑后油基鉆井液的濾失量(Vf)，以濾失量變化的大小來反映封堵劑的封堵能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件的優(yōu)化

2.1.1 單體配比

圖1為不同單體配比合成的油溶脹微凝膠在0～120 min內(nèi)與吸油倍率的關(guān)系。

由圖1可知，在保持MEP加量相同的情況下，BMA加量的增多可以降低吸油倍率，延長飽和吸油時(shí)間，故油溶脹微凝膠不會過早地溶脹；在保持BMA加量相同的情況下，SMA加量的增多可以增大吸油倍率，這是因?yàn)镾MA擁有親油性長鏈，有利于促進(jìn)油溶脹微凝膠對油品的吸收。因此，適宜的n(MEP)∶n(BMA)∶n(SMA)為3∶3∶4。

圖1 不同單體配比合成的油溶脹微凝膠與吸油倍率的關(guān)系

2.1.2 交聯(lián)劑用量

在最佳單體配比條件下，考察了交聯(lián)劑用量對吸油倍率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 交聯(lián)劑用量與吸油倍率的關(guān)系

由圖2可知，交聯(lián)劑用量的增加(0.5%～1%)有利于三維分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，增大吸油倍率；當(dāng)交聯(lián)劑用量為1%時(shí)，吸油倍率達(dá)到峰值(2.07 g/g)；但交聯(lián)劑用量大于1%時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間的鏈段較短，網(wǎng)格孔徑小，不利于含有親油基團(tuán)的鏈段伸展，減少了油溶脹微凝膠內(nèi)部的有效網(wǎng)絡(luò)容積，吸油倍率減小。因此，適宜的交聯(lián)劑用量為1%。

2.1.3 引發(fā)劑用量

在最佳單體配比和交聯(lián)劑用量條件下，考察了引發(fā)劑用量對吸油倍率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 引發(fā)劑用量與吸油倍率的關(guān)系

由圖3可知，隨著引發(fā)劑用量的增加(0.5%～1.5%)，反應(yīng)聚合速率加快，吸油倍率增大；當(dāng)引發(fā)劑用量為1.5%時(shí)，吸油倍率達(dá)到峰值(2.02 g/g)；引發(fā)劑用大于1.5%時(shí)，會形成較多的自由基，使反應(yīng)速率急速上升，導(dǎo)致相對分子質(zhì)量減小，因而油溶脹微凝膠內(nèi)部的有效網(wǎng)絡(luò)容積減小，故其吸油倍率下降。因此，適宜的引發(fā)劑用量為1.5%。

2.1.4 反應(yīng)溫度

在最佳單體配比、交聯(lián)劑用量和引發(fā)劑用量條件下，考察了反應(yīng)溫度對吸油倍率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)溫度與吸油倍率的關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為75 ℃時(shí)，吸油倍率達(dá)到峰值(2.07 g/g)。反應(yīng)溫度的高低決定著引發(fā)劑的分解速率和反應(yīng)聚合速率，進(jìn)而影響著分子量，使吸油倍率增大或減小。因此，適宜的反應(yīng)溫度為75 ℃。

2.1.5 填充劑用量

基于上述最佳條件，考察了納米SiO2加量對吸油倍率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 填充劑用量與吸油倍率的關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)納米SiO2用量在0～2.5%時(shí)，油溶脹微凝膠的吸油倍率變化不大，均在2.04～2.07 g/g。隨著填充劑用量的增加(0～1.5%)，油溶脹微凝膠的強(qiáng)度增大，由于填充劑可充當(dāng)交聯(lián)點(diǎn)有利于其三維分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成；當(dāng)填充劑用量大于1.5%時(shí)，油溶脹微凝膠強(qiáng)度幾乎不發(fā)生變化。綜合考慮，填充劑用量1.5%為宜。

2.2 封堵劑的表征

2.2.1 FT-IR

甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸十八酯和封堵劑的紅外光譜見圖6。

圖6 甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸十八酯和封堵劑的紅外光譜

2.2.2 熱重分析

封堵劑的熱重曲線見圖7。由圖7可知，40～364 ℃失重是由于封堵劑的水分未徹底干燥，364～486 ℃失重是由于其三維分子空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在高溫下遭到破壞。綜上所述，封堵劑的分解溫度為364 ℃，其具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能。

圖7 封堵劑的熱重曲線

2.2.3 SEM

封堵劑的掃描電鏡照片見圖8。

由圖8可知，封堵劑呈球狀且其表面較為光滑。部分球體表面有凸起的小球，其為少量的納米SiO2團(tuán)聚鑲嵌于聚合物表面，大部分納米SiO2填充到球狀聚合物的三維分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)封堵劑的力學(xué)性能。

圖8 封堵劑的掃描電鏡照片

2.3 封堵劑的性能評價(jià)

2.3.1 配伍性

將不同用量的封堵劑加入油基鉆井液中，考察其在100 ℃/16 h下熱滾前后對體系性能的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同封堵劑用量對油基鉆井液性能的影響

由表1可知，隨著封堵劑用量的增多，熱滾前后的流變和切力均有所增加，但對體系的流變性能影響不大。當(dāng)封堵劑用量為3%時(shí)，體系濾失量顯著降低，API濾失量由4.2 mL降至0 mL，HTHP濾失量由16.0 mL降至4.2 mL；破乳電壓明顯提高，有效改善了油基鉆井液的電穩(wěn)定性。綜上所述，封堵劑與油基鉆井液具有良好的配伍性。

2.3.2 抗溫性能

封堵劑加量為3%時(shí)，測定油基鉆井液在不同溫度下熱滾16 h后體系的性能，結(jié)果見表2。

表2 不同熱滾溫度下油基鉆井液的性能

由表2可知，隨著熱滾溫度的升高，油基鉆井液的流變性能和HTHP濾失量變化均不大；當(dāng)熱滾溫度為200 ℃時(shí)，體系發(fā)生顯著的變化，呈破膠的狀態(tài)。綜上所述，封堵劑的抗溫性能優(yōu)異，高達(dá)180 ℃。

2.3.3 封堵性能

將不同用量的封堵劑加入油基鉆井液中，考察其在180 ℃/16 h下熱滾后體系的封堵性能，結(jié)果如表3所示。不同封堵劑用量的油基鉆井液HTHP濾餅見圖9。

表3 不同封堵劑用量的油基鉆井液的濾失量

由表3可知，當(dāng)封堵劑用量為3%時(shí)，HTHP濾失量從17.4 mL降至4.8 mL，封堵率高達(dá)72.41%。由圖9可知，隨著封堵劑用量的增多，HTHP濾失后形成的濾餅表面更加光滑、致密，由于封堵劑中填充的納米SiO2上存在的不飽和鍵可以與有機(jī)土進(jìn)行作用，使介質(zhì)的孔徑縮小形成有效的阻擋，增強(qiáng)在封堵層的滯留能力。

圖9 不同封堵劑用量的油基鉆井液HTHP濾餅

3 結(jié) 論

a.以MEP、BMA、SMA為單體，DVB為交聯(lián)劑，BPO為引發(fā)劑，PVA為分散劑，LAS為乳化劑，納米SiO2為填充劑，采用超聲波分散技術(shù)以及微懸浮聚合法合成了油溶脹微凝膠。當(dāng)n(MEP)∶n(BMA)∶n(SMA)為3∶3∶4，DVB和BPO用量分別為單體總質(zhì)量的1%、1.5%，反應(yīng)溫度為75 ℃，納米SiO2用量為體系的1.5%時(shí)，制得的油溶脹微凝膠性能最佳。

b.封堵劑的分解溫度為364 ℃，其具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能。

c.封堵劑與油基鉆井液具有良好的配伍性，并有效提高了體系的破乳電壓，其抗溫性能高達(dá)180 ℃。

d.在油基鉆井液中加入3%封堵劑，HTHP濾失量由17.4 mL降至4.8 mL，封堵效率高達(dá)72.41%。