钻井吸水堵漏体系ZJL的研制及影响因素分析

韩博宇，郑继龙

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473000；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；3.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249)



钻井吸水堵漏体系ZJL的研制及影响因素分析

韩博宇1，郑继龙2,3

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473000；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；3.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249)

采用水溶液聚合法，以丙烯酸、淀粉等为原料，合成制备钻井吸水堵漏剂ZJL，并根据正交试验结果，确定了最佳合成条件。以吸水率为评价指标筛选的堵漏剂体系为：65 ℃下，4.00 g土豆淀粉+中和度75%+0.075 gN,N′-亚甲基双丙烯酰胺(交联剂)+0.045 g过硫酸钾(引发剂)+ 3.00 g钠基蒙脱土，体系的吸水倍率为268.44 g/g，吸盐率为53.62 g/g；以吸盐率为评价指标筛选出的堵漏剂体系为： 60 ℃下， 3.50 g土豆淀粉+中和度75%+0.065 gN,N′-亚甲基双丙烯酰胺+0.050 g过硫酸钾+ 3.00 g钠基蒙脱土，体系的吸水倍率为254.81 g/g，吸盐率为97.36 g/g。

高吸水树脂 钠基蒙脱土 堵漏剂 吸水性能

随着油气田开发的不断深入，钻遇的储层愈加复杂。井漏是钻井过程中最常见的井内情况，是诱发卡钻、井壁失稳、井喷等事故的主要原因之一[1]。井漏不仅影响钻井的工程进度和钻井液的损失，同时对储层的伤害也是难以估算的[2]。常规堵漏剂由于吸水和保水性差，堵漏效果不佳[3]。含强亲水性基团的高吸水性树脂与水作用后能膨胀，且具有独特的吸水和保水性能[4]。在漏失井中加入高吸水树脂堵漏剂对阻止钻井液的继续漏失效果明显。因此，本研究采用水溶液聚合法，研制一种钻井吸水堵漏剂ZJL，并根据正交试验研究其影响因素。

1 实验

1.1 原料

丙烯酸，东莞市乔科化学有限公司；过硫酸钾，过硫酸铵，上海之臻化工有限公司；N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，杭州富强化工仪器有限公司；氢氧化钠，天津市津东天正精细化学试剂厂；氯化钠，上海高成工贸有限公司。以上均为分析纯。土豆淀粉，玉米淀粉，红薯淀粉，钠基蒙脱土等。

1.2 仪器

电子天平BSA223S-CW，德国赛多利斯；电热鼓风干燥箱 WGL-45(B)型，天津泰斯特仪器有限公司；TC-502P恒温水浴，-20～200 ℃, 美国Brookfield博力飞；JJ-6型六连电动搅拌器，转速0～3 000 r/min，深圳市鼎鑫宜实验设备有限公司。

1.3 吸水堵漏体系ZJL的制备

在冰水浴条件下一边缓慢搅拌一定量的丙烯酸，一边缓慢滴加质量浓度为30%NaOH溶液至中和度70%，冷却至室温。再加蒸馏水至丙烯酸质量浓度为50%。将所得溶液加入装有温度计、JJ-6型六连电动搅拌器、氮气瓶和回流冷凝管的四口烧瓶中。往四口烧瓶中加定量的玉米淀粉和蒸馏水，升温至70 ℃，恒温0.5 h，降至室温，再加定量过硫酸钾、交联剂和钠基蒙脱土，在氮气的保护下，缓慢升温至合成温度。当体系搅拌困难时，停止搅拌，静置2 h。

1.4 堵漏剂体系性能测定方法

吸水型堵漏剂体系性能为：吸液能力、保液性能、黏度、强度、稳定性、安全性[5]。因此，要求堵漏剂必须具有较好的吸液能力，合适的黏度，强度高，稳定性好，安全性强[6]。吸液能力指堵漏剂体系在溶液中吸水膨胀而使水失去流动性的能力[7]。其用吸收倍率评价，吸收倍率是1 g堵漏剂体系吸收液体的量。实验过程中，主要对吸水堵漏剂体系的吸水倍率和吸盐倍率进行测定。

称取1 g经电热鼓风干燥箱烘干的堵漏剂(m1)放入烧杯中，分别加入去离子水和质量分数为0.9%的盐水200 mL，吸收完全后，用200目筛网过滤，再称取质量(m2)，计算吸液率Q：

Q=(m2-m1)/m2

式中，m1为干燥后吸堵漏剂体系质量，g；m2为吸收后堵漏剂体系质量，g。

2 结果与讨论

2.1 堵漏剂体系合成温度的筛选

丙烯酸加量14.00 g，NaOH加量8.00 g，玉米淀粉加量4.00 g，交联剂加量0.065 g，过硫酸钾引发剂加量0.05 g，钠基蒙脱土加量1.00 g，制备堵漏剂体系ZJL，在氮气保护下，分别将合成温度缓慢升至一定温度，当体系搅拌困难时，停止搅拌，静置2 h。结果见表1。

表1 合成温度的筛选

从表1看出，合成温度为40，50 ℃时，没有生成堵漏剂体系。在合成温度为60 ℃下，实验形成堵漏剂，经测定吸水倍率为158.0 g/g，吸盐倍率为42.0 g/g。

2.2 淀粉种类筛选

在吸水堵漏剂体系合成实验中，淀粉种类及加量对整个合成过程影响甚大。因此，在堵漏剂体系合成温度实验研究的基础上，固定其他条件，合成温度为60 ℃，分别选用玉米淀粉、土豆淀粉和红薯淀粉进行淀粉种类的筛选，结果见表2。

表2 淀粉种类及加量的筛选

从表2可知，玉米淀粉、红薯淀粉和土豆淀粉加量均为4.00 g时，吸水和吸盐效果均较好。其中土豆淀粉加量为4.00 g时，堵漏剂体系的吸水和吸盐倍率分别为232.46，58.54 g/g，且为最大。因此，在吸水堵漏剂体系合成实验中选择土豆淀粉，加量为4.00 g。

2.3 引发剂种类的选择

引发剂指一类易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚反应[8]。固定其他条件，土豆淀粉加量为4.00 g，合成温度为65 ℃，采用过硫酸铵和过硫酸钾进行引发剂筛选，引发剂加量为0.05 g，结果见表3。

表3 引发剂种类的筛选

由表3可知，采用过硫酸钾引发剂，堵漏剂体系吸水和吸盐倍率分别为232.46，58.54 g/g，且吸液效果远优于过硫酸铵，因此，在吸水树脂堵漏剂合成实验中引发剂选用过硫酸钾。

2.4 中和度的筛选

中和度是指中和反应进行的程度，通常以两种产物的物质的量之比表征[9]。吸水堵漏剂体系的亲水基团是其吸水能力的主要动力，亲水基团数目直接影响其吸水倍率。

在聚合反应过程中，丙烯酸中和度是影响吸水堵漏剂体系亲水基团数目的主要因素，为了提高吸水堵漏剂体系的吸液能力，应先采用质量浓度为30%的NaOH溶液与丙烯酸进行中和反应。固定其他条件，改变NaOH加量，分别调节中和度为60%，70%，80%，考察吸水堵漏剂体系的吸液能力，选用过硫酸钾作为引发剂，结果如表4所示。

表4 中和度的筛选

由表4可知，当NaOH加量为8.00 g时，堵漏剂体系的吸水和吸盐倍率分别为232.46，58.54 g/g，且吸液效果远优于其他加量的。因此， NaOH加量选用8.00 g。

2.5 吸水堵漏剂体系的最佳合成及性能评价

综合比较上述单因素对堵漏剂体系性能的影响程度，实验确定淀粉加量(A)、中和度(B)、交联剂加量(C)、引发剂加量(D)、钠基蒙脱土加量(E)和反应温度(F)6个因素，设计6因素3水平正交试验，结果见表5。

表5 正交试验设计及结果分析

由表5可知，分别以吸水倍率和吸盐倍率为指标，各因素对吸水倍率影响的大小顺序为B>D>E>A>F>C，堵漏剂ZJL最佳合成条件为A2B3C1D1E3F2；对吸盐倍率影响的大小顺序为D>E>B>F>A>C，堵漏剂ZJL最佳合成条件为A1B3C3D2E3F1。以上2组最佳合成条件实验结果见表6。

表6 最佳合成条件试验结果

由表6可知，最佳合成条件A2B3C1D1E3F2吸水倍率为268.44 g/g，比正交试验中最高的232.46 g/g提高了35.98 g/g，吸盐倍率为53.62 g/g，较正交试验中最高的58.54 g/g低；最佳合成条件A1B3C3D2E3F1的吸水倍率为254.81 g/g，吸盐倍率为97.36 g/g。因此，综合考虑，选择最佳合成条件A1B3C3D2E3F1制备吸水堵漏剂体系ZJL。

3 结论

1)通过对吸水堵漏剂体系的影响因素分析，根据正交试验结果，以吸水倍率和吸盐倍率为评价指标，确定了体系的两种最佳合成条件A2B3C1D1E3F2和A1B3C3D2E3F1。

2)综合考虑，选择最佳合成条件A1B3C3D2E3F1制备吸水堵漏剂体系ZJL，即反应温度60 ℃， 3.50 g土豆淀粉+中和度75%+0.065 gN，N′-亚甲基双丙烯酰胺+0.050 g过硫酸钾+ 3.00 g蒙脱土，在此条件下，吸水堵漏体系ZJL的吸水倍率为254.81 g/g，吸盐倍率为97.36 g/g。

[1] 刘桂君.浅谈钻井施工中的井漏问题[J].内蒙古石油化工,2009(3):21-22.

[2] 张希文,李爽,张洁,等.钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究进展[J].钻井液与完井液,2009,26(6):74-76.

[3] 狄丽丽,张智,段明,等.超强吸水树脂堵漏性能研究[J].石油钻探技术,2007,35(3):33-36.

[4] 沈朴.高吸水性树脂的发展、结构及吸水理论研究现状[J].榆林学院学报,2010,20(2):53-55.

[5] 王柏文,王占林,李东进,等.XA溶胀型随钻堵漏剂的研制与应用[J].钻井液与完井液，2005,22(2):41-43.

[6] 冯素敏,罗向东,马光长,等.新型抗高压堵漏剂的研究与评价[J].钻井液与完井液, 2007,24(7):24-27.

[7] 贾佳,郭建华,赵雄虎.温度对凝胶堵漏剂性能影响的室内研究[J].精细石油化工进展, 2012,13(7):27-30.

[8] 马洪洋,宛新华,陈小芳,等.烯类单体在室温离子液体中的自由基聚合反应研究进展[J].化学通报, 2004,67(6):397-402.

[9] 万成龙,贺建芸.水性紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯树脂的合成[J].北京化工大学学报:自然科学版,2010,37(5):93-97.

Development of Drilling Absorbing and Sealing Agent System ZJL and Analysis on Its Affecting Factors

Han Boyu1，Zheng Jilong2,3

(1.ResearchInstituteofPetroleumEngineeringandTechnologyofSinopecHenanOilfieldCompany,Nanyang,Henan450000; 2.EngineeringandTechnologyCompanyofCnoocEnergyDevelopmentCo.Ltd.,Tianjin300452; 3.PetroleumEngineeringInstituteofChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249)

Drilling absorbing and sealing agent system ZJL was synthesized with acrylic acid and starch, etc. as the materials in an aqueous solution polymerization process, and the optimum synthesis conditions were identified based on the results of orthogonal test. The formulation of the sealing agent system screened out according to water absorption index is as follows: 4.00 g potato starch + 75% neutralization degree + 0.075 gN,N′-methylene-bisacrylamide (crosslinker) +0.045 g potassium peroxodisulfate (initiator) + 3.00 g Na-montmorillonite at the synthesis temperature of 65 ℃, the water absorbency and the salt absorption of this system are 268.44 g/g and 53.62 g/g respectively. The formulation of the sealing agent system screened out according to salt absorption index is as follows: 3.50 g potato starch + 75% neutralization degree +0.065 gN,N′-methylene-bisacrylamide + 0.050 g potassium peroxodisulfate +3.00 g Na-montmorillonite at the synthesis temperature of 60 ℃, the water absorbency and the salt absorption of this system are 254.81 g/g and 97.36 g/g respectively.

superabsorbent resin; Na-montmorillonite; sealing agent; water absorbency

2014-11-30。

韩博宇，助理工程师，本科，主要从事钻完井工艺及采油工艺研究工作。