水平井控水用液体胶塞的室内合成研究

刘音，常青，谭锐，赵鹏，牛增前，周振良

（中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津300457）

水平井控水用液体胶塞的室内合成研究

刘音，常青，谭锐，赵鹏，牛增前，周振良

（中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津300457）

经过调研国内外资料发现，由于筛管的不密封性，在水平井筛管完井井段无法单独使用机械封隔器进行封隔，需要注入化学凝胶（液体胶塞）来配合机械封隔器进行水平井筛管完井分段堵水。本文对液体胶塞的室内合成条件进行了研究，对合成过程中的反应单体及其用量、引发剂及其用量、交联剂及其用量进行了讨论。由室内合成结果可知，优选反应单体BXA，质量分数为20%为最佳用量；优选JY作为引发剂，用量应控制在0.02%～0.05%；优选有机类YBB做交联剂，用量控制在0.02%～0.05%。另外，液体胶塞的性能评价、成胶反应机理和不同温度下液体胶塞的配方等工作正在研究中。

化学凝胶；液体胶塞；机械封隔器；水平井控水

早在20世纪90年代初，国外开始研制植物胶液体胶塞，如Halliburton公司的Temblock-90，Phillips公司的Tempgel等，在修井、堵漏作业中应用，取得了良好的效果。目前液体胶塞的研究在国内尚处于起步阶段，我国渤海石油钻井公司报道的暂堵剂产品，是以乙醇为分散剂、四氯化钛为交联剂的田菁胶冻胶，由于田菁胶浓度很低（1%～2%），应用受到限制［1］。1998年，长庆石油勘探局钻采工艺研究院研制的植物胶液体胶塞是以瓜尔胶为主体材料，其应用是将胶塞挤入射孔眼、裂缝、填砂层进行封堵，承压能力与炮眼等的孔径大小密切相关［2］。2008年，自破胶液体胶塞水平井分段射孔压裂工艺及胶塞申请国家专利，该胶塞是用瓜胶粉剂制备瓜胶基液后，利用交联剂交联制备而成的［3］。上述国内外研究的液体胶塞堵剂都并非以大块的胶塞形式存在，而是通过挤入裂缝、炮眼等凝胶后起到封堵的作用。

2008年，中国石油大港油田公司研制的环空封隔液体胶塞成功，是以丙烯酸和淀粉接枝共聚，通过氧化剂引发产生爆聚，形成强凝胶产物。但产物聚合时间长，且稳定时间短，仅适用于暂堵。本研究制备了一种新型高分子液体胶塞，具有成胶时间可控，可以根据需求调整配方以达到施工要求的成胶时间，形成的液体胶塞均一、稳定、有强度、有韧性，稳定时间较长，可在堵水施工完成后，用化学配合机械的方法清除以节省施工时间，也可用纯化学方法清除。

1 实验部分

1.1 实验原料

主要原料：BXA、BXS、BXH、YLZ、AY、JY、JY-50、YBA、YBB、ZSJ、XSL、PSN等皆为工业纯。

1.2 实验仪器

主要仪器：精密电子天平，西特传感技术有限公司；78HW-1型恒温磁力搅拌器，杭州仪表电机有限公司；98-3型数显磁力搅拌器，巩义市英峪仪器有限公司；CS101-3电热鼓风干燥箱，天津市诺顺特科电子仪器公司。

2 结果与讨论

2.1 反应单体的选择

实验优选了五个不同类型的单体，其性质（见表1）。

由BXA所制得的胶塞具有较高的强度。通过共聚反应得到的液体胶塞中，BXA和BXS共聚所得的液体胶塞具有较好的强度，但是液体胶塞具有一定的脆性，在承压时易脆裂；而BXA和BXH共聚所得的液体胶塞也具有较好的强度，但液体胶塞的脆性比BXA和BXS共聚所制得的要大；另外，BXA和YLZ共聚所得的液体胶塞与反应器壁的粘结性能较好，但是其强度很低。因此，优选单一用反应单体BXA。

表1 单体种类对液体胶塞强度的影响（250 g，T=60℃）

2.2 反应单体用量的选择

改变所用单体在反应液中的含量，制备所得的液体胶塞强度和聚合程度有较大的差别，因此合成不同含量BXA所制备的液体胶塞，研究了产品的强度和反应程度，结果（见表2）。

表2 单体含量对液体胶塞强度的影响（250 g，T=60℃）

单体含量较少时，所得液体胶塞的强度较低；单体含量较高时，由于反应大量放热，导致聚合过程中有爆聚现象发生。因为高分子聚合反应是强放热反应，而且都需要加入少量引发剂才能引发聚合的链反应，若加入的引发剂不能快速分散，聚合过程中的热量不能迅速放出，就会发生爆聚。在本实验中，由于引发剂可以很好的溶解于溶液中，且不存在分散不均的现象，因此爆聚现象的发生主要是由于单体浓度过高导致放热剧烈而产生的。

爆聚所形成的液体胶塞（见图1）。当单体质量分数为20%时，不发生爆聚现象，液体胶塞胶体均匀，且强度较好（见图2）。

图1 在温度60℃时，单体含量过高出现的微爆聚现象

图2 在温度60℃时，20%单体含量的液体胶塞产品

2.3 引发剂的选择

引发剂是控制初始交联时间和成胶时间的一个重要影响因素。在不同条件下，不同种类的引发剂的引发效率和半衰期都是不同的，所制备出的高分子聚合物的相对分子质量、链段长度也有明显的区别。本实验所要求的起始聚合反应温度较高，且对液体成胶时间有要求，需要选择一种能够在中高温度条件下引发的引发剂。本实验研究了三种不同的引发剂类型对胶塞强度的影响，结果（见表3）。

表3 引发剂种类对液体胶塞强度的影响（T=60℃）

由表3中的实验结果可知，采用JY作为引发剂可以得到较高强度的液体胶塞，因此优选JY作为引发剂。

2.4 引发剂用量的选择

引发剂的用量同时影响聚合反应速率和相对分子质量。引发剂用量过低，则单体的转化率就低；伴随用量增大，引发剂浓度增加，使初期形成自由基数目增多，粒子碰撞几率增多，转化率也随之增大；但增大到一定程度时，转化率变化不大并趋于稳定，但聚合物的相对分子质量会迅速下降；当引发剂用量过大时，自由基增长速率过大，会造成反应物体系中瞬时颗粒过于集中，从而引起爆聚，使聚合过程的稳定性降低，导致聚合物的平均相对分子质量降低。本实验证明了引发剂的用量对液体胶塞的初始交联时间及成胶时间有很大的影响，数据（见表4）。

表4 引发剂JY用量对初始交联时间及成胶时间的影响

由表4数据可知，随着引发剂用量的减少，液体胶塞的初始交联时间及成胶时间逐渐延长，根据技术要求，初始交联时间大于30 min且具有适当强度的要求，引发剂的用量应控制在0.02%～0.05%。

2.5 交联剂的选择

由于具有三维网络状结构的聚合物具有相对于线性结构较高的强度，因此采用交联剂对液体胶塞进行交联改性。实验研究了有机和无机两类交联剂对胶塞强度的影响。有机类交联剂主要采用YBA和YBB对液体胶塞进行交联研究，无机类交联剂主要采用ZSJ、XSL及PSN。实验表明，有机类交联剂交联形成的胶塞强度明显高于无机类交联剂交联形成的胶塞强度。室内对有机类交联剂进行重新筛选，结果（见表5）。

表5 用YBA和YBB做交联剂的结果比较

由表5中数据可知，用YBA做交联剂的结果比YBB要差，用YBA交联的胶体强度都不理想，因此，优选有机类交联剂YBB。

2.6 交联剂用量的选择

由上述实验，交联剂的用量对液体胶塞的强度和脆性产生较大的影响。交联剂用量较大时，线性聚合物间的连接点较多，使得分子刚性大大提高，导致胶塞的脆性较大，在承压时，较易脆裂；用量较少时，线性聚合物间的连接点较少，分子刚性小，因此胶塞韧性较好，对胶塞强度的提高又不明显。通过实验研究，对交联剂YBB的用量进行了优选，具体数据（见表6）。

表6

由表6中的实验数据可知，当交联剂YBB的用量控制在0.02%～0.05%时，液体胶塞具有较好的强度且无脆性，也可满足使用要求。

3 结论

（1）通过开展水平井控水用液体胶塞的研制，对合成过程中的反应单体及其用量、引发剂及其用量、交联剂及其用量进行了讨论，得出：优选反应单体BXA，质量分数为20%为最佳用量；优选JY作为引发剂，用量应控制在0.02%～0.05%；优选有机类YBB做交联剂，用量控制在0.02%～0.05%。

（2）液体胶塞在常温下的稳定性、成胶反应速率的机理、不同温度下液体胶塞的配方研究等工作正在进行。

［1］李银素，陈淑生.抗高温完井暂堵剂［P］.CN1047686.

［2］杨洪志，朱建峰，管保山，等.植物胶液体胶塞CQTD-95及其暂堵技术研究［J］.油田化学，1998，15（3）：224-227.

［3］李宪文，赵文，李建山.自破胶液体胶塞水平井分段射孔压裂工艺及胶塞［P］.CN101270277.

Study on indoor synthesis of liquid colloid plug for horizontal controlling water

LIU Yin，CHANG Qing，TAN Rui，ZHAO Peng，NIU Zengqian，ZHOU Zhenliang
（Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300457，China）

According to research on data in domestic and overseas，due to bad sealing of sieve tubes，the mechanical-set packer can't be used separately in horizontal sieve tubes completion in interval，therefore，the chemical gel（liquid colloid plug）is injected act in concert with mechanical-set packer，for the purpose carried out completion segmentation water plugging in horizontal.The synthesize method of liquid colloid plug was studied in this paper，and the amount of monomer，the amount of initiator，the amount of cross-linkers was also discussed in synthesis.The indoor results showed that optimizing monomer BXA，initiator JY，organic cross-linker YBB，and their optimal dose were 20%mass fraction BXA，0.02%～0.05%initiator JY，also 0.02%～0.05%organic cross-linker YBB.Furthermore，the performance evaluation，gel-forming reaction mechanism，and compositions at different temperatures of liquid colloid plug are being investigated.

chemical gel；liquid colloid plug；mechanical-set packer；horizontal controlling water

刘音，博士，中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，邮箱：mikeliuyin@126.com。

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.025

TE257.6

A

1673-5285（2015）08-0097-04

2015－04-14