潘一,李长平,张立明,杨双春,孙孟莹,HANY MEDHAT ABDELAZIZ ABOULEILAH
(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院,辽宁 抚顺 113001; 2.大庆油田有限责任公司第七采油厂工程技术大队机采室,黑龙江 大庆 163000)
堵漏剂在减少漏失量、提高地层稳定性、缩短钻井时间和降低钻井成本等方面发挥着重要的作用,且现有的堵漏剂已经有效地解决了常规性漏失问题,在现场应用时也取得了较好的封堵效果,如法国石油研究院的Zaitoun等[1]研制的可胶凝聚合物堵漏剂,其不需加交联剂也可在地层裂缝中架桥、吸附起到降低漏失量的目的;菲利普斯公司(Phillips)[2]以碎纸屑、石灰、硅藻土为原料组成的高失水堵漏材料Diaseal M,其施工简便、成功率高、效果明显,在各地数千口井均取得较好的堵漏效果;国外学者EI-SAYED M[3]以特定的颗粒状材料和结晶状聚合物为原料组合而成的膨胀类堵漏材料Poly Block,利用其遇水膨胀特性,可适用于封堵严重性漏失地层,成功解决了埃及尼罗河三角洲地区漏失问题。国内学者赵启阳等[4]研究的新型可固化堵漏剂GHJ,具有触变性好、承压能力高(达10 MPa)、固化性强、资源丰富、成本低、施工过程简便、应用范围很广泛等优势。但随着高温高压井的不断增多,研制出耐温耐压性堵漏剂是目前亟待解决的问题。
本文调研了大量相关文献,综述了桥接型、高失水型、暂堵型、膨胀类、可固化型和复合型这6种堵漏剂,分析了它们的优缺点以及应用现状,并提出了今后的研究方向,以期为更多从事相关研究的人员提供理论参考。
桥接类堵漏材料主要分为颗粒状(核桃壳、橡胶粒、硅藻)、纤维状(锯末、棉纤维、亚麻纤维)和片状(云母片、谷壳末)三类材料,采用以上一种或几种惰性桥接材料与添加剂混合,形成的堵漏剂具有成本低、使用方便、资源丰富、操作安全等优势,且适用封堵各种类型的裂缝和孔隙性漏失。
A Khaled Mansour等[5]研制了一种由阴离子形状记忆聚合物为原料组成的新型智能堵漏材料,形状记忆聚合物(SMPs)是一种能够变形并固定成临时形状的聚合物,当受到特定的外部刺激(如光、磁场、温度、湿度或pH)时,它才能恢复到原来的形状。因此智能堵漏剂能在特定温度下进行形状、桥梁和膨胀的变化,使其密封大裂缝,起到防漏堵漏作用。但形状记忆聚合物堵漏材料大部分应用还处于室内研究阶段,现场应用还需要对其机械强度和化学稳定性进一步研究,以满足高温高压等复杂地层情况。
Nasiri Alireza等[6]以RIA-X、RIPI-LQC、RIPI-LQF和RIA-G为原料合成的新型环保堵漏剂,其环保性极强,RIA-X中含有丰富的极性糖蛋白(Glycoprotein)和胞外多糖(EPS),黏弹性较好;RIPI-LQ由麻叶荨麻(Urtica Cannabina)的多年生植物制成,该植物的性能受研磨方法和粒径分布的影响,且烘干该植物所耗的热量将直接影响桥堵性;RIA-G 是小麦麸皮和胚芽制成,易于压缩,导热系数为0.067,其微小颗粒可充填架桥在小孔隙中,从而进一步降低漏失量。该堵漏剂可处理常规固井或泡沫钻井无法解决的严重井漏问题,应用前景广阔。
艾正青等[7]研制的新型随钻堵漏材料GYD,选用的骨架材料为多面锯齿状的金属颗粒,其分散稳定性好,GYD颗粒在煤油中静置5 min后仍维持澄清状态,无聚集沉降现象,且150 ℃老化48 h后,ρ差0.03 g/cm3以下,工作液TSI稳定指数≤1。研究表明,GYD承压强度达25 MPa,莫氏硬度增大约2倍(在5~6之间),酸溶率大于90%。GYD在塔里木油田致密砂岩气藏达到防漏堵漏效果。
苏鹏等[8]以纤维材料、无机矿物材料、超微细弹性膨胀材料、可变形材料合成的随钻防漏堵漏剂GSZ-1,其酸溶率高,酸化后封堵层被破坏,达到酸化解堵目的,进而保护了储层。结果表明,GSZ-1适用范围广,储层/非储层漏失均可使用;150 ℃高温老化后,与钻井液的配伍性强且钻井液流变性变化极小,可用作随钻堵漏。该实验具有较强的针对性,但缺抗压强度实验,笔者建议进一步对其强度进行探究,以拓宽应用范围。
陈家旭等[9]研制了一种由雷特纤维、聚丙烯纤维、高酸溶堵漏颗粒SDCP、HCl、HF、NaOH合成的高酸溶纤维堵漏剂SDSF,其承压能力可达10 MPa,堵漏机理是纤维之间相互挤压、交织成稳固的三维网络体系,提高了抗压强度和剪切强度,进而增大了封堵层的承压能力。研究表明,SDSF的酸溶率达95%,耐温能力为150 ℃,分散性好,耐碱性高。
本文综述的桥接类堵漏剂之间的比较见表1。
表1 典型的桥接类堵漏剂
总的来说,颗粒状材料在地层的孔喉中起“架桥”作用;纤维状材料主要在漏失通道中相互“缠绕、牵扯”;片状材料漏失通道主要起“填充”作用、三者配合能够形成致密且坚固的封堵层。虽目前采用的桥接堵漏材料成本低、使用方便、对钻井液性能影响较小,但耐温性还存在不足。因此,有学者采用抗高温性的桥接堵漏材料(如矿物纤维、弹性石墨、抗高温橡胶颗粒等),通过粒度匹配及各组分加量比例调节,研制出具有环保性好、承压性高、配伍性好、耐温性高的堵漏剂,如堵漏剂SDSF的耐温能力为150 ℃,承压能力可达10 MPa,酸溶率达95%,分散性好,耐碱性高。
高失水堵漏剂是利用失水性强的特性,在漏层迅速失水堆积成固相封堵层,实现封堵漏失通道的目的,该类堵漏剂适用于解决横纵漏失带及漏失量小的地层。
李胜等[10]制备了一种由抗高温架桥材料、不同粒径的CaCO3、高失水剂(HH-1)、抗高温纤维材料(SW)、高强支撑剂(GQJ)、无机盐CaO和云母作为片状填充材料组成的抗高温承压堵漏剂,其抗温高达180 ℃,SW在180 ℃下热滚后,虽然发生熔化、材料变黄、有煳味,但韧性仍无变化,因此在漏失通道中起到“拉筋”作用,提高封堵层强度(承压能力12 MPa以上),该堵漏剂满足徐闻X3井固井要求。但发现该堵漏剂对钻具和循环系统的损害较大。
王曦等[11]以1.5% FZS、2.5% 核桃壳、1.0%CMC为原料合成的FZS高失水堵漏剂。FZS与常规堵漏材料配合使用,既减少泥浆漏失量又提高漏层承压强度(在5 MPa以上)。但其承压能力较低,需要科研人员进一步探讨。
黄贤杰等[12]以清水、2%黏土、0.1%CMC、4%核桃壳(中粗)、15% HHH、4%核桃壳(细)、3%云母为原料合成的高效失水堵漏剂HHH,其悬浮性较好,当加入0.15%CMC后,既增大了悬浮能力又延缓全失水时间。研究表明,HHH具有较高的失水性、承压性和强度等特点,对塔河油田S119-3井进行堵漏时,极大地减小堵漏时间和成本。但使用该堵漏剂前必须认真检查各个环节,且操作过程一定要连续、快速。
侯士立等[13]研制的由天然矿粉、悬浮材料、架桥材料和纤维组成的高滤失堵漏剂FPA。其耐温能力较好,在120 ℃热滚16 h后,表观黏度(Apparent viscosity)、塑性黏度(Plastic viscosity) 增大,但变化幅度较小,且能承受7 MPa的压力。当加入10%~30%的FPA时,表观黏度为4~13 m Pa·s,塑性黏度为3~10 m Pa·s,具有良好的可泵性;当加入低于15%的FPA 时,悬浮稳定性为94%,随着FPA的加入量逐渐增多,悬浮稳定性也随之增大。
本文综述的高失水堵漏剂之间的比较见表2。
表2 典型的高失水堵漏剂
综上所述,高失水堵漏剂具有一定的流动性、悬浮性和可泵性。当其进入漏失通道后,在地层压力影响下,迅速失水,浆液中的固相组分聚集、变稠形成封堵层。如有学者将高失水剂和一些抗高温和高强度的材料混合成适用高温高压地层,如抗高温承压堵漏剂抗温高达180 ℃、承压能力12 MPa以上。但一定要考虑其失水时间,以确保高效堵漏。
暂堵剂由固相颗粒、纤维、胶塞等材料混合而成,能同钻井液一同进入能低渗透性或漏失层,形成致密且高强度的暂堵层,施工结束后其可自行或人工解堵,具有对地层无污染、操作简便、成本低等优点。
Luo Pingya等[14]用桥接颗粒、包装颗粒和胶凝材料组成了屏蔽暂堵剂。其屏蔽堵漏原理是纤维材料与生物胶高速搅拌后形成稳固的“三维网状结构”;纤维通过吸附悬浮液体(包括桥接颗粒、包装颗粒、重晶石等),使暂堵剂结构更稳定;纤维之间的“缠绕交织”能够极大提高屏蔽暂堵剂的承压能力。但该屏蔽暂堵剂降解速度比较缓慢,建议提高降解速度,否则会对油层造成二次伤害。
Liu Pingde等[15]针对传统的靶向水控制技术对油层二次损伤的缺点,采用水溶液聚合法制备了一种用于水控制的热敏暂堵剂,由(6%~8%)丙烯酰胺+(0.08%~0.12%)过硫酸铵+(1.5%~2.0%)海泡石+(0.5%~0.8%)聚乙二醇二丙烯酸酯合成。“热敏”机理是对地层温度具有响应性,在一定的温度范围内降解速度随着温度的增大而增大。热敏暂堵剂对冀东油田地层温度为70~90 ℃的某水平井进行了二次临时封堵,发挥出暂堵强度高,降解时间可控的优势。但施工前一定要掌握准确的地层温度,否则会由于热敏暂堵剂降解速度过快或过慢导致后续施工无法正常进行。
徐昆等[16]研制的DMF新型超分子暂堵剂,其在常温下为液体,在高温下形成超分子凝胶,暂堵裂缝,施工结束后,随着温度变化将自动解堵,对储层无伤害。DMF还具有较高的黏度,当温度为106 ℃时,95%以上液体变为固体,成胶基本完成。DMF封堵裂缝时的压力梯度为 122.92 MPa/m,较常规的颗粒暂堵剂具有极好的封堵性。但该暂堵剂并未研究其承压性,可将承压性作为今后的研究方向。
范华波等[17]以丁二酸(C4H6O4)和微过量的 1,4-丁二醇(BDO)、有机锡类催化剂、有机胺型生物小分子降解促进剂为原料研制的中低温可降解暂堵剂。其热稳定性良好,由于小分子降解剂的加入,使暂堵剂的热分解温度从360 ℃降低为280 ℃,且加工时不会发生热分解现象,加工性强。研究表明,暂堵剂的热变形温度在80~100 ℃,抗压强度为71.9 MPa,材料完整性不易被破坏,即使当压力大于71.9 MPa时,材料只产生塑性变形,不会破碎或断裂。
本文综述的暂堵型堵漏剂之间的比较见表3。
表3 典型的暂堵型堵漏剂
总的来说,暂堵剂主要分为颗粒类、纤维类、胶塞类及复合类暂堵剂。颗粒类材料丰富,操作简单,封堵性高,但对大尺寸裂缝封堵时,颗粒堆叠成的封堵层密度较小,导致封堵层不致密且强度低,堵漏效果差。纤维类暂堵剂多用于封堵低渗气藏,能在漏层处相互交织缠绕成固且密的暂堵层,降低了漏失量。胶塞类暂堵剂可在地面交联造粒又可制成胶液,进入地层后二次交联形成暂堵层,该类堵剂封堵强度大、封堵效果好,适用于毫米级裂缝性漏失。但该类暂堵剂必须与破胶剂配合使用,才能达到解堵效果,然而破胶时间很难掌握,且抗温抗盐能力又较差,不适合封堵高温高盐漏失层。复合类暂堵剂包含各类暂堵剂的优点,可用于封堵不同类型的封堵层,且适应性强、堵漏效果好、对储层无伤害等特点。
膨胀类堵漏剂是一种吸水膨胀的交联聚合物,在水中只溶胀不溶解,主要是通过架桥作用封堵漏失层,或将其压实来填充漏层。该类膨胀材料的粒径大小不需和漏失通道尺寸完全吻合,仅利用本身膨胀性就可进行堵漏,应用范围较广泛。
史野等[18]研制的可延迟类膨胀堵漏剂,由偶氮二异丁腈(AIBN)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸酯(AMPS)、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酸酯、丙烯酸(AA)和溶剂(异丙酮和蒸馏水混合物)组成。该堵漏剂在清水中基本不发生吸水膨胀,但在80 ℃和碱性条件下,吸水膨胀达到10倍以上。其堵漏机理是在一定的温度和碱度条件下,引入的酯化基团发生水解,裸露出亲水基团,从而发生吸水膨胀。此堵漏剂能解决大多数凝胶存在的吸水膨胀过快的问题,在保持原有膨胀倍数基本不变的情况下,达到延迟膨胀的效果。如果作者能在温度稳定性方面继续进行相关实验,将会提高可延迟类膨胀堵漏剂的实用性,建议将温度稳定性作为下个阶段的研究内容。
应春业等[19-20]研制的新型吸水膨胀堵漏剂承压能力大于5 MPa。它是由膨润土、C3H5NO、C3H4O2、惰性材料(核桃壳、云母、聚丙烯纤维)、C7H10N2O2、K2S2O8和NaHSO3等组成。实验结果表明,其单体丙烯酸中的羧基提高了产品的吸水能力(吸水倍数为113),单体中的磺酸基提高产品的耐盐和耐温能力(耐温100 ℃、耐NaCl 15%),此外,外包植物肢囊使该堵漏剂绿色环保。但该堵漏剂易发生脱水现象,无法用于高矿化度地层,需对其抗矿化度能力进一步考察。
Nguyen等[21]利用PVA分子在水溶液中通过氢键作用形成凝胶的机理。将PVA水溶液注入漏失地层,然后注入交联剂,使其交联形成稳固的三维网状结构的水凝胶,最后封堵漏失通道。但水凝胶本身强度低,建议改善PVA水凝胶的抗压强度。
王灿等[22]研制的油基凝胶堵漏剂,由交联剂(JLJ)、胶凝剂(NJZ)、乳化剂(EHJ)合成,其耐高温,在120 ℃下热滚16 h后,可承受1.05 MPa/m压力。研究表明,当温度不断上升时,有助于胶凝剂在柴油中不断溶解,但基本不影响其成胶性。当pH值增加时,NJZ用量不变,堵剂中H+浓度减小,OH-浓度增加,加快 Al(OH)3沉淀的生成,从而减小了Al3+浓度;当H+浓度过量时,会破坏凝胶结构,导致堵剂黏度下降。同时该体系还具有良好的剪切性和稀释性等性质。但该实验仅在实验室做过分析,接下来可进行现场试验,以增强实用性。
黄治中等[23]研制的逆乳化凝胶润滑封堵剂XZ-RF,其具有较强的润滑性,当加入1%的XZ-RF时,摩阻系数降低了60%;当加入3%的XZ-RF时,摩阻系数降低了80%以上,不断增加XZ-RF的加入量,摩阻系数降低率变化幅度较小。研究表明,XZ-RF具有良好的抗温性、抗盐性、封堵性和润滑性,并在新疆油田2口预探井进行了现场应用,均取得了较好的效果,而且该产品无荧光,具有更大的应用范围。
本文综述的膨胀类堵漏剂之间的对比见表4。
表4 典型的膨胀类堵漏剂
综上所述,膨胀类堵漏剂大多是由交联剂与丙烯酰胺(Acrylamide)、丙烯酸(Acrylic acid)、多糖(Polysaccharide)及季铵阳离子类等单体聚合交联反应制得,其分子结构上含有羧基(—COOH)、磺酸基(—HSO3)、酰胺基(—CONH—)、羟基(—OH)等亲水性基团,能形成高强度的三维网络结构,但有些吸水树脂的吸水速度过快,没到达漏层就已经完全膨胀。因此,有学者主要通过以下方法来调节吸水树脂的膨胀速度:挑选适合的单体、采用包裹法、改变吸水树脂的分子链结构、表面化学改性。如“刚柔相济”的双网络吸水树脂堵漏剂DNG,既能保持水凝胶基本交联结构的刚性第一网络,又能在第一网络中形成基本不交联的柔性第二网络,而且150 ℃ 下老化30 d后依然能够维持形状完整和强度高,形变为95%时的抗压强度为16.2 MPa。
可固化型堵漏剂是一种液体堵漏液,能有效地停留在裂缝或溶洞性漏失层后迅速固化并膨胀成高强度封堵层,具有抗污染性强、抗压强度高、相容性好、操作简便和触变性好等特点。
詹俊阳等[24]研制的高强度耐高温化学固结堵漏剂HDL-1,由(6%~10%)正电黏结剂、(20%~200%)密度调节剂、(0.5%~1.5%)复合流变性调控剂、(0.2%~0.7%)引发剂和(0.5%~1.0%)化学凝固剂等合成。研究表明,此堵漏剂具有触变性好、滞留性强、流动性好、承压能力高等性质,还能起到控制固化时间和调整密度的作用。同时也具有初期强度低,后期强度高的特点,并在SX2井的二叠系火成岩裂缝性漏失层进行了试验应用,应用后地层承压能力提高8.2 MPa。
张路等[25]以PB-1、高强支撑架桥颗粒和固结剂为原料合成的复合堵漏剂PB-1,具有耐175 ℃高温和承受21 MPa压力等特点。堵漏机理是固结剂中含有能与黏土矿物反应的阳离子基团,进而改变地质矿物性,而且该堵剂的基团间在一定条件下也会发生固结反应,短时间内堵剂由流动态转变为固态,提高抗压强度。同时,由于其本身独特的分子结构和化学特性,增大了黏度。该堵漏剂先后在塔河油田主体区块的膏盐层 |S105、S112井进行了应用。该堵漏剂具有较强的实用性和针对性,应用前景广阔。
龙大清等[26]合成的化学固结堵漏材料+交联成膜堵漏材料。化学固结剂是一种微膨胀、粒径小的高价金属离子纳微米材料,因此很容易进入裂缝孔隙中达到封堵效果。交联成膜剂是一种高强度桥接堵漏材料,弥补了传统桥接堵漏材料的强度低、耐温性差、地层承压能力弱的不足。两者结合可耐180 ℃高温,承受22 MPa压力,但是使用化学堵漏浆时,要做大量的稠化和污染实验,掌握好稠化时间。
陈曾伟等[27]研制的抗高温井下交联固结堵漏剂,由井下交联凝胶材料SF-1和化学固结堵漏材料HDL-1组成,黏度高(10 000 mPa·s),滞留性强。其堵漏机理是在高温、高Ca2+地层条件下,SF-1 凝胶与Ca2+发生离子反应,形成交联三维网络结构,随之驻留在漏失通道中的SF-1会与化学固结堵漏材料HDL-1发生反应,固结成强度为大于15 MPa的坚固且致密的封堵层。该堵漏剂特别适用于高温缝洞、高矿化度地层水、高压差漏失层,成功应用于塔河TH12179CH井。但在SF-1与离子反应前要调整好剪切稀释性,否则会对堵漏剂的可泵性造成较大影响。
本文综述的可固化堵漏剂之间的比较见表5。
表5 典型的可固化堵漏剂
总的来说,可固化堵漏剂较常规的桥塞堵漏剂具有承压能力高且固化性高,在钻井液循环工作时,封堵层不会被液柱压力破坏,减少堵漏次数。与惰性材料配合使用时,惰性材料对漏层起到架桥和填充的作用,达到“封门”的效果,堵漏剂能有效地停留在漏失层,抑制了工作液的漏失,同时固化剂能将其快速固化形成一层高强度封堵层,提高堵漏成功率。当与交联聚合物配合使用时,能够使其形成三维网络结构稳固更加坚固,达到最佳的堵漏效果。
发生井漏的原因具有多样性,仅凭借一种堵漏剂并不能达到较好的堵漏效果,故将多种堵漏材料混合,通过它们之间的协同作用,能够弥补本身的不足,以满足不同地层漏失特点。
李志宏等[28]以水溶性膨胀体P、催化剂S、稀释剂T、乳化剂W和增强剂G为原料构成的体膨型承压堵漏剂HSW-1,承压能力达11 MPa,配合定点投送工具使用,达到“定点投送”和“定点候凝”的效果,相对于IHPA有更高的膨胀率(可达500~800倍)。在鄂尔多斯盆地彭291-77井试验结果表明,该堵漏剂固化时间为2~6 min,耐温为120 ℃,适用于封堵恶性漏失井。
Lecolier等[29]研制的无机/有机纳米复合物凝胶,不易降解,160 ℃热滚16 h不发生降解。实验表明,该堵漏剂能起到降低渗透率、减少储层伤害、环保等目的,适用于缝隙性和严重性漏失地层。纳米材料在石油工程中应用越来越广泛,但对纳米封堵剂的作用机理还不是很清晰,建议加强对其作用机理的研究。
黄珠珠[30]以水溶性黏性聚合物基、可膨胀交联聚合物颗粒、醋酸铬(CH3CO2)7,交联剂Cr3(OH)2和胶体物质合成的纳米复合凝胶堵漏剂,其黏弹性和剪切强度极高,在120 ℃高温老化16 h后,凝胶强度只降低了20%,且对地层无污染。研究表明,该产品可储存和运输方便,在施工场地直接用干粉和水合成堵漏流体,有效地降低了高渗地层的漏失量。但对于井下交联时间的控制和如何诱发交联反应上还有待完善改进。
刘金华等[31]以桥接材料和聚合物为原料研制的新型复合堵漏剂DL-1,其桥接类材料的抗压能力大于14 MPa,在120 ℃下性能基本不变,浸泡10 d后物理性能变化很小,聚合物堵漏材料D具有一定强度、可变形性。4%土浆和5%核桃壳与 DL-1混合堵漏时,可有效封堵0.7~2 mm 的裂缝,封堵层的承压能力在10 MPa 以上。但该堵剂对钻井液的流变性影响较大,建议对其性质进一步研究。
总的来说,学者对复合堵漏剂的研究较为广泛,主要将颗粒材料、纤维、聚合物、吸水树脂和纳米等材料按照一定的比例混合形成具有高强度、耐高温、堵漏效率高的复合堵漏剂,如XFD-1复合堵漏剂具有较好的稳定性、封堵性、耐温性、承压性和弹性等特点。该堵剂在地层压力条件下先架桥,然后随着压力、温度不断升高,XFD-1会随着裂缝和孔隙的形状发生弹性变形,达到封堵与填充漏失层的目的,且又能在近井壁处形成高强度封堵层,不会受激动压力的影响发生反复性漏失问题,取得极佳的堵漏效果。
本文对各类堵漏剂进行对比和总结,得出以下几点建议。
(1)桥接类堵漏材料资源丰富,但随着高温高压井的不断增多,需要选用抗高温材料,如矿物纤维(温石棉、青石棉等)、抗高温橡胶颗粒、弹性石墨等,按组分比例及粒径匹配研制出耐高温的堵漏剂。
(2)目前很多吸水材料的吸水速度过快,不能达到有效地堵漏,因此可通过以下集中方法来调节吸起膨胀速度:挑选适合的单体、改变吸水树脂的分子链结构(如在侧链上引入苯环或用“C—C”、“C—N”及“C—S”主链与亲水基团连接起来)、表面化学改性、采用包裹法。
(3)近年来页岩井越来越多,由于页岩地层渗透率低和微裂隙发育,传统的封堵剂并不能达到维持井壁稳定性的目的,纳米复合封堵剂具有体积效应,可以有效的封堵纳米孔隙和裂缝,但纳米封堵剂会增大微细颗粒对油气层的损害,而且在钻井液中会出现吸附团聚现象,使颗粒变大无法封堵页岩微裂缝,因此将解决团聚问题作为今后的研究重点。
(4)随着油田的不断发展,现有的堵漏剂主要解决地层漏失问题,却忽略了环保性问题,因此开发出既环保又能高效堵漏的堵漏剂将会成为科研人员急需解决的问题。