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油基鉆井液凝膠堵漏技術實驗探討

文檔作者：王燦1，孫曉杰2，邱正松2，劉均一2，黃達全1，張現(xiàn)斌1，暴丹2 ( 文檔來源： 1．渤海鉆探泥漿技術服務公司 2．中國石油火學(華東)石油工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月26日
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第33卷第6期
2016年11月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUlD
、，01．33 No．6
Nov．2016
doi：lO．369鯽．issn．10叭一5620．2016．06．007
油基鉆井液凝膠堵漏技術實驗探討
王燦1， 孫曉杰2， 邱正松2， 劉均一2， 黃達全1， 張現(xiàn)斌1， 暴丹2
(1．渤海鉆探泥漿技術服務公司，天滓濱海新區(qū)30{)280；2．中國石油火學(華東)石油工程學院，山東青島266580)
垂越簿．霸墓黎彝域磺麟堵囂羲零襄豁源討l魏．詁勢系每寵勢凌，2{i16，3寫f妊，：霹磅44。
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Experimental StudV on o姐Base Mud Loss Control with Gel LCM
wANG canl，suN xiaojie2，QIu zhengson釅，LIu Junyi2，HuANG Daquan‘，zHANG xi撕binl，Pu Dan2
U．Drilting F|Hid 1tchn0|o窖y services《CNpC B0hni Dr{tling Enginecrtng Compnny Limned。Binhni，Tinnjin 3Q0290；
2．Coztege嘭Petmi跚m Engineering．Chinn Un如ersny夠Pe打鹼l既m．Qtng如o．sh玨ndon92665鼬)
Abstract Loss of oil base mud downhole is di角cuIt to stop in 6eld operation and causes grcat economic loss．An oiJ base mud loss
control metllod is presentcd幻emcienUy contml oil base mud loss．This method uses ge¨ost circulation material(LCM)to con訂ol
oil base mud 10ss．In selecting additives for gel LcM，a gelliIlg agent NJZ was found to have good solubil時in diesel oil毪nd had
good gelIing capac咄NJZ reacted very well wilh a crosslinking agem幾Jto fornl high qual時gels．It did not fornl good gel、Ⅳith
the crosslinking agent AlCI，。6H，O and NaOH．Highest gel stfengIh was obtained by reacting a】0．O％NJZ solution with 4．0％
cmsslinkng agent solution under me action of an emulsmer EⅢ．The fb肌ulation of the gel LCM waS optimized by orthogonal
experiment，and the e虢cts of temperature，pH nnd she撕ng on gel stren王；th were aIlalyzed．Laboratory exp翻ment has showll mat the
gel LCM can be uscd the way cement LCM is used，and call be squeezed in mul卻le times．Compa：red with waterbase gel LCM，this
ojl base geJ LCM worked bener in stoppi玎g mud Ioss and has good high temperature stabnity；it had high gel s仃ength eVen at l 20。C，
and was able to tolerate a pressure{；radient of 1．05 MPa／m．
Key words DowIl|lole mud loss；oil base drilling fluid；Gel LCM；Pressure bearing capacity；Drilling engineering
在深層超深層、非常規(guī)、海洋深水等復雜油
氣藏的鉆探過程中，油基鉆井液具有抑制性強、抗
溫能力高、潤滑性能好、抗污染能力高等優(yōu)點阻21。
但油基鉆井液的漏失問題較突出，具有易漏失、難
處理等特點，限制了其規(guī)?；茝V應用Ⅲ。目前國
內(nèi)外尚未形成油基鉆井液高效防漏堵漏材料與技術
規(guī)范，目．水基鉆井液防漏堵漏材料無法穩(wěn)定懸浮，
而是分散在油基鉆井液中，造成現(xiàn)場堵漏作業(yè)成功
基金項目：國家自然科學基金項目“海洋深水淺層井壁穩(wěn)定與水合物抑制的機理和新方法”(51474236)；石油化工聯(lián)
合基金“高溫高密度高礦化度鉆井液流變性的調(diào)控機理及新方法”(u1562101)；中石油渤海鉆探工程公司技術開發(fā)項目“油
基鉆井液防漏堵漏及頁巖氣井壁穩(wěn)定技術研究”(BHz■NJFGS一2014一JS．77)。
第一作者簡介：王燦，1971年生，高級工程師，博士，主要從事鉆井工程新技術研究、推廣應用和技術管理等工作。
電話(022)25922201；E鋤ail：wangcan@cnpc．com．cn。
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第6期王燦等：油基鉆井液凝膠堵漏技術實驗探討
率較低H_6】。尤其在遇到嚴重漏失時，常用來封堵
嚴重漏失的水泥漿，其性能受油基鉆井液影響較大，
在封堵漏層時很難取得良好的封堵效果，還可能出
現(xiàn)重復性漏失、井壁坍塌等鉆井復雜情況，往往造
成較大的經(jīng)濟損失p】。兇此，厥需研發(fā)一種新型堵
漏材料．以解決使用油基鉆井液鉆井時所遇到的嚴
重漏失問題。在優(yōu)選油基鉆井液凝膠堵漏體系(以
下簡稱油基凝膠)用凝膠劑NJZ、交聯(lián)劑JLJ、乳
化劑EHJ等關鍵處理劑的前提下，利用正交實驗
優(yōu)化了油基凝膠體系，分析了溫度、pH值、剪切
作用等因素對油基凝膠成膠性能的影響規(guī)律；實驗
初步探討了油基凝膠體系的堵漏效果及應用工藝。
l 實驗部分
kl 油基凝膠戍膠液的螽己制
根據(jù)實驗配方設計，配制不同濃度的以膠凝劑
為主劑的油相成膠液A，再配制相應濃度的以交聯(lián)
劑為主劑的水相成膠液B，將2種成膠液相互混合，
放髓到攪拌器中攪拌成膠，直至凝膠流動狀態(tài)達到
穩(wěn)定為止，測定油基凝膠黏度來考察油基凝膠的成
膠狀況。具體步驟如下：①成膠液A配制：利用
量筒量取一定量柴油倒入燒杯中，根據(jù)設計好的膠
凝劑濃度，加入對應用量的膠凝劑，利用JJ一1型
攪拌器攪拌5～10 min，待膠凝劑全部溶解后，加
入對應用量的乳化劑溶液，攪拌5 min至充分溶解
均勻；②成膠液B配制：按照設計好的油水比的
比例，量取相應體積的自來水倒入另一燒杯中，根
據(jù)設計好的交聯(lián)劑濃度，加入對應用量的交聯(lián)劑，
攪拌至固體粉末完全溶解；③將成膠渡B緩慢倒
人成膠液A中，使用JJ．1型攪拌器攪拌至凝膠狀
態(tài)不再發(fā)生變化為止。
1．2油罄凝膠強度評價
表觀黏度作為油基凝膠強度的表征參數(shù)【引，操
作簡單易行，同時又能反映各組分的變化對凝膠強
度的影響程度。利用Br()o炳eld DVH黏度計在窒
溫(30℃)下測定不同配方體系的油基凝膠黏度，
篩選組成油基凝膠的各組分，并優(yōu)選最佳配方。
2 油基凝膠體系的單劑優(yōu)選
2．1膠凝劑
取少量不同類囂!膠凝劑分別加入柴油中，用玻
璃棒攪拌使其溶解，其中膠凝劑NJA．9和膠凝劑
YGz溶解性較差。進一步加入4．0％的交聯(lián)劑兒J
和AlCl，·6H，O水溶液進行成膠性實驗，實驗結果
見表l。由此可知，膠凝劑NJz能夠在柴油中具有
良好的溶解性，且成膠性能較好，因此優(yōu)選膠凝劑
NJz進行后續(xù)油基凝膠配方優(yōu)化。
表l不同膠凝劑在柴油中溶解性與成膠情況
2．2交聯(lián)劑
在膠凝劑優(yōu)選基礎上，進一步評價了不同交
聯(lián)劑與膠凝劑NJz的成膠效果，結果見表2。由表
2可知，膠凝劑NJz與交聯(lián)劑兒J成膠效果最好，
而其與交聯(lián)劑A1c13·6H20、Alcl3·6H20和Na0H
復配的成膠效果較差，無法滿足要求。因此優(yōu)選交
聯(lián)劑幾J進行后續(xù)油基凝膠配方優(yōu)化。
表2膠凝劑與不同交聯(lián)劑成膠情況
交聯(lián)劑油水比NJz濃度，％成膠情況
2．3乳化劑
為了改善交聯(lián)劑兒J在柴油中的溶解性與成膠
效果，考察了不同乳化劑對成膠效果的影響實驗．
結果見表3。
表3不同乳化劑對油基凝膠成膠效果的影響
由表3可知，當凝膠劑NJz濃度為10．0％、交
聯(lián)劑兒J濃度為4．0％時，使用乳化劑EHJ的交聯(lián)
萬方數(shù)據(jù)
42 鉆井液與完井液2016年11月
效果最好，凝膠強度最高。因此，
進行后續(xù)油基凝膠配方優(yōu)化。
2．4油燎凝膠組成優(yōu)選
優(yōu)選乳化劑EHJ 性能的影響。
利用正交沒計實驗，采用極差分析法，優(yōu)選油
基凝膠組成，結果見表4。由表4可知，膠凝劑濃
度對油基凝膠影響程度最高，其最佳濃度為14％；
其次是乳化劑，其最佳濃度為1％；交聯(lián)劑最佳濃
度為2％；最佳油水比為40％(含水量)。
表4油基凝膠組成的正交直觀分析表
3 油基凝膠成膠性能影響因素分析
在保汪油基凝膠體系性能的前提下，綜合考慮
油基凝膠體系組成優(yōu)選結果與油基凝膠成本因素，
得到了3組油基凝膠體系的最優(yōu)評價配方，如表5
所示；以此作為基礎，進一步探討了反應時間、溫
度、pH值、剪切作用等因素對油基凝膠體系成膠
表5油基凝膠體系優(yōu)選配方
3．1溫度及反應時問的影響
油基凝膠在現(xiàn)場應用中，需要通過雙液法注入
方式進行堵漏施：I：作業(yè)，即2種成膠液在井筒中混
合成膠后，再進入漏失地層實施堵漏【9l。實驗中將
膠凝劑NJz溶液(A液)和交聯(lián)劑JLJ溶液(B液)
分別放在30、50、70和90℃水浴中加熱30 min，
再將A液和B液混合均勻攪拌5～lO min，利用
Broo如eld DV_lI毅黏度計，每隔5 mm測試交聯(lián)反
應體系黏度，直至黏度不再變化，不同油基凝膠配
方的黏度隨溫度和時間的變化結果見表6。
表6不同油基凝膠配方的黏度隨溫度和反應時間的變化
由表6可知。溫度對油基凝膠成膠黏度及成膠
時間的影響不明顯。雖然加熱會促進JLJ的水解，
生成氫氧化鈉和氫氧化鋁，但氫氧化鋁是難溶固體，
同時又是兩性氫氧化物，在堿性條件下發(fā)生異構反
應生成鋁酸，鋁酸可進一步分解為偏鋁酸和水，偏
鋁酸和氫氧化鈉發(fā)生中和反應，會生成兒J和水。
因此加熱對B液無影響。另外，溫度升高對膠凝
劑在柴油中的溶解起促進作用，但對成膠行為的影
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第6期王燦等：油基鉆井液凝膠堵漏技術實驗探討43
響不大。總之，溫度對成膠黏度的影響不明顯。
3．2 pH值的影響
3．2．1 交聯(lián)比對體系pH值和凝膠黏度的影響
在一定量的水中分別加入不同量的膠凝劑(100
g／L和120∥L)擄i拌5 min，髯加入相應的交聯(lián)劑(40
∥L和50 g／L)，按照5：2的油水比加入一定量的水，
再攪拌5 miIl。利用PHs一3C型酸度計，測定不
同交聯(lián)比的交聯(lián)反應體系pH值。利用Broo婭eld
DV_II型黏度計測定不同交聯(lián)比的凝膠體系的黏度，
結果見表7。由表7可知，隨著交聯(lián)比的增加，交
聯(lián)體系的pH值增加，凝膠體系的黏度降低。導致
凝膠體系黏度降低的主要原因：一是隨著交聯(lián)比的
增大，在混合液中膠凝劑的濃度降低，導致形成的
凝膠結構減少；二是體系pH值的增大，抑制了凝
膠結構的形成。
表7膠凝劑和交聯(lián)劑的濃度對凝膠體系黏度的影響
3。2．2 pH值對油基凝膠黏度的影響
在柴油中分別加入不同量的膠凝劑和H：SO。
攪拌5 miIl，再將不同量的交聯(lián)劑加人到油水比為
5：2的體系中，再攪拌5 min，制得不同交聯(lián)比的
油基凝膠。利用Brool【field Dv-Il型黏度計，測定
H：SO。不同加量的交聯(lián)體系黏度，結果見表8。
綜合分析可知，隨著硫酸加量增多，不同配方
的油基凝膠體系黏度先升高再降低。根據(jù)油基凝膠
交聯(lián)反應機理可知，當交聯(lián)體系pH值增加，膠凝
劑用量相同時，體系中H+濃度降低與OH一離子濃
度增加，促進生成A1(OH)、沉淀，降低體系的
A13+濃度；當酸過量時，已經(jīng)形成的凝膠結構會遭
到破壞，導致凝膠黏度又下降。
3．3剪切作用的影響
利用JJ．1攪拌器對油基凝膠體系的待成膠液
進行剪切，分析不同剪切時間對成膠情況的影響。
在30℃下將A液和B液混合，高速剪切攪拌，模
擬井筒剪切和輸送對問，在240 r／min的轉速下分
別剪切0．5、1、2、3和4 h，測定油基凝膠黏度隨
剪切時間的變化規(guī)律，結果見圖1。油基凝膠停止
剪切后黏度隨時間的變化關系見圖2。
表8不同pH值下油基凝膠的黏度
膠凝劑／％交聯(lián)劑／％交聯(lián)比H2sO加也pH黏度／Pa·s
橢
圖l油基凝膠成膠黏度隨剪切時間的變化
∥mln
圖2油基凝膠黏度隨靜置時問的變化
由圖1可知，當剪切速率為240 r／嘶n時，油
基凝膠可在30 min內(nèi)成膠，成膠后黏度基本保持
穩(wěn)定；在剪切作用過程中形成的凝膠最終黏度低于
靜置情況下的凝膠黏度。凝膠進入漏層后流速不斷
降低，最終靜止形成具有足夠強度的封堵帶可有效
封堵漏失。由圖2可知，在剪切過程中形成的油基
萬方數(shù)據(jù)
鉆井液與完井液2016年11月
凝膠，在進入漏層流速減慢逐漸停滯之后，在20
min左右黏度穩(wěn)定并達到最終黏度，油基凝膠具有
剪切稀釋特性。
4 油基凝膠堵漏室內(nèi)實驗評價
油基凝膠的承壓畿力是決定凝膠在裂縫性和
破碎性漏層內(nèi)封堵效果的重要因素，加壓時出【___I處
排_}十}第1滴凝膠時的突破壓力稱為承壓能力，一般
可采用承壓能力評價油基凝膠的封堵能力。采用粒
徑大約為5 mm石英礫石填制填砂管(規(guī)格西2．5
cm×20 cm)來模擬大孔道漏失層段，圖3為礫石
充填巖心堵漏實驗原理示意圖。在實驗過程中，通
過調(diào)節(jié)A液和B液的注人速度，控制A液和B液
的比例為5：2，直到填砂管出液口流出濃稠的初
交聯(lián)凝膠為止。取下填砂管，放人滾子爐中在120
℃下加熱16 h后，采用模擬地層水驅替填砂管，
記錄驅出第1滴流體時壓力表的讀數(shù)，即油基凝膠
的承壓能力。實驗結果表明，油基凝膠體系的承壓
能力為O．2l MPa，即承壓能力梯度為1．05 MPa／m。
在相同條件下，使用濃度為1．2％的水基特種凝膠
進行封堵實驗，承壓能力梯度僅為O．015 MPa／m，
說明新研制的油基凝膠承壓能力明顯高于水基特種
凝膠的封堵承壓能力。
j墮口
仃充填填砂l(fā)
網(wǎng)3礫石充填巖心堵漏實驗原理示意網(wǎng)
5 結論與認識
】．針對油基鉆井液的嚴重漏失情況，在油基膠
凝劑、交聯(lián)劑、乳化劑等研選的基礎上，提出并試
制出堵漏用油基凝膠體系配方。
2．實驗分析了溫度、pH值和剪切作用對堵漏
汕基凝膠成膠性能的影響規(guī)律。
3．填砂管室內(nèi)實驗評價表明，采用雙液注入方
法，結合多次擠注工藝，相對水基凝膠堵漏體系，
新研制的油基凝膠具有更強的堵漏作用效果，日．具
有良好的抗溫性，120℃下仍具有較高的凝膠強度。
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(收稿日期2016．10．15；HGF=1605C3；編輯王超)

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