化学堵漏剂在石油钻井防漏堵漏中的应用现状.pdf

化学工程师 C h e m i c a l E n g i n e e r 2 0 1 6 年第 0 8 期 DO I 1 0 1 6 2 4 7 - c n k i 2 3 一 l l 7 1 ／ t q 2 o 1 6 o 8 6 0 笥 t t 链 化学堵漏剂在石油钻井 防漏堵漏中的应用现状 倪亚飞， 黄友 亮 长江 大学 石油工程学院 。 湖北 武汉 4 3 0 1 O 0 摘要 石油是全球最主要的化石能源之一， 其被称为工业的血液。在石油钻井开采过程中可能发生各 种井下复杂情况， 其中井漏则是一种常见的井下事故。统计川东北地区， 油田处理井漏所花去时间占到总钻 井时间的 1 0 ％左右⋯， 严重影响了钻井安全和钻井速度， 严重增加了钻井成本。 化学堵漏剂在石油钻井中的应 用有效降低了井漏事故和井漏处理成本。本文介绍了化学堵漏剂的研发历史以及 目前化学堵漏剂的研发方 向和重点， 总结了目前化学堵漏剂的应用范围， 对化学堵漏剂的研发提出几点意见。 关键词 石油； 井漏； 化学堵漏剂 中图分类号 T E 2 8 2 文献标识码 A Ap p l i c a t i o n s t a t u s o f c h e mi c a l p l u g g i n g a g e n t i n l e a k a g e p r o t e c t i o n i n p e t r o l e u m d r i l l i n g NI Ya - f e i ， HUANG Yo u l i a n g C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， Y a n g t z e U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Oi l i s o n e o f t h e wo d d S mo s t i mp o r t a n t f o s s i l e n e r g y ， wh i c h i s c a l l e d t h e b l o o d o f i n d u s t r y ． I t ma y O c c u r s a l l t h e c o mp l i c a t e d d o w n h o l e c o n d i t i o n s d u rin g d ri l l i n g ，s u c h a s l e a k a g e ．Ac c o r d i n g t o t h e s t a t i s t i c s i n t h e n o r t h e a s t o f S i c h u a n ， t h e ti me of p r e v e n ti n g a n d d e a l i n g wi t h l o s t c i r c u l a t i o n i s w a s t e d a n d ma k e s u p l O ％o f t h e t o t a l d ril l i n g t i me ．I t s e ri o u s l y a f f e c t e d t h e s afe U d ri l l i n g a n d t h e d ri l l i n g s p e e d ，a t t h e s a me t i me i n c r e a s e d t h e c o s t o f d ri l l i n g ．Ch e mi c a l p l u g g i n g a g e n t c a n e ff e c t i v e l y l e a k s t o p p a g e a n d p r e v e n t t o l e a k i n t h e p e t r o l e u m d ril l i n g ． T h e p a p e r p r e s e n t s t h e a p p h c a t i o n e f f e c t o f v a i o u s c h e mi c a l L CM i n d i f f e r e n t r e g i o n s a n d d i ff e r e nt 0 i l f i e l d s ． I t w i l l h e l p t h a t t h e l e a k a g e s u c c e s s f u l l y i s p r e v e n t e d ． Ke y wo r d s p e t r o l e u m ； we l l l e a k a g e ； c h e mi c a l p l u g g i n g a g e n t 井漏事故的发生必须具备 3 个必要条件【 l_ 3 ] 井 底压力大于地层压力即正压差的存在 ； 地层岩石孔 隙半径大于钻井液中固相颗粒半径； 地层具有储集 空间， 可以容纳漏失的钻井液。目 前， 钻井防漏堵漏 过程中主要工作重点使井漏事故发生的第二个必 要条件失效， 即通过各种手段使得地层岩石孔隙半 径小于钻井液中固相颗粒直径 。 将化学药剂添加到钻井液改善钻井液性能的 历史可以追溯到上个世纪 2 0 年代 ，化学堵漏剂的 研发最早于上个世纪 5 O年代。化学堵漏剂以聚合 物树脂类堵漏剂为主， 其次有聚合物酰胺类、 聚合 物腈类、 共聚物类等。 化学堵漏剂具有几点优点 封 堵性受钻井液循环冲刷影响小； 聚合物类分子主支 收稿日期 2 0 1 6 0 5 2 2 作者简介 倪亚飞 1 9 9 1 一 ， 男 ， 在读硕士研究生， 从事岩石力学相关 研究 。 通讯作者 黄友亮 1 9 9 1 一 ， 男， 硕士研究生在读， 从事岩石力学相关 研究。 链长、 分支链多， 易吸附在地层孔隙内表面并堆积 起到封堵作用； 可以随钻堵漏以及随钻防漏 ， 降低 井漏事故发生率 ； 封堵地层后在需要的情况下可以 解封地层， 恢复地层渗透率等。 化学堵漏剂研发早期 1 ． 1 聚丙烯酰胺 聚丙烯酰胺 P A M 是由单体丙烯酰胺 A M 通 过烯键断裂并单体相互间重新成键聚合而成。其胺 基带有一个单位正电荷， 会吸引带有负电荷基团物 质如粘土， 因此， 聚丙烯酰胺主要作用为絮凝作用。 1 9 7 9 年前苏联利用聚丙烯酰胺成功封堵了克拉斯 诺谢尔 6 2 1 井的十个强漏失地层 ， 其在水泥浆中加 入适量聚丙烯酰胺， 当这种含有聚丙烯酰胺的水泥 浆 配方见表 1 进入地层之后 ， 聚丙烯酰胺加快 固 相颗粒的絮凝过程和沉淀过程 ， 进而达到快速封堵 地层的 目的。 2 0 1 6年第 O 8 期 倪亚飞等 化学堵漏剂在石油钻井防漏堵漏中的应用现状 表 1 1 9 7 9年前苏联封堵地层水泥浆配方表 T a b ． 1 C o mp o u n d o f c e me n t p a s t e t o p l u g f o r ma t i o n i n t h e S U i 1 1 1 9 7 9 1 ． 2 脲醛树脂 M‘ p 一 1 7 脲醛树脂又称脲甲醛树脂， 由尿素与甲醛在催 化剂的作用下形成⋯， 脲醛树脂与草酸混合会形成 坚硬的固体颗粒。因此， 在处理钻井井漏事故中可 以将脲醛树脂与草酸的混合物注入漏失地层， 脲醛 树脂与草酸在漏失地层孔隙中生成沉淀性固体颗 粒堵塞漏失通道。 在我国多个地区曾应用脲醛树脂堵漏 大宝山 钼矿区选用 以水泥 、 脲醛树脂 、 酒石酸等为主要原 料的堵漏配方【 1 ， 应用效果表明该方案有效解决了 该地区的大量漏失问题； 甘肃阳山金矿区经过探索 发现锯末 一脲醛树脂对于封堵大裂缝地层的漏失 具有 良好效果【 ； 刘晓平等人通过室内实验确定一 种脲醛树脂堵漏剂配方【 】 见表 2 ， 将该配方应用 于中原油田效果 良好； 等等。 表 2 脲醛树脂堵漏剂配方表 T a b ．2 C o mp o u n d o f u r e a f o r ma l d e h y d e r e s i n L CM 1 ．3 不常用堵漏剂 不常用堵漏剂中包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、 泛 美 6 - 2 1 0 、 聚苯乙烯等。 聚丙烯腈是由单体丙烯腈聚 合而成，将其添加到钻井液中起增粘和稳定的作 用。 早在 1 9 5 7 年 G o in s ．W．C通过实验将碎胡桃核与 聚丙烯腈以质量比 6 0 l 的比例加入钻井液中成 功封堵了其他封堵方法失效的漏失地层[ 引 。聚乙烯 醇由单体乙烯醇聚合而成 ， 单独使用不具备堵漏能 力 ， 其必须与胶凝剂、 纤维材料等混合制成混合物 颗粒，该颗粒能够在温度 7 1 ℃经 2 h左右体积膨胀 至原体积的 2 - 4倍， 且具有较高强度， 因此混合物 颗粒首先进入漏失地层孔隙经过地层高温体积膨 胀而封堵地层。 2 化学堵漏剂研发现状 近年来 ， 化学堵漏剂的研究热点可以分为两大 类 聚合物凝胶类堵漏剂【 。 】 和体膨类堵漏剂 ]。 聚合物凝胶类堵漏剂主要由两类化学剂组成 成胶 剂和交联剂， 目前， 最常用成胶剂为聚丙烯酰胺 、 酚 醛树脂、 高分子蛋白等， 常用的交联剂有 C r 1lI 、 酚 醛、 硼砂、 有机锆、 有机硼等。一般情况下将成胶剂 和交联剂分别用清水配成溶液， 其次将颗粒材料加 入成胶剂溶液 中随后泵入井眼 ； 交联剂溶液随后泵 人井 眼 ， 两种溶液在井底混合并在地层温度 的作用 下迅速交联 ， 形成一种不具流动性 、 富有 弹性 的凝 胶。处于地层孔隙内的凝胶将阻止流体流过， 达到 堵漏的效果。 在渤海 s z 一 3 6 一 l 井中应用凝胶堵漏剂 一 次性堵漏成功[ 19 】 。交联剂的选择对凝胶的生成与 破坏有着重要影响 有机金属交联剂可以使凝胶快 速成型但是破胶 困难 ；无机硼交联剂耐温性能差 ， 极大限制其应用。二十世纪 9 0 年代至今有机硼交 联剂的研究一直是热点。 体膨型堵漏剂主要特点是堵漏剂在吸水之后 会体积会发生膨胀，且仍具有较强的韧性和弹性， 在压力 的作用下变形挤入地层孔 隙并充填整个孔 隙达到封堵地层的作用。体膨型堵漏剂较凝胶类堵 漏剂具有几点优点 泵人摩阻小 ， 能耗小 ； 适用于大 多数漏失地层包括大裂缝漏失。但是其也有几点问 题需要突破体积膨胀后堵漏材料的凝胶强度； 堵 漏剂的体积膨胀率 ； 体膨型堵漏剂在高温、 高含盐 地层 的稳定性 。 单独使用化学堵漏剂堵漏具有诸多局限 不能 有效封堵大裂缝地层、 高含水地层、 地层水高矿化 度地层 、 溶洞溶孔性地层； 凝胶堵漏剂 自身强度有 限， 在高剪切力作用下有可能失去封堵能力等。有 学者提出将刚性无机材料与聚合物凝胶堵漏剂混 合使用 ， 其堵漏机理在于 聚合物支链上的功能 基团与刚性无机材料、地层岩石通过配位键连接 ， 凝胶强度极大提升的同时抗剪强度也得到提升， 使 得刚性无机材料能够承受更高压差而不产生移动。 3 化学堵漏剂的发展趋势 化学堵漏剂经过半个多世纪的发展 ， 成型产品 多种多样， 但是现在油田现场对堵漏剂的要求也越 来越高。这些堵漏材料 的应用 ， 有效地解决 了渗透 性及微裂缝地层的漏失问题。但是对于大型裂缝、 溶洞或洞穴地层的漏失处理仍较困难， 用于处理严 重漏失的堵漏材料不多。有些化学药剂更具有毒 性， 比如聚丙烯酰胺中没有反应完全的单体丙烯酰 胺 ， 在堵漏过程 中有可能污染地下水源 。另外 当漏 失地层也是储层时， 不能完全堵死地层否则无法开 倪亚飞等 化学堵漏剂在石油钻井防漏堵漏中的应用现状 2 0 1 6 年第 0 8 期 采油气资源， 则需要在封堵地层之后凝胶能够高效 率地破胶， 以此恢复地层渗透率。日 后化学堵漏剂 的研发重点将集 中在成胶剂和交联剂 的研发 ， 并且 需要解决 3 大问题 1 堵漏材料具有较强的变形 能力， 使其适应不同类型的漏失； 2 堵漏材料进入 漏失地层吸水自身膨胀后仍具有较强韧性和弹性； 3 堵漏材料的各项性能要稳定， 受外界因素影响 小， 在各种钻井液体系中都具有良好的封堵能力。 4结论 化学堵漏剂经过半个多世 纪的发展 ， 研发 了多 种堵漏剂， 特别是聚合物凝胶、 体膨型堵漏剂、 选择 性封堵剂、 聚合物与云母片、 碎核桃壳、 废弃橡胶颗 粒等组合的复合型堵漏剂， 同时防漏技术的研发也 同步进行 ， 比如超低滤失 钻井 液 ， 含有微泡 的钻井 液等等。这些堵漏剂成功解决了许多井漏技术问 题。目前， 堵漏材料仍不能有效处理特殊地层的井 漏以及特殊情况下 的井漏 。往后堵漏防漏剂可 以往 加强提高地层承压能力方向研发， 各种堵漏防漏材 料之间的复配协同作用研究， 同时适应高温高压及 高含盐地层等复杂情况的堵漏材料研究， 能够高效 处理恶性漏失的防漏堵漏技术研究等等， 这些都将 是化学堵漏剂的发展方向，做到提高堵漏的成功 率， 做到堵漏剂适应性好、 经济适用、 针对性强等。 参考文献 [ 1 ] 王希勇， 熊继有， 钟水清， 等． 川东北井漏现状及井漏处理对策 研究[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 7 ， 3 0 2 1 3 5 1 3 7 ． [ 2 ] 李大奇 ， 康毅 力 ， 刘修善 。 等． 基于漏失机理 的碳酸盐 岩地 层漏 失压力模型[ J ] ．石油学报， 2 0 1 1 , 3 2 5 9 0 0 9 0 4 ． [ 3 ] 王金刚， 张杰 ， 段小康， 等． 漏失压力研究现状[ J j ． 中国西部科 技， 2 0 1 2 ， 1 1 1 0 2 9 3 0 ． [ 4 ] 李光东脲 醛树脂胶粘剂[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 5 ] L i G u a n g d o n g ． U r e a f 0 n n a l d e h y d e r e s i n a d h e s i v e [ M] ． B e i j i n g Ch e mi c M I n d u s t P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 孙平贺， 乌效鸣， 赵均文， 等． 大宝山复杂钼矿地层钻孔堵漏技术 研究与应用[ J ] _地质与勘探， 2 0 1 0 ，4 6 1 1 3 2 1 3 6 ． [ 7 ] 蒲春， 张强， 杨巍青， 等． 甘肃阳山金矿区裂隙型地层堵漏方法探 索[ J ] ．探矿工程 岩土钻掘工程 ， 2 0 1 3 ，4 0 z 1 2 3 0 2 3 2 ． [ 8 ] 刘晓平， 程百利， 张寿根， 等． 一种地下缩聚固化的脲醛树脂堵水 堵漏剂[ J ] ．油田化学， 2 0 0 4 ， 2 1 1 3 6 3 8 ． [ 9 ] 王中华． 聚合物凝胶堵漏剂的研究与应用进展[ J ] ． 精细与专用 化学品 ， 2 0 1 1 ， 1 9 4 1 6 2 0 ． [ 1 O ] 罗兴叔， 蒲晓琳 ， 黄岩， 等． 堵漏型聚合物凝胶材料研究与评价 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 6 ， 2 3 2 2 8 3 2 ． [ 1 1 ] 贾佳， 郭建华， 赵雄虎 ， 等． 聚合物凝胶堵漏剂在盐水中吸水膨 胀性能评价[ J ] ．精细石油化工进展， 2 0 1 2 ， 1 3 4 1 6 1 7 ． [ 1 2 ] 汪建军， 李艳 ， 刘强， 等． 新型多功能复合凝胶堵漏性能评价 [ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 5 ， 2 5 9 1 0 1 1 0 3 ． [ 1 3 ] 聂勋勇， 王平全 ， 张新民． 聚合物凝胶堵漏技术研究进展[ J ] ． 钻 井液与完井 液 ， 2 0 0 7 ,2 4 1 8 2 8 4 ． [ 1 4 ] 郑军， 何涛， 王琪， 等． 地下合成凝胶堵漏性能研究[ J ] _ 钻采工 艺 ， 2 0 1 0 ， 3 2 4 1 0 2 1 04． [ 1 5 ] 张歧安， 徐先国， 董维 ， 等．延迟膨胀颗粒堵漏剂的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 6 ，2 3 2 2 1 2 4 ． [ 1 6 ] 郭丽梅， 高小强， 陈曦， 等． 颗粒体膨型耐温耐盐堵漏剂的研 究[ J ] ． 现代化工， 2 0 1 5 ， 3 5 4 1 0 0 1 0 5 ． [ 1 7 ] 周佩． 体膨型泥浆堵漏剂的合成及应用研究[ D ] ． 西安石油大 学， 2 0 0 9 ． [ 1 8 ] 徐先国， 张歧安， 薛民生， 等． 新型核壳结构体膨堵漏剂 S T P的 研究[ J ] ． 钻井液与完井液。 2 0 1 1 ,2 8 5 1 2 1 5 ． [ 1 9 ] 唐代绪， 刘振东， 侯业贵， 等． 可控膨胀堵漏剂的研制[ J ] ．钻井液 与完井液， 2 0 0 8 ， 2 5 5 2 0 2 2 ． 中俄原油管道二线开工 年输油能力 1 5 0 0 万 t 中国石 油天然气集 团公 司 2 0 1 6年 8月 1 6日 宣布 ， 国家重点工程中俄原油管道二线工程近 日在 黑龙江省加格达奇地区开工建设。 中俄原油管道二线是深化中俄两国在能源领 域合作的重大工程。该管道起自黑龙江省漠河县兴 安镇附近漠河首站， 途经黑龙江、 内蒙古， 止于黑龙 江省大庆市林源输油站， 与已建成投产的中俄原油 管道一线1 并行敷设， 全长约 9 4 0 k in， 设计年输油能 力 1 5 0 0 万 t 。计划 2 0 1 7 年 l 0 月底具备投产条件 ， 2 0 1 8年 1 月 1日正式投入商业运行。 2 0 1 3 年 3 月， 中俄两国政府在莫斯科签署扩大 原油贸易合作协议。2 0 1 3 年 6 月， 中石油与俄罗斯 石油公司签署向中国增供原油贸易合同，计划从 2 0 1 8 年 1 月起， 通过中俄原油管道二线向中国每年 增供原油 1 5 0 0万 t 。2 0 1 4年 3月 ， 中俄原油管道二 线工程取得国家发展改革委核准。 2 0 1 1 年 1 月 1日， 中俄原油管道 一线 投入商 业运营， 设计年输油量 1 5 0 0 万 t 。