水平井用液體膠塞制備與放大試驗研究

李 欣 ，楊東海 ，黃 其 ，劉 音 ，馮國君 ，常 青 ，劉雨晨

（1．中國石油集團渤海鉆探公司井下技術服務分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油廠地質研究所，天津 300283；3.中國石油集團渤海鉆探公司工程技術研究院，天津 300280）

水平井用液體膠塞制備與放大試驗研究

李 欣1，楊東海1，黃 其1，劉 音1，馮國君2，常 青3，劉雨晨1

（1．中國石油集團渤海鉆探公司井下技術服務分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油廠地質研究所，天津 300283；3.中國石油集團渤海鉆探公司工程技術研究院，天津 300280）

根據液體膠塞的作用和具體參數要求，制備出水溶性高分子聚合物的液體膠塞，讓其在井筒內進行交聯聚合反應，并以大塊的形式固結實現對篩管壁與井壁的封堵。本研究考察了單體、引發劑、交聯劑、溫度等主要因素對液體膠塞強度的影響，并進行了35 kg級模擬水平井的放大試驗。結果顯示，當單體為丙烯酰胺且其質量分數為35%時，在60℃下用量10-5g數量級的過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉引發劑，且用10-4g數量級的交聯劑丙烯酸羥乙酯進行交聯反應，制備的液體膠塞具有較好的強度且無脆性，可以滿足施工的使用要求。

液體膠塞；篩管完井；環空封隔材料；高分子聚合物

20世紀90年代，國外開始研究植物膠液體膠塞，如 Halliburton公司的 Temblock-90、Phillips公司的Tempgel等，將其應用在修井、堵漏作業中，取得了不錯的效果。液體膠塞的研究在國內尚處于起步階段，渤海石油鉆井公司報道的暫堵劑產品，是以乙醇為分散劑、四氯化鈦為交聯劑的田菁膠凍膠，但由于田菁膠濃度很低（1%～2%），應用受到限制[1]。1998年，由長慶石油勘探局鉆采工藝研究院研制的植物膠液體膠塞是以胍膠為原料，其應用是將膠塞擠入射孔眼、裂縫、填砂層進行封堵，承壓能力與炮眼等的孔徑大小密切相關[2]。2008年，自破膠液體膠塞水平井分段射孔壓裂工藝及膠塞申請國家專利，該膠塞是用胍膠粉劑制備胍膠基液后，利用交聯劑交聯制備而成的[3]。

國內外研究的液體膠塞堵劑都并非以大塊的膠塞形式存在，而是通過擠入裂縫、炮眼等凝膠后起到封堵的作用，本公司對水平井篩管完井中所使用的化學手段封堵劑進行了調研，機械卡封的辦法難以實施，主要依靠化學手段封堵，其中的核心技術為“環空封隔材料”，也叫“液體膠塞”，是大塊存在于管外環空的封隔材料。我國環空封隔材料研制成功的首例是2008年中國石油大港油田公司研制的環空封隔液體膠塞，是以丙烯酸和淀粉接枝共聚，通過氧化劑引發產生爆聚，形成強凝膠產物。但反應聚合時間長達4 h～24 h，且穩定時間短在 24 h～48 h，適用于暫堵[4，5]。本公司研制出一種高分子液體膠塞，它具有成膠時間可控，可根據需求以達到施工要求的成膠時間，形成的膠塞均一、穩定、有強度、有韌性，且穩定時間較長，可在堵水施工完成后用化學和機械聯合方法清除，也可用單一化學方法清除。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

主要原料：丙烯酰胺、丙烯酸鈉、丙烯磺酸鈉 、偶氮二異丁腈、過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉、過氧化苯甲酰、甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯、硼砂、硼酸、硝酸鉻、過硫酸鉀、過硫酸銨、雙氧水、次氯酸鈉等皆為工業純。

2 結果與討論

2.1 單體種類及含量對液體膠塞強度的影響

選丙烯酰胺、丙烯酸鈉、丙烯磺酸鈉幾種單體分別進行共聚反應制備液體膠塞，不同種類的單體對液體膠塞的性能影響不同。單體不同含量時的液體膠塞性質（見表1）。當單體含量較小時，所制備的液體膠塞強度較低；當單體含量較高時，由于反應大量的放熱，導致聚合過程中有爆聚現象發生。單體質量分數為35%的液體膠塞強度較好，且不會出現爆聚現象。

表1 單體種類及含量對液體膠塞強度的影響（T=60℃）

2.2 引發劑種類及用量對液體膠塞強度的影響

選偶氮二異丁腈、過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉、過氧化苯甲酰幾種引發劑分別在60℃條件下引發共聚反應制備液體膠塞，不同種類及用量的引發劑對液體膠塞的強度影響不同，實驗結果（見表2）。

表2 引發劑種類及用量對液體膠塞強度的影響（T=60℃）

由表2可知，用過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉作為引發劑可以制備較高強度的液體膠塞。引發劑過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉的用量對液體膠塞的初始交聯時間和成膠時間有明顯的影響（見表3）。

由表3數據可知，伴隨引發劑用量的減少，液體膠塞的初始交聯時間、成膠時間逐漸延長，初始交聯時間應大于30 min，因此，引發劑的用量應控制在10-5g數量級。

表3 引發劑過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉用量對初始交聯時間、成膠時間的影響

2.3 交聯劑種類及用量對液體膠塞強度的影響

選擇兩種有機交聯劑甲基丙烯酸、丙烯酸羥乙酯和三種無機交聯劑硼酸、硼砂、硝酸鉻，研究有機、無機交聯劑對液體膠塞強度的影響。實驗結果表明，利用有機交聯劑交聯形成的液體膠塞強度高于無機交聯劑形成的液體膠塞強度。由于不同種類交聯劑的主鏈長短不同，對交聯后形成的聚合物液體膠塞的脆性和強度也明顯不同（見表4）。當交聯劑的主鏈較長時，所制備的液體膠塞的強度有所下降，而液體膠塞的脆性可以得到相應改善。交聯劑的用量對液體膠塞的強度和脆性也有較大的影響，當交聯劑用量較多時，液體膠塞的脆性較大，承壓過程中較易脆裂；當交聯劑用量較少時，雖韌性較好，但自身強度的提高不明顯。

表4 交聯劑甲基丙烯酸和丙烯酸羥乙酯用量對液體膠塞強度的影響

由表4中的數據可知，當交聯劑甲基丙烯酸用量在10-4g數量級時，制備的液體膠塞具有較好的強度且脆性較小，可以滿足使用要求；當交聯劑丙烯酸羥乙酯的用量在10-4g數量級時，液體膠塞具有較好的強度且無脆性，也可以滿足使用要求。

2.4 溫度對破膠的影響

控制破膠溫度為60℃，對不同破膠濃度下的4種破膠劑的破膠能力進行了研究，結果（見表5）。

表5 60℃條件下，4種破膠劑及其濃度變化對破膠效果的影響

由表5可知，伴隨破膠劑濃度的增加，破膠液的破膠時間逐漸減少，其中，雙氧水和次氯酸鈉的破膠時間均可控制在4 h以內。60℃時，使用破膠劑次氯酸鈉在破膠前（左）、破膠后3 h（右）對液體膠塞拍攝的照片（見圖1），破膠劑次氯酸鈉在3 h內可完成對液體膠塞的破膠，從右圖可以看出，膠塊已完全消失，成為液體狀。

圖1 液體膠塞破膠前（左）與破膠后3 h（右）的照片

2.5 35 kg級模擬水平井放大試驗

將實驗室取得的結果進行了35 kg級模擬水平井的放大試驗，在模擬液體膠塞在水平井中成膠的條件下，進行了三次放大試驗，得到了兩個35 kg級液體膠塞的優化配方。前兩次主要用單體丙烯酰胺及一些功能性的助劑，第三次使用單體丙烯酰胺和丙烯酸鈉的復合體系。

模擬水平井制備的35 kg級液體膠塞裝置（見圖2），該裝置管路內徑為12 cm，長度為3.2 m，管路一側裝有進料管，且進料管上方裝有球形閥，在管路的前、中、后三處裝有熱電耦溫度計，該熱電耦連接到溫控記錄儀，實時記錄并描繪出溫度-時間曲線。該溫度-時間曲線能夠準確表示反應起始時間及成膠時間。整個模擬水平井管路裝置平躺在水浴中，水浴溫度控制在60℃左右，另有三個熱電耦溫度計也分別置于水浴的前、中、后三處監控水浴的溫度。

圖2 35 kg級模擬水平井放大制備液體膠塞裝置

溫度60℃，對35 kg級模擬水平井制備的液體膠塞膠塊進行了破膠試驗，結果顯示，膠塊（見圖3）在3 h內可以完全破膠（技術要求破膠時間小于5 h），破膠后的黏度小于10 mPa·s。根據模擬水平井裝置三次放大試驗的結果，制備的液體膠塞、優選的破膠劑配方和工藝的研究工作已獲得進展。

圖3 35 kg級模擬放大試驗中所得的膠塊實物

3 結論

（1）通過對高分子材料的原料進行篩選，制備出以水溶性高分子聚合物為材料的液體膠塞。當單體為丙烯酰胺且其質量分數為35%時，在60℃下用量10-5g數量級的過硫酸鉀-亞硫酸氫鈉引發劑，且用10-4g數量級的交聯劑丙烯酸羥乙酯進行交聯反應，制備的液體膠塞具有較好的強度且無脆性，可以滿足施工的使用要求。

（2）將室內所得配方放大到35 kg級模擬水平井試驗，結果顯示，初始交聯時間和成膠時間均達到技術指標要求；使用破膠劑次氯酸鈉進行了破膠試驗，膠塊在3 h內可以完全破膠，破膠后的黏度小于10 mPa·s。

［1］李銀素，陳淑生.抗高溫完井暫堵劑［P］.中華人民共和國發明專利，CN1047686.

［2］楊洪志，朱建峰，管保山，等.植物膠液體膠塞CQTD-95及其暫堵技術研究［J］.油田化學，1998，15（3）：224-227.

［3］李憲文，趙文，李建山，等.自破膠液體膠塞水平井分段射孔壓裂工藝及膠塞［P］.中華人民共和國發明專利，CN101270277.

［4］馬如然，劉音，常青.油田壓裂用暫堵劑技術［J］．天然氣與石油，2013，31（6）：79-82.

［5］劉音，常青，譚銳，等.水平井控水用液體膠塞的室內合成研究［J］.石油化工應用，2015，34（8）：97-100.

Study on synthesis and magnifying test of liquid colloid plug for horizontal well

LI Xin1，YANG Donghai1，HUANG Qi1，LIU Yin1，FENG Guojun2，CHANG Qing3，LIU Yuchen1
（1.Downhole Technical Service Branch Company，BHDC，Tianjin 300283，China；2.The Fifth Geological Institute of Oil Recovery Plant，Dagang Oilfield，Tianjin 300283，China；3.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China）

The water-soluble polymer of liquid colloid plug was synthesized according to claims of function and specific parameters,and makes it is cross-linked in shaft,which become a big sheet control sieve tubes wall and well wall.In this present research,the effect of intensity for liquid colloid plug is investigated by monomer,initiator,cross-linkers,temperature,and so on,also carry out the bigger scale test of thirty-five kilogram horizontal wellbore.The study demonstrates that optimizing monomer acrylic amide and its optimal dosage is 35%,initiator potassium persulfate-sodium bisulfate and its optimal dosage is 10-5gram,cross-linkers hydroxyl-ethyl acrylate and its optimal dosage is 10-4gram magnitude,the synthesis of liquid colloid plug possess good intensity and without brittleness,and meet the requirement of construction progress.

liquid rubber plug；sieve tubes well completion；packing material；polymer

TE358.3

A

1673-5285（2017）10-0024-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.006

2017－08-30

李欣，男（1989-），工程師，碩士研究生在讀，從事井下作業技術研究及項目管理工作，郵箱：674464937@qq.com。