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油基钻井液凝胶堵漏技术实验探讨

文档作者：王灿1，孙晓杰2，邱正松2，刘均一2，黄达全1，张现斌1，暴丹2 ( 文档来源： 1．渤海钻探泥浆技术服务公司 2．中国石油火学(华东)石油工程学院		点击数：	更新时间： 2024年02月26日
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第33卷第6期
2016年11月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUlD
、，01．33 No．6
Nov．2016
doi：lO．369鲫．issn．10叭一5620．2016．06．007
油基钻井液凝胶堵漏技术实验探讨
王灿1， 孙晓杰2， 邱正松2， 刘均一2， 黄达全1， 张现斌1， 暴丹2
(1．渤海钻探泥浆技术服务公司，天滓滨海新区30{)280；2．中国石油火学(华东)石油工程学院，山东青岛266580)
垂越簿．霸墓黎彝域磺麟堵嚣羲零襄豁源讨l魏．诂势系每宠势凌，2{i16，3写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酽，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够Pe打硷l既m．Qtng如o．sh珏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订ol
oil base mud 10ss．In selecting additives for gel LcM，a gelliIlg agent NJZ was found to have good solubil时in diesel oil毪nd had
good gelIing capac咄NJZ reacted very well wilh a crosslinking agem几Jto fornl high qual时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却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
在深层超深层、非常规、海洋深水等复杂油
气藏的钻探过程中，油基钻井液具有抑制性强、抗
温能力高、润滑性能好、抗污染能力高等优点阻21。
但油基钻井液的漏失问题较突出，具有易漏失、难
处理等特点，限制了其规模化推广应用Ⅲ。目前国
内外尚未形成油基钻井液高效防漏堵漏材料与技术
规范，目．水基钻井液防漏堵漏材料无法稳定悬浮，
而是分散在油基钻井液中，造成现场堵漏作业成功
基金项目：国家自然科学基金项目“海洋深水浅层井壁稳定与水合物抑制的机理和新方法”(51474236)；石油化工联
合基金“高温高密度高矿化度钻井液流变性的调控机理及新方法”(u1562101)；中石油渤海钻探工程公司技术开发项目“油
基钻井液防漏堵漏及页岩气井壁稳定技术研究”(BHz■NJFGS一2014一JS．77)。
第一作者简介：王灿，1971年生，高级工程师，博士，主要从事钻井工程新技术研究、推广应用和技术管理等工作。
电话(022)25922201；E锄ail：wangcan@cnpc．com．cn。
万方数据
第33卷第6期王灿等：油基钻井液凝胶堵漏技术实验探讨
率较低H_6】。尤其在遇到严重漏失时，常用来封堵
严重漏失的水泥浆，其性能受油基钻井液影响较大，
在封堵漏层时很难取得良好的封堵效果，还可能出
现重复性漏失、井壁坍塌等钻井复杂情况，往往造
成较大的经济损失p】。凶此，厥需研发一种新型堵
漏材料．以解决使用油基钻井液钻井时所遇到的严
重漏失问题。在优选油基钻井液凝胶堵漏体系(以
下简称油基凝胶)用凝胶剂NJZ、交联剂JLJ、乳
化剂EHJ等关键处理剂的前提下，利用正交实验
优化了油基凝胶体系，分析了温度、pH值、剪切
作用等因素对油基凝胶成胶性能的影响规律；实验
初步探讨了油基凝胶体系的堵漏效果及应用工艺。
l 实验部分
kl 油基凝胶戍胶液的螽己制
根据实验配方设计，配制不同浓度的以胶凝剂
为主剂的油相成胶液A，再配制相应浓度的以交联
剂为主剂的水相成胶液B，将2种成胶液相互混合，
放髓到搅拌器中搅拌成胶，直至凝胶流动状态达到
稳定为止，测定油基凝胶黏度来考察油基凝胶的成
胶状况。具体步骤如下：①成胶液A配制：利用
量筒量取一定量柴油倒入烧杯中，根据设计好的胶
凝剂浓度，加入对应用量的胶凝剂，利用JJ一1型
搅拌器搅拌5～10 min，待胶凝剂全部溶解后，加
入对应用量的乳化剂溶液，搅拌5 min至充分溶解
均匀；②成胶液B配制：按照设计好的油水比的
比例，量取相应体积的自来水倒入另一烧杯中，根
据设计好的交联剂浓度，加入对应用量的交联剂，
搅拌至固体粉末完全溶解；③将成胶渡B缓慢倒
人成胶液A中，使用JJ．1型搅拌器搅拌至凝胶状
态不再发生变化为止。
1．2油罄凝胶强度评价
表观黏度作为油基凝胶强度的表征参数【引，操
作简单易行，同时又能反映各组分的变化对凝胶强
度的影响程度。利用Br()o炳eld DVH黏度计在窒
温(30℃)下测定不同配方体系的油基凝胶黏度，
筛选组成油基凝胶的各组分，并优选最佳配方。
2 油基凝胶体系的单剂优选
2．1胶凝剂
取少量不同类嚣!胶凝剂分别加入柴油中，用玻
璃棒搅拌使其溶解，其中胶凝剂NJA．9和胶凝剂
YGz溶解性较差。进一步加入4．0％的交联剂儿J
和AlCl，·6H，O水溶液进行成胶性实验，实验结果
见表l。由此可知，胶凝剂NJz能够在柴油中具有
良好的溶解性，且成胶性能较好，因此优选胶凝剂
NJz进行后续油基凝胶配方优化。
表l不同胶凝剂在柴油中溶解性与成胶情况
2．2交联剂
在胶凝剂优选基础上，进一步评价了不同交
联剂与胶凝剂NJz的成胶效果，结果见表2。由表
2可知，胶凝剂NJz与交联剂儿J成胶效果最好，
而其与交联剂A1c13·6H20、Alcl3·6H20和Na0H
复配的成胶效果较差，无法满足要求。因此优选交
联剂几J进行后续油基凝胶配方优化。
表2胶凝剂与不同交联剂成胶情况
交联剂油水比NJz浓度，％成胶情况
2．3乳化剂
为了改善交联剂儿J在柴油中的溶解性与成胶
效果，考察了不同乳化剂对成胶效果的影响实验．
结果见表3。
表3不同乳化剂对油基凝胶成胶效果的影响
由表3可知，当凝胶剂NJz浓度为10．0％、交
联剂儿J浓度为4．0％时，使用乳化剂EHJ的交联
万方数据
42 钻井液与完井液2016年11月
效果最好，凝胶强度最高。因此，
进行后续油基凝胶配方优化。
2．4油燎凝胶组成优选
优选乳化剂EHJ 性能的影响。
利用正交没计实验，采用极差分析法，优选油
基凝胶组成，结果见表4。由表4可知，胶凝剂浓
度对油基凝胶影响程度最高，其最佳浓度为14％；
其次是乳化剂，其最佳浓度为1％；交联剂最佳浓
度为2％；最佳油水比为40％(含水量)。
表4油基凝胶组成的正交直观分析表
3 油基凝胶成胶性能影响因素分析
在保汪油基凝胶体系性能的前提下，综合考虑
油基凝胶体系组成优选结果与油基凝胶成本因素，
得到了3组油基凝胶体系的最优评价配方，如表5
所示；以此作为基础，进一步探讨了反应时间、温
度、pH值、剪切作用等因素对油基凝胶体系成胶
表5油基凝胶体系优选配方
3．1温度及反应时问的影响
油基凝胶在现场应用中，需要通过双液法注入
方式进行堵漏施：I：作业，即2种成胶液在井筒中混
合成胶后，再进入漏失地层实施堵漏【9l。实验中将
胶凝剂NJz溶液(A液)和交联剂JLJ溶液(B液)
分别放在30、50、70和90℃水浴中加热30 min，
再将A液和B液混合均匀搅拌5～lO min，利用
Broo如eld DV_lI毅黏度计，每隔5 mm测试交联反
应体系黏度，直至黏度不再变化，不同油基凝胶配
方的黏度随温度和时间的变化结果见表6。
表6不同油基凝胶配方的黏度随温度和反应时间的变化
由表6可知。温度对油基凝胶成胶黏度及成胶
时间的影响不明显。虽然加热会促进JLJ的水解，
生成氢氧化钠和氢氧化铝，但氢氧化铝是难溶固体，
同时又是两性氢氧化物，在碱性条件下发生异构反
应生成铝酸，铝酸可进一步分解为偏铝酸和水，偏
铝酸和氢氧化钠发生中和反应，会生成儿J和水。
因此加热对B液无影响。另外，温度升高对胶凝
剂在柴油中的溶解起促进作用，但对成胶行为的影
万方数据
第33卷第6期王灿等：油基钻井液凝胶堵漏技术实验探讨43
响不大。总之，温度对成胶黏度的影响不明显。
3．2 pH值的影响
3．2．1 交联比对体系pH值和凝胶黏度的影响
在一定量的水中分别加入不同量的胶凝剂(100
g／L和120∥L)掳i拌5 min，髯加入相应的交联剂(40
∥L和50 g／L)，按照5：2的油水比加入一定量的水，
再搅拌5 miIl。利用PHs一3C型酸度计，测定不
同交联比的交联反应体系pH值。利用Broo娅eld
DV_II型黏度计测定不同交联比的凝胶体系的黏度，
结果见表7。由表7可知，随着交联比的增加，交
联体系的pH值增加，凝胶体系的黏度降低。导致
凝胶体系黏度降低的主要原因：一是随着交联比的
增大，在混合液中胶凝剂的浓度降低，导致形成的
凝胶结构减少；二是体系pH值的增大，抑制了凝
胶结构的形成。
表7胶凝剂和交联剂的浓度对凝胶体系黏度的影响
3。2．2 pH值对油基凝胶黏度的影响
在柴油中分别加入不同量的胶凝剂和H：SO。
搅拌5 miIl，再将不同量的交联剂加人到油水比为
5：2的体系中，再搅拌5 min，制得不同交联比的
油基凝胶。利用Brool【field Dv-Il型黏度计，测定
H：SO。不同加量的交联体系黏度，结果见表8。
综合分析可知，随着硫酸加量增多，不同配方
的油基凝胶体系黏度先升高再降低。根据油基凝胶
交联反应机理可知，当交联体系pH值增加，胶凝
剂用量相同时，体系中H+浓度降低与OH一离子浓
度增加，促进生成A1(OH)、沉淀，降低体系的
A13+浓度；当酸过量时，已经形成的凝胶结构会遭
到破坏，导致凝胶黏度又下降。
3．3剪切作用的影响
利用JJ．1搅拌器对油基凝胶体系的待成胶液
进行剪切，分析不同剪切时间对成胶情况的影响。
在30℃下将A液和B液混合，高速剪切搅拌，模
拟井筒剪切和输送对问，在240 r／min的转速下分
别剪切0．5、1、2、3和4 h，测定油基凝胶黏度随
剪切时间的变化规律，结果见图1。油基凝胶停止
剪切后黏度随时间的变化关系见图2。
表8不同pH值下油基凝胶的黏度
胶凝剂／％交联剂／％交联比H2sO加也pH黏度／Pa·s
椭
图l油基凝胶成胶黏度随剪切时间的变化
∥mln
图2油基凝胶黏度随静置时问的变化
由图1可知，当剪切速率为240 r／嘶n时，油
基凝胶可在30 min内成胶，成胶后黏度基本保持
稳定；在剪切作用过程中形成的凝胶最终黏度低于
静置情况下的凝胶黏度。凝胶进入漏层后流速不断
降低，最终静止形成具有足够强度的封堵带可有效
封堵漏失。由图2可知，在剪切过程中形成的油基
万方数据
钻井液与完井液2016年11月
凝胶，在进入漏层流速减慢逐渐停滞之后，在20
min左右黏度稳定并达到最终黏度，油基凝胶具有
剪切稀释特性。
4 油基凝胶堵漏室内实验评价
油基凝胶的承压畿力是决定凝胶在裂缝性和
破碎性漏层内封堵效果的重要因素，加压时出【___I处
排_}十}第1滴凝胶时的突破压力称为承压能力，一般
可采用承压能力评价油基凝胶的封堵能力。采用粒
径大约为5 mm石英砾石填制填砂管(规格西2．5
cm×20 cm)来模拟大孔道漏失层段，图3为砾石
充填岩心堵漏实验原理示意图。在实验过程中，通
过调节A液和B液的注人速度，控制A液和B液
的比例为5：2，直到填砂管出液口流出浓稠的初
交联凝胶为止。取下填砂管，放人滚子炉中在120
℃下加热16 h后，采用模拟地层水驱替填砂管，
记录驱出第1滴流体时压力表的读数，即油基凝胶
的承压能力。实验结果表明，油基凝胶体系的承压
能力为O．2l MPa，即承压能力梯度为1．05 MPa／m。
在相同条件下，使用浓度为1．2％的水基特种凝胶
进行封堵实验，承压能力梯度仅为O．015 MPa／m，
说明新研制的油基凝胶承压能力明显高于水基特种
凝胶的封堵承压能力。
j堕口
仃充填填砂l
网3砾石充填岩心堵漏实验原理示意网
5 结论与认识
】．针对油基钻井液的严重漏失情况，在油基胶
凝剂、交联剂、乳化剂等研选的基础上，提出并试
制出堵漏用油基凝胶体系配方。
2．实验分析了温度、pH值和剪切作用对堵漏
汕基凝胶成胶性能的影响规律。
3．填砂管室内实验评价表明，采用双液注入方
法，结合多次挤注工艺，相对水基凝胶堵漏体系，
新研制的油基凝胶具有更强的堵漏作用效果，日．具
有良好的抗温性，120℃下仍具有较高的凝胶强度。
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