鉆井吸水堵漏體系ZJL的研制及影響因素分析

韓博宇，鄭繼龍

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽 473000；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；3.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

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鉆井吸水堵漏體系ZJL的研制及影響因素分析

韓博宇1，鄭繼龍2,3

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南南陽 473000；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；3.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

采用水溶液聚合法，以丙烯酸、淀粉等為原料，合成制備鉆井吸水堵漏劑ZJL，并根據正交試驗結果，確定了最佳合成條件。以吸水率為評價指標篩選的堵漏劑體系為：65 ℃下，4.00 g土豆淀粉+中和度75%+0.075 gN,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(交聯劑)+0.045 g過硫酸鉀(引發劑)+ 3.00 g鈉基蒙脫土，體系的吸水倍率為268.44 g/g，吸鹽率為53.62 g/g；以吸鹽率為評價指標篩選出的堵漏劑體系為： 60 ℃下， 3.50 g土豆淀粉+中和度75%+0.065 gN,N′-亞甲基雙丙烯酰胺+0.050 g過硫酸鉀+ 3.00 g鈉基蒙脫土，體系的吸水倍率為254.81 g/g，吸鹽率為97.36 g/g。

高吸水樹脂 鈉基蒙脫土 堵漏劑 吸水性能

隨著油氣田開發的不斷深入，鉆遇的儲層愈加復雜。井漏是鉆井過程中最常見的井內情況，是誘發卡鉆、井壁失穩、井噴等事故的主要原因之一[1]。井漏不僅影響鉆井的工程進度和鉆井液的損失，同時對儲層的傷害也是難以估算的[2]。常規堵漏劑由于吸水和保水性差，堵漏效果不佳[3]。含強親水性基團的高吸水性樹脂與水作用后能膨脹，且具有獨特的吸水和保水性能[4]。在漏失井中加入高吸水樹脂堵漏劑對阻止鉆井液的繼續漏失效果明顯。因此，本研究采用水溶液聚合法，研制一種鉆井吸水堵漏劑ZJL，并根據正交試驗研究其影響因素。

1 實驗

1.1 原料

丙烯酸，東莞市喬科化學有限公司；過硫酸鉀，過硫酸銨，上海之臻化工有限公司；N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺，杭州富強化工儀器有限公司；氫氧化鈉，天津市津東天正精細化學試劑廠；氯化鈉，上海高成工貿有限公司。以上均為分析純。土豆淀粉，玉米淀粉，紅薯淀粉，鈉基蒙脫土等。

1.2 儀器

電子天平BSA223S-CW，德國賽多利斯；電熱鼓風干燥箱 WGL-45(B)型，天津泰斯特儀器有限公司；TC-502P恒溫水浴，-20～200 ℃, 美國Brookfield博力飛；JJ-6型六連電動攪拌器，轉速0～3 000 r/min，深圳市鼎鑫宜實驗設備有限公司。

1.3 吸水堵漏體系ZJL的制備

在冰水浴條件下一邊緩慢攪拌一定量的丙烯酸，一邊緩慢滴加質量濃度為30%NaOH溶液至中和度70%，冷卻至室溫。再加蒸餾水至丙烯酸質量濃度為50%。將所得溶液加入裝有溫度計、JJ-6型六連電動攪拌器、氮氣瓶和回流冷凝管的四口燒瓶中。往四口燒瓶中加定量的玉米淀粉和蒸餾水，升溫至70 ℃，恒溫0.5 h，降至室溫，再加定量過硫酸鉀、交聯劑和鈉基蒙脫土，在氮氣的保護下，緩慢升溫至合成溫度。當體系攪拌困難時，停止攪拌，靜置2 h。

1.4 堵漏劑體系性能測定方法

吸水型堵漏劑體系性能為：吸液能力、保液性能、黏度、強度、穩定性、安全性[5]。因此，要求堵漏劑必須具有較好的吸液能力，合適的黏度，強度高，穩定性好，安全性強[6]。吸液能力指堵漏劑體系在溶液中吸水膨脹而使水失去流動性的能力[7]。其用吸收倍率評價，吸收倍率是1 g堵漏劑體系吸收液體的量。實驗過程中，主要對吸水堵漏劑體系的吸水倍率和吸鹽倍率進行測定。

稱取1 g經電熱鼓風干燥箱烘干的堵漏劑(m1)放入燒杯中，分別加入去離子水和質量分數為0.9%的鹽水200 mL，吸收完全后，用200目篩網過濾，再稱取質量(m2)，計算吸液率Q：

Q=(m2-m1)/m2

式中，m1為干燥后吸堵漏劑體系質量，g；m2為吸收后堵漏劑體系質量，g。

2 結果與討論

2.1 堵漏劑體系合成溫度的篩選

丙烯酸加量14.00 g，NaOH加量8.00 g，玉米淀粉加量4.00 g，交聯劑加量0.065 g，過硫酸鉀引發劑加量0.05 g，鈉基蒙脫土加量1.00 g，制備堵漏劑體系ZJL，在氮氣保護下，分別將合成溫度緩慢升至一定溫度，當體系攪拌困難時，停止攪拌，靜置2 h。結果見表1。

表1 合成溫度的篩選

從表1看出，合成溫度為40，50 ℃時，沒有生成堵漏劑體系。在合成溫度為60 ℃下，實驗形成堵漏劑，經測定吸水倍率為158.0 g/g，吸鹽倍率為42.0 g/g。

2.2 淀粉種類篩選

在吸水堵漏劑體系合成實驗中，淀粉種類及加量對整個合成過程影響甚大。因此，在堵漏劑體系合成溫度實驗研究的基礎上，固定其他條件，合成溫度為60 ℃，分別選用玉米淀粉、土豆淀粉和紅薯淀粉進行淀粉種類的篩選，結果見表2。

表2 淀粉種類及加量的篩選

從表2可知，玉米淀粉、紅薯淀粉和土豆淀粉加量均為4.00 g時，吸水和吸鹽效果均較好。其中土豆淀粉加量為4.00 g時，堵漏劑體系的吸水和吸鹽倍率分別為232.46，58.54 g/g，且為最大。因此，在吸水堵漏劑體系合成實驗中選擇土豆淀粉，加量為4.00 g。

2.3 引發劑種類的選擇

引發劑指一類易受熱分解成自由基的化合物，可用于引發烯類、雙烯類單體的自由基聚合和共聚反應[8]。固定其他條件，土豆淀粉加量為4.00 g，合成溫度為65 ℃，采用過硫酸銨和過硫酸鉀進行引發劑篩選，引發劑加量為0.05 g，結果見表3。

表3 引發劑種類的篩選

由表3可知，采用過硫酸鉀引發劑，堵漏劑體系吸水和吸鹽倍率分別為232.46，58.54 g/g，且吸液效果遠優于過硫酸銨，因此，在吸水樹脂堵漏劑合成實驗中引發劑選用過硫酸鉀。

2.4 中和度的篩選

中和度是指中和反應進行的程度，通常以兩種產物的物質的量之比表征[9]。吸水堵漏劑體系的親水基團是其吸水能力的主要動力，親水基團數目直接影響其吸水倍率。

在聚合反應過程中，丙烯酸中和度是影響吸水堵漏劑體系親水基團數目的主要因素，為了提高吸水堵漏劑體系的吸液能力，應先采用質量濃度為30%的NaOH溶液與丙烯酸進行中和反應。固定其他條件，改變NaOH加量，分別調節中和度為60%，70%，80%，考察吸水堵漏劑體系的吸液能力，選用過硫酸鉀作為引發劑，結果如表4所示。

表4 中和度的篩選

由表4可知，當NaOH加量為8.00 g時，堵漏劑體系的吸水和吸鹽倍率分別為232.46，58.54 g/g，且吸液效果遠優于其他加量的。因此， NaOH加量選用8.00 g。

2.5 吸水堵漏劑體系的最佳合成及性能評價

綜合比較上述單因素對堵漏劑體系性能的影響程度，實驗確定淀粉加量(A)、中和度(B)、交聯劑加量(C)、引發劑加量(D)、鈉基蒙脫土加量(E)和反應溫度(F)6個因素，設計6因素3水平正交試驗，結果見表5。

表5 正交試驗設計及結果分析

由表5可知，分別以吸水倍率和吸鹽倍率為指標，各因素對吸水倍率影響的大小順序為B>D>E>A>F>C，堵漏劑ZJL最佳合成條件為A2B3C1D1E3F2；對吸鹽倍率影響的大小順序為D>E>B>F>A>C，堵漏劑ZJL最佳合成條件為A1B3C3D2E3F1。以上2組最佳合成條件實驗結果見表6。

表6 最佳合成條件試驗結果

由表6可知，最佳合成條件A2B3C1D1E3F2吸水倍率為268.44 g/g，比正交試驗中最高的232.46 g/g提高了35.98 g/g，吸鹽倍率為53.62 g/g，較正交試驗中最高的58.54 g/g低；最佳合成條件A1B3C3D2E3F1的吸水倍率為254.81 g/g，吸鹽倍率為97.36 g/g。因此，綜合考慮，選擇最佳合成條件A1B3C3D2E3F1制備吸水堵漏劑體系ZJL。

3 結論

1)通過對吸水堵漏劑體系的影響因素分析，根據正交試驗結果，以吸水倍率和吸鹽倍率為評價指標，確定了體系的兩種最佳合成條件A2B3C1D1E3F2和A1B3C3D2E3F1。

2)綜合考慮，選擇最佳合成條件A1B3C3D2E3F1制備吸水堵漏劑體系ZJL，即反應溫度60 ℃， 3.50 g土豆淀粉+中和度75%+0.065 gN，N′-亞甲基雙丙烯酰胺+0.050 g過硫酸鉀+ 3.00 g蒙脫土，在此條件下，吸水堵漏體系ZJL的吸水倍率為254.81 g/g，吸鹽倍率為97.36 g/g。

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Development of Drilling Absorbing and Sealing Agent System ZJL and Analysis on Its Affecting Factors

Han Boyu1，Zheng Jilong2,3

(1.ResearchInstituteofPetroleumEngineeringandTechnologyofSinopecHenanOilfieldCompany,Nanyang,Henan450000; 2.EngineeringandTechnologyCompanyofCnoocEnergyDevelopmentCo.Ltd.,Tianjin300452; 3.PetroleumEngineeringInstituteofChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249)

Drilling absorbing and sealing agent system ZJL was synthesized with acrylic acid and starch, etc. as the materials in an aqueous solution polymerization process, and the optimum synthesis conditions were identified based on the results of orthogonal test. The formulation of the sealing agent system screened out according to water absorption index is as follows: 4.00 g potato starch + 75% neutralization degree + 0.075 gN,N′-methylene-bisacrylamide (crosslinker) +0.045 g potassium peroxodisulfate (initiator) + 3.00 g Na-montmorillonite at the synthesis temperature of 65 ℃, the water absorbency and the salt absorption of this system are 268.44 g/g and 53.62 g/g respectively. The formulation of the sealing agent system screened out according to salt absorption index is as follows: 3.50 g potato starch + 75% neutralization degree +0.065 gN,N′-methylene-bisacrylamide + 0.050 g potassium peroxodisulfate +3.00 g Na-montmorillonite at the synthesis temperature of 60 ℃, the water absorbency and the salt absorption of this system are 254.81 g/g and 97.36 g/g respectively.

superabsorbent resin; Na-montmorillonite; sealing agent; water absorbency

2014-11-30。

韓博宇，助理工程師，本科，主要從事鉆完井工藝及采油工藝研究工作。