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溶洞堵漏用遇水增稠承托液的室内研究

文档作者：程智1 仇盛南2 刘艳1 曹靖瑜1 任路1 李秀妹1 杨冀平1 于铭3 (1．渤海钻探工程技术研究院，天津30045 1；2．华北油田公司第一采油厂，河北任丘062552； 3．渤海钻探工程第二录井分公司，文档来源： 1．渤海钻探工程技术研究院 2．华北油田公司第一采油厂，河北任丘062552； 3．渤海钻探工程第二录井分公司，		点击数：	更新时间： 2024年02月26日
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第33卷第5期
2016年9月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID＆COMPLETION FLUID
、，01．33 No．5
Sept．2016
doi：10．3696／j．issn．1001-5620．2016．05．015
溶洞堵漏用遇水增稠承托液的室内研究
程智1， 仇盛南2， 刘艳1， 曹靖瑜1， 任路1， 李秀妹1， 杨冀平1， 于铭3
(1．渤海钻探工程技术研究院，天津30045 1；2．华北油田公司第一采油厂，河北任丘062552；
3．渤海钻探工程第二录井分公司，河北任丘62552)
程智等．溶洞堵漏用遇水增稠承托液的室内研究[J]．钻井液与完井液，2016，33(5)：72—75．
摘要处理大溶洞、大裂缝引起的失返性漏失，目前主要采用水泥浆进行堵漏。施工中，在注入水泥浆之前，需注入
起承托作用的高黏度承托液，保证水泥浆停留洞口，从而达到堵漏目的。目前常用的承托液主要以高黏度稠浆为主，极易
被地层水冲稀，无法起到承托目的。通过室内合成高分子聚合物YSZC．1，并将YSZC．1与油基液体复配，形成一种遇水增
稠型油基承托液，该承托液黏度可调，能满足现场施工要求。遇水增稠的特性从根本上避免了承托液被冲稀导致溶洞堵漏
失败的可能。该承托液与清水、水基钻井液混合后，表观黏度呈指数级上升，承托液与水基钻井液按照体积比1：l混合时，
混合后承托液黏度最大。体积比上升至1：9时承托液表观黏度仍然达到133 mPa·S，具有很强的抗稀释性，在150℃，老
化】6 h，表观黏度无明显下降。该承托液抗盐能力达到饱和，抗Ca2+能力在5％左右，具有很好的抗盐性，与水泥浆有较
好的相容性，不会造成水泥浆“闪凝”影响施工安全，能满足溶洞堵漏对承托液的各项要求，提高溶洞堵漏成功率。
关键词溶洞性漏失；堵漏；水泥浆；承托液；遇水增稠
中图分类号：TE282 文献标识码：A 文章编号：1001．5620(2016)05．0072．04
Study on Water Thickening Supporting Fluid for Controlling Mud Loss into Caves
CHENG Zhil，QIU Shengnan2，LIU Yanl，CAO Jingyul，REN Lul，LI Xiumeil，YANG Jipin91，YU Min91
(1．Research Institute ofEngineering,CNPCBohaiDrillingEngineering CompanyLimited,Dagang,l{anjin 300451；
2．The First Production Plant ofPe断oChina Huabei Oi圻eM Company，Renqiu，胁6ei 062552；
3．No．2 Mud Logging Company，BHDC,Renqiu，Hebei 062552)
Abstract When lost circulation is encountered during drilling into big caves or macro fractures。squeezing cement slurry is the
commonly used method to control the mud losses．When squeezing cement slurry,a highly thickened supporting fluid shall be spotted
into the loss zones to support the cement slurry,making sure that the cement slurry stays in place and sets at the mouth of the cave，
thereby stops mud losses．The supporting fluids commonly used presently are hi曲viscosity bentonite slurries which ale easy to be
diluted by water,and therefore cannot support the cement slurries．To formulate a suitable supporting fluid，a high molecular weight
polymer,YSZC．1，Was synthesized．An oil base supporting fluid，viscosified when in contact with water,Was formulated by mixing
YSZC一1 with oil．The viscosity ofthis supporting fluid is adjustable to satisfy the special needs offield operation．Since this supporting
fluid instantly becomes thickened as soon as it is in contact with water,it cannot be diluted with water,and the failure in controlling
mud losses into caves can thus be avoided．When in contact with water or water base drilling fluid，the apparent viscosity of this
supporting fluid increases exponentially,and to a maximum when the volume ratio ofthe supporting fluid and water base mud is 1：1．
An apparentviscosity ofl33 mPa·Swas obtainedbymixing onepart(volume)ofsupportingfluidwith 9part ofwaterbasedrilling
fluid，rendering the supporting fluid strong resistance to water dilution．When aging for 1 6 h at 1 50 oC，the apparent viscosity did not
decrease apparently．This supporting fluid is resistant to salt contamination to saturation．and to calcium contamination to about 5％．
It is compatible with cement slurry,and will not cause the cement slurry to‘‘flash set”．This supporting fluid satisfies the needs for
controlling mud losses into caves，and maximizes the possibility of successful mud loss control in caved formations．
Key words Mud losses into caves；Mud loss control；Cement slurry；Supporting fluid；Thickened with water
基金项目：中国石油集团公司项目“高温高密度钻井液与可排放海水基钻井液成套技术研发”(2013E．3802 o
第一作者简介：程智，工程师，1985年生，2010年毕业于西南石油大学应用化学专业并获得硕士学位，现就职于渤
海钻探工程院技术研究院。电话15613771925；E-mail：20746661@qq．com。
万方数据
第33卷第5期程智等：溶洞堵漏用遇水增稠承托液的室内研究73
处理失返性漏失，尤其是大溶洞、大裂缝引起
的失返性漏失，一般采用水泥浆进行堵漏【l巧】。在
堵漏施工中，水泥浆极易沿裂缝、溶洞流走，从而
导致堵漏失败。2007年赵福祥睁7】等提出溶洞堵漏
施工思路，即在溶洞顶部先后注人承托液与静胶凝
水泥浆，利用承托液的结构力保证水泥浆停留在洞
口，待水泥凝固后，施工完成。该技术在华北油田
任深2井、霸91井大溶洞(1．05～0．5 m)堵漏施
工中获得成功。但是随着勘探开发逐渐向复杂地层、
深部地层进展，地层温度越来越高，钻遇溶洞越来
越大，在重力与地层水稀释的不利条件下，单纯依
靠承托液自身的黏度和切力已无法起到承托水泥浆
的作用。在现有溶洞堵漏技术基础上，合成出一种
高分子聚合物YSZC．1，将其与油基液体复配，形
成一种遇水增稠型油基承托液，该承托液与常规承
托液相比具有遇水增稠、抗稀释能力和抗盐能力强
等优点。
1 实验部分
1)遇水增稠型材料的合成。将丙烯酰胺、2一丙
烯酰胺．2．甲基丙磺酸、丙烯酸溶于100 mL清水中，
调节pH值为8～9，配制成水溶液A，将0．5 g
K2S：O。溶于20 mL清水中配成水溶液B。在四VI烧
瓶中加人200 mL油基液体，并加入溶液A，加入
乳化剂SP．80边搅拌边充氮气。水浴加热至80℃
后，缓慢滴加溶液B，继续通氮气搅拌3 h后，停
止反应使其冷却到室温，得到白色黏稠状液体，即
为YSZC一1。
2)红外光谱分析。将产物用乙醇溶液分离，提
纯后进行红外光谱分析，如图1所示。由图1可以看
出，酰胺基团吸收峰位出现在3 426．16、1 659 cm～，
1 038．77 cm-1处为C卜OH吸收峰位，1 450～1 200
cm。1处为烷基吸收峰位。
2 YSZC．1作用机理与室内评价
2．1作用机理
YSZC．1是一种亲水型链状高分子化合物，在
油包水液体中由于分子链无法完全伸展，直观表现
为产品在油基液体中黏度低，现场施工中具有可泵
送、流变性好等优点。该产品与水基液体混合时，
随着水基液体混入量的增加，亲水型高分子化合物
分子链充分伸展，分子链之间形成网状结构，直观
表现为混合后液体黏度、切力呈指数级上升，可以
满足大溶洞大裂缝堵漏时承托水泥浆的要求。
2．2 YSZC一1与有机溶剂相溶性实验
取一定量YSZC一1，分别以柴油、白油为有机
溶剂，测试在不同加量下，产物与有机溶剂相容性
与表观黏度的变化，结果见表1。由表1可以看出，
YSZC．1与柴油相容性不佳，在柴油中加量在30％
以上时，有白色不溶物析出；YSZC．1与白油相容
性良好，YSZC一1有效含量在10％左右时，产品流
动性好，随着YSZC．1有效含量增加，承托液流动
性越差，加量在50％左右时，承托液表观黏度超
过150 mPa·S，超出六速旋转黏度计量程。
表1 YSZC．1与有机溶剂相容性实验
注：温度为25℃，柴油为04，白油为1矿。
2．3不同YSZC．1浓度下承托液与清水复配实验
为避免承托液遇水增稠难以控制、保证承托液
遇水增稠后的切力可调。在白油中加入不同体积分
数的YSZC．1，配制成不同浓度的承托液。再将配
制好的承托液与清水混合，测混合后承托液的表观
黏度，结果见图2。由于混合后液体黏度过高，表
观黏度超出六速旋转黏度计测量范围，必须选用量
程更大的NDJ．1型黏度计，2号转子，在转速100
r／min下进行测量。由图2可知，承托液中YSZC—l
含量越高，与相同比例清水混合后形成的黏度越高，
万方数据
74 钻井液与完井液2016年9月
随着清水含量增加，承托液黏度出现下降的拐点
越迟，当清水与承托液体积比为9：l、YSZC．1含量
为10％时，混合后液体黏度仍然高达133 mPa·S。
承托液中YSZC．1有效含量
清水与承托液体积比慌
图2不同浓度承托液与清水复配实验
2．4承托液与水基钻井液相容性实验
承托液与地层水、钻井液等水基液体接触，接
触后有不同程度增稠现象，增稠后液相黏度和切力
的大小，是关系到水泥能否停留在洞口的关键，黏
度和切力越高，堵漏成功率越高。将YSZC．1与白
油按体积比l：4搅拌均匀，得N*L白色液体即为
所评价的承托液。将不同常规钻井液加人承托液中，
测试承托液与常规钻井液混合后的相容性与表观黏
度，实验结果见图3。由图3可知，随着承托液与
清水或水基钻井液混合比例的增加，承托液黏度呈
指数级增长，承托液混入量在100％左右时，承托
液黏度达到峰值，随着水基钻井液的混人量上升，
承托液黏度缓慢下降，水基钻井液混入量在800％
时，承托液表观黏度仍然达到100 mPa·S左右。
450
400
350
300
250
200
150
100
液体混入量体积比慌
图3承托液与水基液体相容性实验
2．5承托液高温稳定性评价
在高温条件下，承托液一旦丧失黏度和切力，
便无法起到承托水泥浆的作用，导致堵漏失败。将
YSZC．1与白油按照体积比l：4的比例搅拌均匀，
即为评价用承托液。将氯化钾聚磺钻井液与承托
液按照体积比2：1混合，测试其在60、90、120、
150、200℃下表观黏度的变化，结果见图4。由图
4可知，承托液与200％氯化钾聚磺钻井液混合后，
混合液体的表观黏度高达326 mPa·S。在60、90、
120℃老化72 h混合液体表观黏度下降小于50％。
老化温度为200℃时，承托液黏度下降，小于50
mPa·S，表明YSZC．1抗温能力为150℃。
老化时1日]／11
幽4承托液抗温性实验
2．6承托液抗盐性能评价
将YSZC．1与白油按照体积比1：4搅拌均匀，
即为评价用承托液。将不同种类，不同浓度的盐水
与承托液按照体积比2：1的比例混合，测混合后
承托液的表观黏度，结果见图5。由图5可知，承
托液与盐水混合后，随盐水浓度的增加，承托液黏
度逐渐下降，与饱和NaCI、KCI溶液混合后，表
观黏度下降缓慢。但是与CaCI，盐水溶液混合，当
CaCl：浓度大于50 g／L时，混合后承托液的表观黏
度下降至143 mPa·S；CaCl2浓度大于100 g／L时，
承托液表观黏度降至100 mPa·S以下，说明承托
液抗钙离子能力不大于50 g／L。
盐水浓度／(g／L)
图5承托液抗盐性实验
由图6可以看出，CaCI：溶液出现絮状析出物，
且黏度、切力明显低于KCl和NaCI溶液。
0
0
O
O
O
O
0
O
弘如筋加H
m，
0
O
O
O
0
O
0
0
加∞如∞如加m
万方数据
第33卷第5期程智等：溶洞堵漏用遇水增稠承托液的室内研究75
CaCl2 KCI NaCI
图6浓度为100班盐溶液与承托液2：l混合后的状态
2．7承托液与水泥浆相容性评价
水泥浆溶洞堵漏施工过程中，承托液除了与地
层水、钻井液接触以外，也会与水泥浆直接接触，
为保证施工质量，避免“插旗杆”等复杂情况的出现，
有必要对承托液与水泥浆流变性、稠化时间、强度
等性能进行评价，结果见表2。由表2可知，随着
承托液混人量增加，水泥浆稠化时间呈先降低后升
高现象，将70％水泥浆与30％承托液混合后，水
泥浆稠化时间缩短为53 min，但不会造成水泥浆
“闪凝”而影响施工安全，且混浆的常温与高温流
动性能都具有可泵送的特点，满足现场施工要求。
表2承托液与水泥浆相容性评价
注：实验条件为100℃、40 MPa；水泥浆配方为800 g
水泥+352 g清水+o．5％分散剂+0．2％缓凝剂+1．3％降失水剂。
3 结论
1．通过合理的分子设计，采用反相乳液聚合的
方式合成了YSZC．1，该产品与白油相容性好，配
制的油基承托液黏度可调，能满足现场施工需要。
2．承托液与水基钻井液按照体积比1：l混合
时，混合后的承托液黏度最大，混入清水体积比提
高至1：9时承托液表观黏度仍然达到133 mPa·S
左右，具有很强的抗稀释性。
3．承托液在150 oC老化72 h，表观黏度无明显
下降。承托液抗盐达到饱和，抗Ca2+能力为50 g／L。
4．承托液与水泥浆相容性良好，充分混合后不
会出现水泥浆闪凝现象，混浆的常温与高温流动性
能都具有可泵送的特点，能满足现场施工的要求。
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(收稿日期2016．5．8；HGF=1605NI；编辑：F／J,娜)

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