固井水泥石微裂缝遇水自封堵关键技术-中国石油大学(华东)

1、1固井水泥石微裂缝遇固井水泥石微裂缝遇水水自封堵关键技术自封堵关键技术 作者： 步玉环 单位： 中国石油大学（华东） 时间：2016.10.202汇报题纲汇报题纲前 言关键技术一 适用于油井水泥的吸水树脂微球开发关键技术二 微裂缝遇水自封堵材料开发关键技术三 封堵材料应用技术水泥石微裂缝遇水自封堵评价结 论3水泥石收缩破坏水泥石收缩破坏水泥石脆性破坏水泥石脆性破坏水泥环封隔失效主要水泥环封隔失效主要表现形式之一为表现形式之一为：水泥环本体出现微水泥环本体出现微裂缝裂缝裂缝的自修复裂缝的自修复是是解决水泥石裂缝解决水泥石裂缝问题的有力措施问题的有力措施 每年每年出版的文献数出版的文献数 每年每年

2、的引文数的引文数以自修复水泥为关键词的检索结果4水泥石微裂缝遇油自水泥石微裂缝遇油自封堵技术已经成熟。封堵技术已经成熟。但但不能有效解决水窜不能有效解决水窜。吸油膨胀材料吸水膨胀材料水泥石微裂缝水泥石微裂缝遇水自封堵技遇水自封堵技术术没有实现没有实现吸水吸水树脂大量消耗树脂大量消耗水泥浆水泥浆中中的的水分水分吸水吸水树脂在水泥中树脂在水泥中的加量低的加量低5（1）适用于油井水泥的吸水）适用于油井水泥的吸水树脂树脂 微球开发技术微球开发技术（2）微裂缝自封堵材料开发技术）微裂缝自封堵材料开发技术（3）封堵材料应用技术）封堵材料应用技术（4）微）微裂缝遇水裂缝遇水自封堵自封堵评价评价6合成树脂类型

3、合成树脂类型树脂性能树脂性能聚丙烯酸类抗盐性能差，强度低聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺类类抗盐性能优越抗盐性能优越，耐碱性差，强度低，耐碱性差，强度低合成吸水树脂现状：合成吸水树脂现状：耐碱抗盐高强吸水树脂：耐碱抗盐高强吸水树脂：单体单体抑制水解的单体抑制水解的单体交联剂交联剂引发剂引发剂增强剂增强剂丙烯酰胺 N，N-二甲基丙烯酰胺单体N，N-亚甲基双丙烯酰胺 过硫酸钾+亚硫酸氢钠膨润土1 树脂的开发树脂的开发72 微球的制备微球的制备反相悬浮聚合定义：反相悬浮聚合定义：在分散剂的作用下，采用机械搅拌或超声波分散的方式，将水相溶液分散于油相介质中，然后引发水相溶液聚合制备吸水微球方法。双双分散反相分散反

4、相悬浮聚合定义：悬浮聚合定义：首先采用机械搅拌的方式进行第一次分散，然后采用自然沉降自然沉降的方式进行第二次分散，依靠搅拌速度及水相油相体积比确定微球粒径，不需要加入分散剂或悬浮稳定剂即可有效避免液滴融合或微球粘连，从工艺和设备上解决了反应从工艺和设备上解决了反应体系不稳定体系不稳定的制备吸水微球方法。8微球制备装置结构：微球制备装置结构：(1)(1) 釜体高度大于釜体高度大于2 m2 m，为微球，为微球提供充足的沉降距离，保证反应时间提供充足的沉降距离，保证反应时间。(2)(2)釜釜体材质为聚乙烯或聚四氟乙烯等体材质为聚乙烯或聚四氟乙烯等非极性非极性材料材料，防止，防止亲水微球吸附釜壁亲水微

5、球吸附釜壁。专家评语：专家评语：发展了反相悬浮聚合制备吸水微球技术发展了反相悬浮聚合制备吸水微球技术91 树脂微球封堵水泥石微裂缝的适应性树脂微球封堵水泥石微裂缝的适应性研究研究对水泥石完整性影响对水泥石完整性影响吸水树脂吸油树脂10 与树脂接触的水泥石表面部分，当树脂吸水膨胀后受拉应力与树脂接触的水泥石表面部分，当树脂吸水膨胀后受拉应力 树脂树脂吸水膨胀后会破坏水泥石的完整性吸水膨胀后会破坏水泥石的完整性 水泥水泥石内部埋覆的吸水膨胀树脂，会使水泥石的石内部埋覆的吸水膨胀树脂，会使水泥石的完整性存在隐患完整性存在隐患1 树脂微球封堵水泥石微裂缝的适应性树脂微球封堵水泥石微裂缝的适应性研究研究

6、对水泥石完整性影响对水泥石完整性影响11树脂的吸水膨胀是把“双刃剑” 解决方法：低弹性模量厚壁包裹1 树脂微球封堵水泥石微裂缝的适应性树脂微球封堵水泥石微裂缝的适应性研究研究对水泥石完整性影响对水泥石完整性影响122 树脂树脂微球包裹微球包裹研究研究pH=13 and 75 70min壳聚糖二次包裹壳聚糖二次包裹石膏壳一次包裹石膏壳一次包裹石膏壳三次包裹石膏壳三次包裹131 水泥石微裂缝遇水自封堵微观机理水泥石微裂缝遇水自封堵微观机理关键问题：关键问题：（1 1）材料）材料在水泥浆在水泥浆中加中加量问题；（量问题；（2 2）最大封堵裂缝宽度）最大封堵裂缝宽度问题问题微观封堵模型微观封堵模型根据

7、体积守恒 可封堵的最大裂缝宽度 Hd d : :树脂微球树脂微球粒径粒径: :树脂微球吸水倍数树脂微球吸水倍数142 水泥石微裂缝遇水自封堵材料加量研究水泥石微裂缝遇水自封堵材料加量研究逾渗理论逾渗理论中心质思想中心质思想定性分析定性分析定量分析定量分析(G. Grimmett, Percolation, 1999.)(吴中伟. 混凝土材料学, 1980.)152 水泥石微裂缝遇水自封堵材料加量研究水泥石微裂缝遇水自封堵材料加量研究假设假设：裂缝裂缝看作二维看作二维平面平面微球粒径微球粒径相同相同微球吸水倍数微球吸水倍数相同相同微球在水泥石中均匀随即微球在水泥石中均匀随即分分布布微球原位微球原

8、位膨胀膨胀裂裂缝缝平平面面逾逾渗渗分分析析162 水泥石微裂缝遇水自封堵材料加量研究水泥石微裂缝遇水自封堵材料加量研究体心立方体分布模型体心立方体分布模型 包裹树脂微球加量逾渗阀值：包裹树脂微球加量逾渗阀值：=28.40%=28.40%（BWOCBWOC）根据平面逾渗阀值（0.593）可得自愈合剂加量逾渗阀值计算数学模型D D：包裹包裹后树脂微球（即自愈合剂）粒径后树脂微球（即自愈合剂）粒径水泥浆水泥浆密度密度立方体立方体边长边长树脂树脂微球微球粒径粒径树脂微球树脂微球密度密度石膏石膏壳厚壳厚石膏壳石膏壳密度密度逾渗逾渗阀值阀值1.98 1.98 / /cmcm3 3400m200m1.1 g

9、/cm350m1.1 g/cm30.593计算参数计算参数17 最大最大封堵裂缝宽度封堵裂缝宽度 应用本课题开发的树脂微球，可封堵的最大裂缝宽度达到应用本课题开发的树脂微球，可封堵的最大裂缝宽度达到100m100m 以上以上d(m)L1 (m) (g/g)H (m)160400351.20468.27180400372.90497.202004003100.004133.3318 冲击破碎冲击破碎 压裂破碎压裂破碎巴西劈裂巴西劈裂切割造缝切割造缝预埋造缝预埋造缝裂缝裂缝尺寸尺寸不明确不明确与实际裂缝产生与实际裂缝产生方式方式不符不符需借助先进的裂缝宽需借助先进的裂缝宽度度采集系统采集系统操作操

10、作困难困难1造缝方法造缝方法19水泥石起裂器基本结构水泥石起裂器基本结构造缝流程造缝流程1造缝方法造缝方法202 微裂缝自封堵评价方法微裂缝自封堵评价方法评价仪器示意图评价仪器示意图测量缝宽和水泥柱高度评价评价流程：流程：2h后打开氮气阀加压，当排液孔刚有水排出时记录此时氮气压力将凿子、水泥柱和硅胶套筒整体放入钢筒中，并通过密封垫施加围压水泥柱上方注入水，连接氮气管线，将钢筒加热到测试温度氮气加压，测量每五分钟时间段内排出水量，计算平均排液速率当不再有液体排出，关闭氮气阀，并释放氮气压力216.4自封堵评价自封堵评价水泥配方水泥配方实验实验裂缝尺寸裂缝尺寸C1C1：G级油井水泥+30%30%水

11、泥石微裂水泥石微裂缝遇水自封堵材料缝遇水自封堵材料+10%微硅+0.5% SYJZ-1+4% BXF-200L+0.5%消泡剂+水（水固比0.5）C2C2：G级油井水泥+20%20%水泥石微裂水泥石微裂缝遇水自封堵材料缝遇水自封堵材料+10%微硅+0.5% SYJZ-1+4% BXF-200L+0.5%消泡剂+水（水固比0.5）7550000ppm氯化钠溶液水泥水泥样本样本 微裂缝样本微裂缝样本微裂缝参数微裂缝参数缝宽缝宽 / /mm缝高缝高 /cm /cm 缝长缝长 /cm /cm C1C1L9625C1H11825C2C2L9825C2H11525226.4自封堵评价自封堵评价水泥石微裂缝

12、遇水自封堵性能测试结果裂缝面显微结构 树脂微球从石膏壳中树脂微球从石膏壳中释放释放 膨胀树脂膨胀树脂彼此彼此相连形成相连形成封封堵堵 水泥水泥石微裂缝遇水自封堵材石微裂缝遇水自封堵材料加量达到逾渗阀值时，水料加量达到逾渗阀值时，水泥石微裂缝实现遇水自封泥石微裂缝实现遇水自封堵堵23一、一、 开发出适用于固井水泥浆的吸水树脂开发出适用于固井水泥浆的吸水树脂微球微球聚丙烯酰胺膨润土N，N-二甲基丙烯酰胺双分散反相悬浮聚合高强度、耐碱、抗盐二、基于树脂微球包裹开发出了微裂缝遇水自封二、基于树脂微球包裹开发出了微裂缝遇水自封堵材料堵材料一次包裹二次包裹三次包裹24三、揭示三、揭示了水泥石微裂缝遇水自封堵了水泥石微裂缝遇水自封堵机理机理四、建立四、建立了水泥石微裂缝遇水自封堵评价了水泥石微裂缝遇水自封堵评价方法方法水泥石微裂缝水泥石微