水基鉆井液用防塌封堵劑封堵效果實驗研究

曹成，蒲曉林，王貴，趙正國，李茜，黃桃

(1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;2.中國石油西南油氣田分公司 采氣工程研究院，四川 廣漢 618300)

泥頁巖井壁穩定問題是鉆井工程中普遍存在并且非常嚴重的問題，防塌鉆井液技術一直是泥頁巖井壁穩定技術的重要研究方向［1-3］。防塌封堵劑是構成防塌鉆井液的基礎，室內實驗和現場實踐均表明，防塌封堵劑的類型與加量對封堵作用效果具有顯著影響［4］。合理的防塌封堵劑及復配有利于充分發揮各種封堵劑的作用，實現封堵性能的最優化。因此，研究防塌封堵劑封堵作用效果對高效利用防塌鉆井液技術具有重要的工程實際意義。現有防塌鉆井液技術多集中于處理劑的研制及其工程應用方面，關于各種防塌封堵劑封堵作用效果的系統研究的報道并不多見［5-13］。

為了研究防塌封堵劑封堵作用效果，針對水基鉆井液用防塌封堵劑，筆者開展了評價封堵劑封堵作用效果的室內實驗，通過測量高溫高壓失水量隨時間的變化規律，獲得水基鉆井液用最優封堵配方。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

瀝青類封堵劑:乳化瀝青、氧化瀝青、磺化瀝青、白瀝青均為工業品;剛性顆粒封堵劑:超細碳酸鈣(1 000 目)、超細二氧化硅(1 000 目)、納米碳酸鈣、納米二氧化硅均為工業品;其它封堵劑:乳化石蠟、聚乙二醇(20 000 分子量)均為工業品;十八烷基胺為分析純。

DFC-0705 型高溫高壓失水儀;BRGL-7 型變頻滾子加熱爐。

1.2 實驗方法

實驗基漿為固相含量為4%的預水化膨潤土漿+1%SMP-2。以基漿+一定濃度封堵劑作為封堵型鉆井液。采用高溫高壓靜失水評價法進行評價。①將一定濃度的封堵劑加入基漿中，攪拌均勻后放入滾子加熱爐中，在120 ℃條件下老化16 h，取出滾筒，冷卻至室溫，將鉆井液倒出再次攪拌均勻;②按照相關標準在高溫高壓靜失水儀上進行操作實驗，實驗溫度設定為120 ℃，壓差設定為3.5 MPa，分別記錄一定時間的累計失水量。

2 結果與討論

2.1 封堵劑單劑評價

瀝青類封堵劑、剛性顆粒封堵劑以及其它封堵劑的高溫高壓失水量隨時間的變化，見圖1 ～圖3。

圖1 瀝青類封堵劑封堵效果Fig.1 Sealing performance of asphalt

圖2 剛性顆粒封堵劑封堵效果Fig.2 Sealing performance of rigidity particle

圖3 其它封堵劑封堵效果Fig.3 Sealing performance of other materials

由圖1 可知，與基漿相比，瀝青類封堵劑在10 min后濾失量的增加幅度明顯減小，具有一定的封堵效果，其中乳化瀝青的瞬時濾失小，總的濾失量小，封堵效果最優。

由圖2 可知，超細碳酸鈣的高溫高壓濾失量最小，濾失量趨于恒定所用時間最短，封堵效果最優。

由圖3 可知，十八烷基胺的高溫高壓濾失量最大，聚乙二醇次之。乳化石蠟的高溫高壓濾失量最小，且瞬時濾失量最小，封堵效果最優。因此，選擇乳化瀝青、超細碳酸鈣、乳化石蠟進行封堵劑復配優化。

2.2 封堵劑復配優化

現場應用中一般采用1 ～2 種封堵劑，因而將3種封堵劑兩兩組合，分為3 組，分別采用2 因素5 水平均勻設計表U5(53)進行實驗［14］，結果見圖4 ～圖7。

由圖4 可知，3%A +2%B 即3%乳化瀝青+2%乳化石蠟的瞬時濾失小，總的濾失量小，10 min后濾失量的增幅較小，封堵效果最優。

由圖5 可知，4%B +4%C 即4%乳化石蠟+4%超細碳酸鈣的高溫高壓濾失量最小，并且該配方濾失量趨于恒定的時間最短，封堵效果最優。

圖4 乳化瀝青(A)與乳化石蠟(B)組合的封堵效果Fig.4 Sealing performance of the combination of emulsify asphalt and emulsify wax

圖5 乳化石蠟(B)與超細碳酸鈣(C)組合的封堵效果Fig.5 Sealing performance of the combination of emulsify wax and ultrafine calcium carbonate

圖6 超細碳酸鈣(C)與乳化瀝青(A)組合的封堵效果Fig.6 Sealing performance of the combination of ultrafine calcium carbonate and emulsify asphalt

圖7 3 種較優組合的封堵效果Fig.7 Sealing performance of the three combination

由圖6 可知，3%C+2%A 即3%超細碳酸鈣+2%乳化瀝青的瞬時濾失小，總的濾失量小，10 min后濾失量幾乎沒有增幅，封堵效果最優。

由圖7 可知，3 種較優組合中，3%超細碳酸鈣+2%乳化瀝青的高溫高壓濾失量最小，并且該配方濾失量趨于恒定所用時間最短，封堵效果最優，為水基鉆井液用最佳封堵配方。

3 結論

(1)瀝青類封堵劑中乳化瀝青的封堵效果最優，剛性顆粒封堵劑中超細碳酸鈣(1 000 目)的封堵效果最優，其它封堵劑中乳化石蠟的封堵效果最優。

(2)復配封堵劑較單一封堵劑的封堵效果更優，其中3%超細碳酸鈣(1 000 目)+2%乳化瀝青為水基鉆井液用最優封堵劑配方。

［1］ 王森，陳喬，劉洪，等. 頁巖地層水基鉆井液研究進展［J］.科學技術與工程，2013，13(16):4597-4602.

［2］ 岳前升，李玉光，何保生，等.潿洲12-1N 油田硬脆性泥頁巖研究及鉆井液技術對策［J］. 中國海上油氣，2005，17(1):44-47.

［3］ Liu X J，Luo P Y，Liu H，et al. Keeping Shale Formation Stability by Optimizing Drilling Fluids，in Yangta Oil Field，Western China［C］.ITPC 13313，2009.

［4］ 張勇，褚奇，陳勇，等. 低熒光防塌封堵劑的研制及評價［J］.石油鉆采工藝，2014，36(3):45-47.

［5］ 魏殿舉，史沛謙，王自民.鄂爾多斯地區防塌鉆井液技術［J］.鉆井液與完井液，2014，31(4):89-91.

［6］ 陳志學，樊洪海，史東輝，等. 巴喀地區防塌鉆井液技術的研究與試驗［J］.油田化學，2013，30(3):331-335.

［7］ Taner S，Martin E C，Mukul M S.Minimizing Water Invation in Shale Using Nanoparticles［C］.SPE 124429，2009.

［8］ 龍大清，曾李，崔繼明，等.“三強”防塌鉆井液的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2012，29(1):52-55.

［9］ 李之軍，蒲曉林，王貴，等. 低熒光鉆井液防塌封堵新材料及其作用機理［J］.天然氣工業，2013，33(9):97-101.

［10］ Meghan R，Steve Y，Emanuel S，et al. Wellbore Stability in Unconventional Shale-The Design of a Nano-particle Fluid［C］.SPE 153729，2012.

［11］向朝綱，蒲曉林，陳勇. 新型封堵劑FDJ-EF 封堵特性及其作用機理［J］.斷塊油氣田，2012，19(2):249-252.

［12］ 黃書紅，蒲曉林，陳勇，等. 新型無熒光防塌封堵劑HSH 的研制及機理研究［J］. 鉆井液與完井液，2013，30(1):9-12.

［13］Li G G，Zhang J H，Zhao H Z，et al. Nanotechnology to Improve Sealing Ability of Drilling Fluids for Shale with Micro-cracks During Drilling［C］.SPE 156997，2012.

［14］李云雁，胡傳榮. 試驗設計與數據處理［M］.2 版. 北京:化學工業出版社，2008:124-150.