油基鉆井液用納米材料CQ-NZC的封堵性能評價

羅米娜，艾加偉，陳馥，陳俊斌，羅陶濤

（1 油氣田應用化學四川省重點實驗室，四川 成都 610500；2 西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500；3 中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300）

四川盆地川南龍馬溪組儲層硬脆性泥頁巖微孔隙十分發育，在鉆井過程中常常遭遇井壁失穩的問題[1]。油基鉆井液在頁巖氣開發中具有優異的防塌潤滑性能，但由于油基鉆井液體系中一般含有10%～20% 的水，在大的壓差條件下，鉆井液中的水相會大量進入張開的微縫，引起地層坍塌[2]。因此，進一步提高油基鉆井液的封堵能力顯得十分重要。龍馬溪組泥頁巖儲集空間主要集中在 6～120nm[3]，微裂縫縫寬主要在0.8～2μm[1]。在油基鉆井液中加入納米材料等剛性粒子[4-5]與氧化瀝青等軟性粒子產生相互作用，則有助于封堵微裂縫，起到穩定井壁的作用。近年來，對鉆井液納米處理劑及其在鉆井液中的應用[6-9]相關報道比較多，但是對納米顆粒的封堵性能[10-11]的評價尚無標準方法，相對來說報道較少。因此，建立科學的方法來評價納米顆粒在鉆采過程中所起的作用是非常有意義的。

目前，對微裂縫封堵效果評價的主要方法有3種：API 濾失量測定實驗、高溫高壓靜/動濾失評價實驗[12]以及低滲人造巖心封堵評價實驗[13-14]。這些方法中，前兩者都是用特定的濾紙來模擬地層裂縫，不能很好地反映微裂縫和微孔隙的情況；人造巖心模擬則存在模擬成本過高、對儀器要求較高、大量重復實驗困難等不足。本研究建立了一種實驗室用的簡便可行的方法來評價微裂縫封堵效果。實驗中采用不同規格的砂芯漏斗模擬地層微裂縫，對油基鉆井液中加入納米材料作為剛性封堵劑，并配合以氧化瀝青等軟性粒子的封堵效果進行研究，對納米材料的現場使用提供了必要的數據支持。

1 藥品和儀器

疏水納米材料CQ-NZC，自制；白油為5 號礦物油；鉆井液處理劑包括有機土、主乳化劑（SP-80）、輔乳化劑（脂肪酸CQ-HWS）、潤濕劑（季銨鹽類表面活性劑CQ-WBP）、降濾失劑（氧化瀝青）、生石灰、氯化鈣、重晶石，均為工業級，中國石油川慶鉆采院鉆井液公司提供；去離子水。

JSM-7500F 掃描電子顯微鏡儀，日本電子株式會社；Fann 35SA 六速旋轉黏度計、Fann 23E 電穩定性測試儀，美國Fann Instrument 公司；SHZ-D(Ⅲ)真空抽濾機，鞏義市英峪儀器廠；API 濾失儀、GGS71-B 型高溫高壓濾失儀，青島海通達專用儀器有限公司；A3300IS 數碼相機，日本佳能有限公司；砂芯漏斗，G1（孔徑20～30μm），G3（孔徑4.5～9μm），G5（孔徑1.5～2.5μm）

2 實驗方法

2.1 納米材料CQ-NZC 形貌表征

選取所需量疏水改性的CQ-NZC放入導電膠中噴金，進行SEM（掃描電子顯微鏡）分析，以觀察其微觀形貌和尺寸大小。

2.2 鉆井液的流變性及電穩定性測定

按加入順序：白油425mL、有機土3%、主乳化劑3%、輔乳化劑1%、潤濕劑2%、生石灰2%、鹽水（20% CaCl2）75mL，配制成油包水乳化鉆井液基液500mL。基液配好后，加一定量的重晶石，配制成密度為 1.2g/cm3的油基鉆井液（標記為0#鉆井液）。在此鉆井液中添加2%氧化瀝青作為1#鉆井液，在1#鉆井液中加入1% CQ-NZC 作為2#鉆井液。

分別在25 ℃下測定鉆井液老化（120℃下熱滾16h）前后的常規流變性及破乳電壓。其中破乳電壓是用來反映油包水乳狀液相對穩定性的參數，使用Fann 23E電穩定性測試儀對油包水乳化鉆井液通入電流，當乳化鉆井液開始破壞時的電壓稱為破乳電壓。破乳電壓愈高，說明乳狀液愈穩定。

2.3 鉆井液體系封堵評價

為了更全面地評價鉆井液體系的封堵性，本文測試了API 濾失量、HTHP 濾失量及泥餅的質量、砂床實驗浸入深度等，從宏觀上評價納米材料CQ-NZC 對鉆井液封堵性能的影響；同時，通過對泥餅進行微觀分析以及砂芯漏斗模擬微裂縫實驗等，從微觀上對封堵性能進行了評價和分析。

2.3.1 油基鉆井液濾失量及泥餅評價

按2.2 節中配制鉆井液樣品0#、1#和2#，對比考察氧化瀝青和納米材料的加入對鉆井液濾失量、泥餅微觀結構的影響。由于油基鉆井液泥餅很薄，很難測定其厚度，故采用泥餅質量來評價其質量。實驗中，泥餅為API 標準測定中壓濾失濾餅，經過真空度0.05MPa、溫度90℃下恒溫烘干12h 所得。 2.3.2 砂床實驗

砂床實驗[15]是鉆井液體系封堵效果評價廣泛采用的方法之一。按照2.2 節的配液方式配制鉆井液。改變納米材料CQ-NZC 的加量分別為0%、1%和2%。在不加濾紙的濾網上將180cm3的60～80目砂子倒入筒狀可視的鉆井液杯中，搖實鋪平，再倒入250cm3的試樣漿，將杯蓋擰緊，接通氣源，將壓力調至0.69MPa，憋壓5min 后，打開放氣閥，氣源進入鉆井液杯中，測量30min 的最大浸入深度。

2.3.3 砂芯漏斗實驗

在地質學上，一般認為小于100μm 的裂縫為微裂縫。龍馬溪組的泥頁巖微裂縫縫寬主要在0.8～2μm，在對四川其他泥頁巖儲層分析[16]發現，泥頁巖中同時存在5～100μm 的微裂縫。因此，實驗選用G1（孔徑20～30μm）、G3（孔徑4.5～9μm）、G5（孔徑1.5～2.5μm）共3 種規格的砂芯漏斗（濾板厚度為4.0mm）來模擬頁巖地層微裂縫，通過對鉆井液在不同規格的砂芯漏斗濾板上的浸入程度以及濾板內部表面的電鏡照片來對比考察油基鉆井液中加入瀝青類封堵材料與加入納米材料后的封堵 性能。

按照2.2 節的配液方式，配制鉆井液1#、2#樣品，并考察加入的瀝青類封堵劑及納米材料對鉆井液封堵效果的微觀影響。兩樣品分別通過型號分別為G1、G3、G5 的3 種玻砂漏斗，抽濾壓力為0.08MPa ，抽濾時間為30min。同時，用數碼相機拍攝記錄所有樣品在濾板上的浸入情況。實驗簡易裝置圖如圖1 所示。并選取樣品通過G3 漏斗后的砂芯作掃描電鏡分析，從微觀上評價其封堵情況。

圖1 封堵效果評價裝置

3 結果與討論

3.1 納米材料CQ-NZC 形貌表征

用掃描電鏡對CQ-NZC 的微觀圖像進行觀察，如圖2 所示。CQ-NZC 放大10 萬倍和20 萬倍后根據電鏡圖片標尺可知，納米顆粒基本低于100nm。顆粒分布比較均勻，呈球狀，表現出一定的團聚 現象。

3.2 納米材料對鉆井液體系性能的影響（表1）

從表1 中數據可知，加入納米材料后，鉆井液體系的黏度和切力都有所增加，但是增加的幅度不大。破乳電壓有明顯的提升，說明納米材料的加入有助于油基鉆井液體系的穩定。

3.3 納米材料封堵性評價

3.3.1 濾失量及泥餅質量評價

鉆井液在加入氧化瀝青和納米材料前后的濾失量及泥餅質量的變化，實驗結果見表2。

從表2 中數據可知，加入氧化瀝青后，鉆井液濾失量降低，但是泥餅質量并沒有較大的變化。在鉆井液中同時加入CQ-NZC 納米材料，濾失量有較大幅度降低，泥餅質量也明顯減小，說明CQ-NZC的加入對鉆井液的濾失量及泥餅質量都有顯著 影響。

圖2 CQ-NZC 的SEM 圖像

表1 鉆井液的流變性數據及電穩定性

表2 油基鉆井液的濾失量及泥餅質量

為了更好地評價泥餅的質量，通過掃描電鏡對其微觀情況進行分析。圖3～圖5 中給出了上述泥餅的截面和表面的電鏡掃描圖片（放大5000 倍）。

從圖3 中可以明顯看出，0#所得泥餅的截面較為疏松，孔隙較多，同時其表面也存在較多孔隙，且不平整，主要為重晶石和有機土堆砌而成。因此，其濾失量較大，形成的泥餅質量也較大。

圖3 0#鉆井液所得泥餅的SEM 圖

圖4 1#鉆井液所得泥餅的SEM 圖

圖5 2#鉆井液所得泥餅的SEM 圖

由圖4 可知，1#鉆井液所得泥餅從截面來看，部分區域膠結較好，從表面來看，泥餅表面的堆積更為緊密，質量明顯變好。這主要是瀝青類封堵劑在高溫下軟化，起到了一定的堵塞和膠結作用，但是截面上仍有部分區域比較疏松。總的來說，氧化瀝青的加入使濾失量降低了，但是泥餅仍然較厚，質量較大。

根據圖5 所示，不管是泥餅截面還是表面，都堆積得更為緊密。這主要是因為CQ-NZC 納米顆粒的加入，填入了泥餅中一些小的孔隙，CQ-NZC 與氧化瀝青及重晶石的相互作用，使得泥餅更加緊密，濾失量明顯降低，同時泥餅厚度與質量也相應減小，泥餅質量得到改善。但是，截面仍然有部分小空隙，可能是由于級配不夠均勻的緣故。

3.3.2 砂床浸入深度

實驗對比了添加納米材料CQ-NZC 加入前后，鉆井液的浸入深度，評價效果如表3。

通過對比可知，加入CQ-NZC 后，老化前后的砂床浸入深度均顯著減小，且隨著納米材料用量的增多呈減小的趨勢。可見，在鉆井液體系中加入CQ-NZC 可以提升其封堵性能。

表3 砂床浸入深度

3.3.3 砂芯漏斗模擬法評價封堵性能

為了更準確地評價其封堵性能，實驗中設計了砂芯漏斗模擬法，就是用一定孔徑的砂芯漏斗來模擬頁巖地層微裂縫，然后在一定的壓力下評價工作液的封堵性能。

圖6 中列出了2#鉆井液在G3 濾板上的浸入情況，可見其浸入深度達到2.1mm。其他浸入情況見表4。

通過對比表4 中的浸入深度可知，由于濾板的厚度有限，對于孔徑較大的G1 濾板，1#和2#鉆井液均能全部浸入，可見對20～30μm 的裂縫封堵能力有限。對比在G3 和G5 濾板上的情況，加入CQ-NZC 的2#鉆井液的浸入深度均小于1#，因此可以認為，對于這類小于10μm 的微裂縫，加入納米材料后具有更好的封堵性能。

為了進一步研究納米材料添加對封堵性能的影響機理，對G3 砂芯漏斗的表面（放大5000 倍）及內部截面（放大1000 倍）進行了電鏡掃描，見圖7和圖8。

鉆井液在通過砂芯漏斗時，均在濾板上面形成一層很薄的濾餅。通過對圖7 中的兩圖進行對比可知，加入CQ-NZC 以后，濾板表面的顆粒間的空隙明顯變小，更加致密，說明CQ-NZC 的加入對濾板起到了很好的封堵作用。

圖6 2#鉆井液在G3 濾板上的浸入情況

表4 鉆井液在砂芯漏斗濾板上的浸入深度

圖7 砂芯漏斗G3 濾板的表面SEM 圖

圖8 砂芯漏斗G3 濾板的截面SEM 圖

圖8 為對G3 濾板的截面圖。進行對比可知，鉆井液進入濾板后，瀝青類的封堵劑可以將一些孔隙堵住，從而起到一定的封堵作用，而加入CQ-NZC后，納米顆粒與瀝青類封堵劑相互作用，在一定程度上聚結形成了不同級配的堵孔粒子，使得封堵效果更好。

4 結 論

（1）在鉆井液中加入一定量的CQ-NZC 納米材料，可以有效提升其破乳電壓，說明納米材料的加入有助于油基鉆井液體系的穩定。

（2）通過對濾失量、泥餅質量及泥餅微觀形態進行分析，CQ-NZC 配合瀝青類封堵劑的使用，可以起到比單獨使用瀝青類封堵劑更好的降濾失作用及封堵性能。CQ-NZC 與瀝青類封堵劑可以在一定程度上聚結，形成堵孔粒子，提升鉆井液體系的封堵性能。

（3）通過實驗發現，使用砂芯漏斗可以很好地模擬地層中的微裂縫，鉆井液在不同規格的砂芯濾板的浸入情況及表面、截面的封堵情況，有利于人們從宏觀上和微觀上分析封堵劑的封堵效果和封堵機理。

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