裂縫性氣藏成膜堵氣鉆井液體系室內(nèi)評價研究

朱杰 熊漢橋 吳若寧 王啟任 孫運昌

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室

塔里木油田順南區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，儲層微裂縫發(fā)育。該區(qū)塊在鉆進過程中出現(xiàn)了典型的氣液置換氣侵，井漏溢流頻發(fā)，鉆井施工難度大。目前國內(nèi)主要采用隨鉆堵漏技術(shù)解決氣侵問題，但該技術(shù)目前無法封堵裂縫開度小于0.1 mm的微裂縫。筆者針對順南區(qū)塊儲層特征，制作了有效裂縫開度為0.01～0.1 mm的微裂縫巖心模型，采用物理+化學(xué)成膜封堵技術(shù)，實現(xiàn)了對微裂縫的快速封堵。

1 物理+化學(xué)成膜技術(shù)機理

新型封縫堵氣技術(shù)是物理封堵技術(shù)和化學(xué)成膜技術(shù)的有機結(jié)合。物理封堵可形成骨架和封堵層，化學(xué)成膜技術(shù)可將封堵層中的顆粒用化學(xué)膜粘合起來，提高濾餅致密性，從而有效解決氣液置換問題。傳統(tǒng)封縫堵氣和新型成膜封縫堵氣示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)封縫堵氣示意圖Fig.1 Sketch of traditional fracture plugging for gas cut prevention

圖2 物理+化學(xué)成膜封縫堵氣示意圖Fig.2 Sketch of physical+chemical film plugging for gas cut prevention

通過電鏡掃描分析了由原始鉆井液+成膜劑所形成的濾餅致密性，如圖3、圖4所示。圖3為原鉆井液體系所形成的濾餅電鏡掃描圖片，圖4是原鉆井液+成膜劑體系所形成的濾餅電鏡掃描圖片。從圖3可明顯看出，該體系所形成的濾餅表面疏松多孔，與圖4對比后發(fā)現(xiàn)，成膜劑對黏土顆粒和孔隙空間進行了填充和膠結(jié)，所形成的濾餅更加致密，且無明顯的孔洞。因此，加入成膜劑的鉆井液比原鉆井液所形成的封堵層更加致密，可以有效防止鉆井液及其濾液侵入油氣層。

圖3 原始鉆井液體系形成的濾餅電鏡掃描圖Fig.3 SEM of filter cake formed from the original drilling fluid system

圖4 原始鉆井液+成膜劑體系形成的濾餅電鏡掃描圖Fig.4 SEM of filter cake formed from original drilling fluid+film forming agent system

2 封縫堵氣效果評價方法與實驗設(shè)備

2.1 微裂縫巖心模型制作與有效開度確定

選取尺寸為?25 mm×50 mm 的圓柱形巖心進行人工造縫，首先將巖心壓裂成2 部分，在巖心裂縫的表面放置預(yù)定厚度的金屬墊片，然后將2 部分巖心固定在一起，形成一定開度的微裂縫，之后將人工造縫巖心放入巖心實驗裝置，通過20 MPa的圍壓固定巖心，形成一定的裂縫開度。依據(jù)以下公式［1-2］，確定其有效開度

式中，e為裂縫開度，μm；D為裂縫間距，μm；Kf為裂縫滲透率，10-3μm2。

實驗室制作了0.01、0.05、0.1 mm開度的微裂縫巖心。

2.2 實驗設(shè)備與步驟

根據(jù)封縫堵氣評價特點，自主設(shè)計了封縫堵氣評價裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 封縫堵氣評價實驗裝置圖Fig.5 Selection test on film forming agents

封縫堵氣評價實驗步驟如下：(1)完成對微裂縫的封堵以及對封堵層進行正向承壓實驗，確定不同封堵材料的封堵效果；(2)進行反向承壓實驗；(3)測量封堵層被突破后的滲透率。具體操作步驟［3］如下：(1)將制作好的巖心模型放入巖心夾持器，保持圍壓20 MPa，用封堵體系正向封堵，壓力從 1 MPa 逐漸增加到 10 MPa，每次加壓 1 MPa，穩(wěn)壓時間為 5 min，測量其濾失量，增加壓力到10 MPa后，穩(wěn)壓30 min，測量其濾失量。(2)反向承壓測試。圍壓保持不變，緩慢加壓，每增加 0.5 MPa則穩(wěn)壓 1 min，直至壓穿。(3)保持步驟(2)各項參數(shù)不變，打開氣體流量計閥門，關(guān)閉通氣閥門，測量封堵層被突破后的滲透率。

正向承壓實驗承壓能力越高濾失量越小，說明封堵層越致密，井筒中鉆井液及其濾液越難侵入儲層；反向承壓實驗壓力值越高，說明儲層氣體侵入井筒阻力越大，封堵效果也越好。

3 成膜封堵鉆井液體系室內(nèi)研究

3.1 成膜劑優(yōu)選

成膜劑是一種兩性高分子材料，在鉆井液中形成膠束狀，可在巖石裂縫或濾餅裂縫表面快速附著，并與鉆井液中其他固相顆粒配合形成致密且均勻的封堵層，在鉆遇壓力衰竭地層、裂縫發(fā)育地層及高滲透地層時具有顯著的隨鉆防漏堵漏作用［4-6］。

目前國內(nèi)成膜劑的種類主要包括美國的FCL2000、北京奧凱立BST系列、CMJ系列以及CY-1。將不同種類成膜劑加入“2%膨潤土漿+1%PACLV增黏劑”體系中 ，進行中壓砂床濾失實驗，根據(jù)實驗漏失量及砂床侵入深度優(yōu)選最佳成膜劑，實驗結(jié)果見表1。

表1 成膜劑優(yōu)選實驗Table 1 Optimum selection of film forming agents

由表1可知，加入2%～3%CY-1的鉆井液性能明顯最優(yōu)，砂床漏失量為0 mL且侵入深度僅為15 mm。

3.2 橋堵粒子優(yōu)選

根據(jù)成膜劑優(yōu)選實驗結(jié)果，采用2%膨潤土+2%CY-1成膜劑+1%PAC-LV增黏劑作為基漿，分別加入不同的封堵粒子，在裂縫開度為0.01、0.05、0.1 mm巖心中進行封縫堵氣承壓實驗，根據(jù)承壓能力以及漏失量優(yōu)選橋堵粒子，見表2。由表2可知，納米碳酸鈣和納米二氧化硅作為封堵粒子效果最佳，納米碳酸鈣最優(yōu)加量為3%，封堵0.1 mm縫最大反向承壓為4 MPa，納米二氧化硅最優(yōu)加量為 1%，0.01 mm 縫最大承壓 1.7 MPa，0.1 mm 縫最大承壓為2.25 MPa；2500目超細碳酸鈣次之，最優(yōu)加量為 1%，封堵 0.1 mm 縫最大承壓為 3.5 MPa，但0.01 mm縫和 0.05 mm縫的封堵效果較差；1500目超細碳酸鈣封堵效果最差。

表2 橋堵粒子優(yōu)選實驗Table 2 Selection test on bridging particles

3.3 封堵劑復(fù)配實驗

根據(jù)橋堵粒子優(yōu)選實驗結(jié)果，選擇納米碳酸鈣和納米二氧化硅進行封堵劑復(fù)配實驗。如表3所示，1%納米二氧化硅+2%納米碳酸鈣復(fù)配后的封堵粒子封堵效果最優(yōu)，對0.01、0.05、0.1 mm縫的封堵效果都達到最優(yōu)，濾失量均為0 mL，且反向承壓最大。

表3 封堵劑復(fù)配實驗Table 3 Combination test on plugging agents

3.4 封縫堵氣鉆井液體系性能評價

實驗條件：200 ℃高溫熱滾16 h。原鉆井液體系配方：膨潤土漿+0.4%KAPM+3%SPNH+3%SMP+2%FT-1+1%PAC-LV+重晶石；封縫堵氣鉆井液體系配方：膨潤土漿+0.4%KAPM+3%SPNH+3%SMP+2%FT-1+1%PAC-LV+2%CY-1+1%納米二氧化硅+2%納米碳酸鈣+重晶石。實驗結(jié)果見表4。由表4可知，封縫堵氣鉆井液與原配方鉆井液相比：高溫高壓濾失量明顯降低，說明該鉆井液體系封縫堵氣效果良好；經(jīng)過200 ℃高溫熱滾16 h后，鉆井液流變性、濾失性能變化不大，說明該鉆井液體系耐溫性能良好；經(jīng)測試地層巖屑滾動回收率達91.08%，說明了鉆井液抑制性能良好；封縫堵氣鉆井液體系與原配方鉆井液體系形成的濾餅黏滯系數(shù)均為0.268 0，說明加入封堵材料沒有改變鉆井液潤滑性能。綜上所述，封堵材料與鉆井液體系配伍性良好。

表4 封縫堵氣鉆井液體系性能評價實驗Table 4 Property evaluation test on the drilling fluid system with the property of fracture plugging for gas cut prevention

3.5 酸溶率實驗

目前，大多數(shù)酸溶率實驗都是將某種堵漏劑或幾種堵漏劑混合物作為實驗樣本，而地層酸溶作業(yè)對象是鉆完井液形成的濾餅，因此，本次酸溶率實驗樣品采用鉆井液中壓失水所形成的濾餅烘干研磨后的粉末。實驗結(jié)果見表5。

表5 濾餅酸溶率實驗結(jié)果Table 5 Experimental results of filter cake acid solubility

由表5可知，原鉆井液體系形成的濾餅酸溶率平均為13.4%，封縫堵氣鉆井液體系形成的濾餅酸溶率約為24.9%，其濾餅酸溶率遠高于原鉆井液體系，平均酸溶率提高了約86%。

4 結(jié)論

(1)成膜劑具有快速成膜的特點，與傳統(tǒng)封堵技術(shù)相結(jié)合，不僅呈現(xiàn)出傳統(tǒng)技術(shù)高承壓特點，也體現(xiàn)出化學(xué)成膜技術(shù)快速形成致密濾餅的優(yōu)點，滿足微裂縫發(fā)育、氣侵情況嚴重的高壓儲層鉆井開發(fā)需求。

(2)成膜劑與納米顆粒材料結(jié)合，實現(xiàn)了現(xiàn)階段對極微小裂縫(＜0.1 mm)的有效封堵，但是裂縫越小，封縫堵氣難度越大，極易出現(xiàn)“封門”，只能采取過平衡或近平衡鉆井技術(shù)進行作業(yè)。

(3)經(jīng)過室內(nèi)實驗驗證，封縫堵氣鉆井液體系可達到塔中區(qū)塊微裂縫發(fā)育地層使用要求，且各方面性能都優(yōu)于原鉆井液體系。

(4)具備高承壓能力的濾餅意味著需要高酸溶率，才能在不損害儲層滲透率或不增加開采成本的前提下順利解堵，而現(xiàn)有的鉆井液體系的濾餅酸溶率均無法達到預(yù)期效果。