膠結型強封堵防塌劑的研制與性能評價*

余加水，尤志良，付超勝，敖 天，蔣官澄，謝春林，孔德昌

（1.中國石油西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大港油田石油工程研究院，天津 300280；3.油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京 102249）

0 前言

新疆準噶爾盆地南緣地區具有優良的生油氣條件，勘探潛力巨大，是油氣資源的有利接替區，現已發現多個含油氣構造和油氣聚集帶。在鉆井過程中，由于存在巨厚礫巖層、高陡地層發育、客觀存在地應力的各向異性、多套壓力系統共存，同時因為構造運動造成地層破碎易垮塌、漏失，井眼復雜，嚴重制約了鉆井速度［1］。

隨著鉆井過程的進行，地層條件越來越復雜，地層呈現破碎性、孔縫發育和水敏性增強等特點，使用水基鉆井液封堵會導致地層巖石水化膨脹，應力狀態改變，引發井壁失穩和井漏。而采用常規的油基鉆井液封堵技術也難以解決破碎性地層引起的承壓能力弱、孔縫發育等問題，導致油井大量掉塊與井塌、繼而卡鉆等嚴重事故。因此，研發一種具有膠結破碎性地層、強封堵孔縫性地層、強化井眼、提高井壁巖石強度的油基鉆井液封堵劑是解決該問題的關鍵［2］。

為了更好地解決準噶爾盆地南緣地區復雜破碎地層極易引起的井漏和井壁失穩問題，必須使用具有封堵性能的油基鉆井液提高地層的承壓能力，以保護井壁穩定。國內外鉆井工作者對于提高地層承壓能力已經做了大量的研究和實踐，在封堵理論尚未形成前，現場的工程師主要通過經驗封堵的方法進行堵漏，以固井水泥、橋塞材料、石灰、膨潤土等混合物為主要的封堵材料。目前，國內外關于提高地層承壓能力的機理中，比較具有代表性的有變形多級粒子充填理論、理想充填理論、“應力籠”理論和理想的籠狀結構體理論［3-7］。變形多級粒子填充理論給出了漏失層近井地帶的屏蔽堵塞機理，主要針對低孔低滲透漏失，不適用于高孔高滲或惡性漏失漏層，且要求粒子尺寸與漏失孔縫嚴格匹配［8］。理想充填理論能解決較寬孔縫分布的尺寸問題，但要求暫堵劑顆粒尺寸必須在一個合適的范圍內，且與漏失孔縫尺寸嚴格匹配［9］。“應力籠”理論作用機理是通過適當對井壁施壓、形成微小裂縫，鉆井液中合適的封堵材料迅速進入裂縫，并在開口附近形成橋塞；形成的橋塞滲透率必須足夠低，能阻隔液柱壓力傳遞，產生能封堵裂縫、阻止裂縫進一步擴大、防止壓力傳遞到裂縫末端、提高井眼周向應力的“應力籠”效應，起到防漏封堵效果［10］。理想的籠狀結構體理論具有高封堵效率和高承壓能力，但也存在一定的缺點，包括對籠狀體包絡材料的特殊要求，以及實際狀態與理想狀態下的籠具有不完善性［11］。因此，基于現有的承壓堵漏理論存在的不足，考慮以仿生鉆井液理論為指導，通過模仿自然界動植物的結構、功能、原理等，形成一套仿生強封堵理論，并研究一種以仿生強封堵理論為基礎的油基鉆井液強封堵防塌劑。

貝殼由有機相和無機相組成，其中無機相為占95%以上的CaCO3，其他部分為有機質。貝殼通過有機質與無機納米顆粒的膠結形成獨特的多層復合結構，其中無機相形成棱柱層能提高貝殼的支撐能力和強度，有機質形成的珍珠層和角質層能提高貝殼的韌性及結構強度。因此，筆者認為貝殼的多層復合結構對于提高準噶爾盆地南緣地區復雜破碎性地層的承壓能力具有較好的應用與發展前景。本文通過模仿貝殼的多層復合結構與組成，研究了一種適用于油基鉆井液的兩親型高分子樹脂納米膠結型強封堵防塌劑XZ-OSD。通過掃描電鏡和紅外光譜表征了XZ-OSD 的結構，評價了其熱穩定性、降濾失效果和封堵性，并分析了封堵機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

XZ-OSD，主要材料為丙烯酸及其部分衍生物合成的丙烯酸樹脂，自制；氫氧化鈉、主乳化劑Span80、輔乳化劑烷基苯磺酸鈉（ABS）、有機土、CaO 等鉆井液添加劑均為工業品；3 號白油，工業級，北京英海慶工業潤滑油有限公司；納基膨潤土、Na2CO3，工業級，北京伊諾凱科技有限公司。

SU8010冷場發射掃描電鏡，株式會社日立制作所；TGA/DSC 1同步熱分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司；SD6 標準API 壓濾機、GGS71 高溫高壓（HTHP）失水儀，青島同春石油儀器有限公司；JHMD-Ⅲ巖心動態污染驅替儀，荊州市現代石油科技發展有限公司。

1.2 實驗部分

（1）微觀結構分析

將XZ-OSD 樣品粉末使用乙醇分散超聲處理后，滴在玻璃片上，烘干后進行噴金處理，然后用掃描電鏡觀察其微觀結構。

（2）熱穩定性分析

將XZ-OSD 磨碎成粉，使用TG-DSC 聯用分析儀測定熱失重曲線（TG 曲線），分析熱穩定性能。升溫速率為10℃/min，氮氣保護，測試溫度范圍為30數400℃。

（3）降濾失效果評價

①油基鉆井液基漿的制備:將270 mL 3 號白油、30 mL 蒸餾水、3% Span80、1%ABS、1%有機土和2%CaO 混合配成油基鉆井液基漿，評價基漿和基漿+1%XZ-OSD的API和HTHP降濾失效果。②API 濾失量測試:對新制備的鉆井液或150℃老化16 h 后的鉆井液進行API 濾失量測試。隨后將250 mL 左右的液體倒入配有標準濾紙的標準API 壓濾機。在0.7 MPa壓力下濾失30 min，記錄濾液體積。③高溫高壓（HTHP）濾失量測試:將油基鉆井液加入高溫高壓失水儀中，并配以濾紙，在3.5 MPa、150℃的條件下濾失30 min，記錄濾液體積。

（4）封堵率的測定

將300 mL 4%的鈉基膨潤土基漿（6 L 自來水+4%納 基膨潤土+2‰ Na2CO3，攪拌24 h）與1%XZ-OSD混合配制堵漏漿，使用巖心動態污染驅替儀進行封堵實驗，測試正向封堵率和反向封堵率，封堵溫度為60℃，驅替壓力為3.5 MPa，封堵時間125 min。

（5）堵漏能力評價

將240 mL 柴油與60 mL CaCl2溶液（30%）混合，隨后加入3%Span80、2%ABS、2%CaO、0數6%XZ-OSD，配制堵漏漿。通過高溫高壓失水儀和砂床（20數40 目）評價XZ-OSD 對滲透性漏失的封堵能力。將100 g砂床置于鉆井液杯底部，再將150 mL堵漏漿加入鉆井液杯中，測試堵漏漿在180℃和3.5 MPa下的HTHP濾失量，濾失30 min，記錄濾液體積。

2 結果與討論

2.1 膠結型強封堵劑的封堵機理

XZ-OSD 顆粒進入破碎地層后，一方面通過XZ-OSD的納米顆粒進入地層不同尺寸的孔隙和裂縫中起到橋塞、封堵作用，同時顆粒遇油膨脹，依靠膨脹性能提高漏層內壁的壓力和摩擦力，有效提高漏層巖石的承壓能力；另一方面，XZ-OSD顆粒通過聚合物鏈上的羥基等與地層巖石膠結形成類似貝殼的多節點“蜂窩”膠結層狀結構，封堵地層并提高地層承壓能力和穩定性，從而避免井漏和井塌等井下復雜情況。

2.2 膠結型強封堵劑的結構

XZ-OSD的結構中既含有親水性基團銨基和羧基，又含親油性基團酯基和苯環，但親油基團多于親水基團，因此，XZ-OSD屬于更親油的兩親型聚合物。在油基鉆井液中，XZ-OSD 粒子在油水界面排列，粒子更親油，大部分顆粒處于油相中，導致油水界面彎曲，使水分散在油中，乳液更加穩定，濾失量降低；同時XZ-OSD粒子在界面上排列，空間上阻隔分散相碰撞聚并，增加乳液穩定性。由XZ-OSD 樣品的掃描電鏡照片（見圖1）可見，XZ-OSD的形態為納米級球狀，外觀圓滑，粗糙度小，主要粒徑分布在50數200 nm之間。

圖1 XZ-OSD的掃描電鏡照片

由XZ-OSD 產物的紅外光譜圖（見圖2）可見，1724.13 cm-1處為酯羰基C=O 的伸縮振動峰，1234.21 cm-1處有C—O—C 存在，表明含有酯基；725.24 cm-1處為苯環的振動峰，表明合成產物符合設計要求。

圖2 XZ-OSD的紅外光譜圖

2.3 性能評價

2.3.1 熱穩定性

膠結型封堵劑XZ-OSD 的熱重分析結果如圖3所示。XZ-OSD 在30數250℃出現4.42%的質量損失，這是單體中殘留的水分揮發所致。在溫度達到250℃后，質量損失速度增加，250數330℃之間的質量損失為15.66%，表明XZ-OSD 在250℃開始熱分解。XZ-OSD在250℃以內具有較好的熱穩定性，能滿足鉆井使用。

圖3 封堵劑XZ-OSD的熱失重曲線

2.3.2 降濾失效果

對膠結型納米封堵防塌劑XZ-OSD進行降濾失效果評價，分別測試了基漿、基漿＋1%XZ-OSD 熱滾前的API 濾失量和基漿、基漿＋1% XZ-OSD 150℃熱滾16 h 后的HTHP 濾失量。在加入1%XZ-OSD 后，熱滾前API 濾失量由未加時的3.6 mL降至1.0 mL，API 濾失降低率達72.22%；150℃熱滾16 h后的HTHP濾失量由未加時的14.0 mL降至2.6 mL，HTHP濾失降低率達81.43%，降濾失效果明顯。

2.3.3 封堵效果

采用4 塊不同的巖心，使用巖心動態污染驅替儀對XZ-OSD 進行封堵實驗。基漿、基漿+1%XZ-OSD 的正反向封堵率如表1 所示。加入1%XZ-OSD后，正向封堵率由未加XZ-OSD前的21.2%增至82.5%，增加2.89 倍；反向封堵率由未加XZ-OSD 前的58.4%增至80.3%，增加0.4 倍。相對于基漿，封堵液的封堵率有了大幅度的提升，說明XZ-OSD的封堵性能良好。

表1 XZ-OSD對基漿封堵率的影響

2.3.4 堵漏性能

使用高溫高壓漏失儀進行砂床堵漏實驗，測試了基漿、基漿+5% XZ-OSD 和基漿+6% XZ-OSD 3種堵漏漿在180℃熱滾16 h 前后的HTHP 濾失量。由表2可見，加入XZ-OSD后，180℃熱滾后的HTHP濾失量從未加時的全漏降至9 mL 或2 mL，降濾失效果高達96.0%、98.7%，說明封堵劑XZ-OSD 的封堵效果好，抗溫性能良好，可抗180℃。

表2 XZ-OSD對基漿堵漏性能的影響

3 結論

兩親型高分子樹脂納米膠結型強封堵防塌劑XZ-OSD 粒子在油水界面上排列，大部分位于油相中，通過空間阻隔分散相碰撞聚并，使水分散在油中，增加乳液穩定性，降低濾失量。XZ-OSD的熱穩定性較好，分解溫度為250℃。XZ-OSD具有良好的封堵效果和抗溫性，1%XZ-OSD可有效提高巖石的正向封堵率2.89 倍和反向封堵率0.4 倍；在堵漏漿中加入6%XZ-OSD，180℃熱滾16 h 后的濾失量僅為2 mL。