油基鉆井液隨鉆堵漏材料的研究與應用

劉瑞，于培志

油基鉆井液隨鉆堵漏材料的研究與應用

劉瑞，于培志*

（中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083）

針對油基鉆井液發生漏失處理困難的問題，研發了一種改性礦物纖維油基鉆井液隨鉆防漏堵漏材料PSIFIBER，并對其進行了性能評價。實驗結果表明：PSIFIBER纖維堵漏材料在油基鉆井液中分散性好，配伍性良好，對油基鉆井液性能影響小，耐溫性能佳，具有較強的封堵性效果，砂床實驗侵入深度為10 mm。使用該堵漏劑與剛性堵漏劑、彈性封堵劑復配，可有效解決油基鉆井液漏失問題，對1～3 mm裂隙具有好的封堵效果，形成了油基鉆井液隨鉆防漏堵漏技術，并在果勒303H井進行了現場應用，效果良好，成功解決了果勒303H井的漏失難題，恢復了正常鉆進。

隨鉆堵漏材料；改性礦物纖維；油基鉆井液；應用

隨著油氣資源勘探開發范圍的擴大，鉆探難度逐步提升，對鉆井液技術提出了更高的要求，與水基鉆井液相比，油基鉆井液抑制性強，潤滑性好，得到了越來越廣泛的應用[1-3]。但是油基鉆井液漏失問題較為突出，且其成本昂貴，一旦發生漏失，將造成巨大經濟損失。國內外學者研究發現，由天然或者誘導裂縫引起的漏失問題占比高達90%，而油基鉆井液通過孔隙或微裂隙滲入地層后，其組分中的表面活性物質會降低巖石強度，繼而產生誘導裂縫，進一步擴大漏失規模[4-7]。目前，針對油基鉆井液漏失問題，缺乏高效的防漏堵漏及時措施，解決油基鉆井液漏失問題已經成為眾多學者的研究重點。但常規隨鉆堵漏材料在油基鉆井液中分散性差，配伍性差，難以形成高質量泥餅，長時間循環甚至會影響油基鉆井液性能，增加堵漏難度[8]。從防漏堵漏的角度出發，開發了一種改性礦物纖維材料PSIFIBER，并在油基鉆井液中對其進行了性能評價，結果表明PSIFIBER配伍性好，耐高溫，封堵效果好，能夠解決油基鉆井液滲透性與裂縫性漏失問題。該隨鉆防漏堵漏材料在果勒303H井取得了良好的應用效果，解決了果勒303H井的漏失難題，恢復了正常鉆進，可在油基鉆井液防漏堵漏方面進行推廣應用。

1 PSIFIBER的制備與特點

通過電加熱的方式將天然礦物原料加熱至熔融狀態，經過不同的成纖方式形成礦物纖維材料。向盛有乙醇的三口燒瓶中加入一定比例的去離子水、氨水與以制備的纖維材料，攪拌混合均勻。在勻速攪拌狀態下，使用恒壓漏斗將硅氧烷類改性劑緩慢滴加到混合溶液中，恒溫加熱至45 ℃，充分反應一段時間。取丙烯酸類試劑按適當比例加入乙醇中，并緩慢滴加至反應溶液中，55 ℃恒溫充分反應，取出纖維材料烘干，得到隨鉆堵漏材料PSIFIBER。

PSIFIBER纖維堵漏材料具有以下性能特點：

1）分散性好。經過表面改性的PSIFIBER纖維堵漏材料能夠在油基鉆井液中良好的分散，不會出現沉淀聚集現象，表現出優異的封堵效果。

2）抗拉強度高，韌性強。PSIFIBER纖維堵漏材料具備良好的抗拉強度與韌性，不易斷裂，“拉筋”作用強，與顆粒材料復配可形成高強度致密封堵層。

3）配伍性好。PSIFIBER纖維堵漏材料對油基鉆井液性能影響小，加入PSIFIBER纖維堵漏材料的油基鉆井液體系流變性、電穩定性基本無變化。

4）抗溫性能優異。PSIFIBER纖維堵漏材料由天然礦物熔融后成纖制得，具有優異的耐溫性能，200 ℃老化后仍具備良好的封堵效果。

2 性能評價

2.1 成分分析

經過化學分析，PSIFIBER纖維堵漏材料的主要成分為SiO2，含量約為54%～57%，SiO2形成的骨架結構使PSIFIBER纖維機械強度優異；Al2O3含量約為40%～43%，提高PSIFIBER纖維的耐溫性能；其余成分為CaO、MgO、ZrO2等氧化物。

2.2 封堵評價

研發制備過程中，通過不同的機械工藝，形成了3種不同規格的PSIFIBER纖維堵漏材料，具體參數如表1所示，對3中纖維進行了封堵性能進行了評價。 通過前期實驗優選，形成了一套油基鉆井液封堵實驗配方A：柴油+3%主乳化劑+1%乳化劑+1%潤濕劑+4%降濾失劑+2%有機土+2%CaO+重晶石（鉆井液密度加重到1.6 g·cm-3），油水質量比80∶20（柴油∶25%CaCl2水溶液）。

表1 不同規格PSIFIBER纖維參數

分別將3種不同的PSIFIBER纖維堵漏材料以3%的比例加入上述油基鉆井液體系A中，120 ℃老化16 h后利用無滲透濾失儀進行砂床侵入實驗，實驗中使用20～40目（830～380 μm）石英砂，結果如表2。分析結果可知，在0.69 MPa的壓力下，老化后體系A 30 min砂床侵入深度為130 mm，而加入3種不同型號PSIFIBER纖維堵漏材料的鉆井液體系最終侵入深度分別為10、18、12 mm，說明PSIFIBER纖維堵漏材料具有優異的封堵效果，可有效減少滲透性濾失。由于加入PSIFIBER-1時最終侵入深度最小，后續實驗選取PSIFIBER-1進行。

表2 不同規格PSIFIBER纖維封堵評價

2.3 配伍性評價

隨鉆堵漏材料與鉆井液體系配伍性差，不僅無法達到防漏堵漏的目的，還會嚴重影響鉆井液性能，增加其他井下復雜情況發生的風險。在油基鉆井液體系A中加入3% PSIFIBER-1形成配方B，120 ℃老化16 h后，測定鉆井液體系各項性能，以評價PSIFIBER纖維堵漏材料與油基鉆井液的配伍性，結果如表3所示。

表3 PSIFIBER-1配伍性實驗

由表3可知，加入PSIFIBER-1對油基鉆井液體系流變性影響很小，破乳電壓值略有降低，同時能夠有效降低鉆井液高溫高壓濾失量，說明PSIFIBER纖維堵漏材料與油基鉆井液體系配伍性良好，可形成致密的泥餅，表現出優異的降濾失效果。

2.4 分散性評價

若堵漏材料無法在油基鉆井液中良好分散，將對堵漏效果以及鉆井液性能造成嚴重影響，同時堵漏材料沉淀聚集也會增加儀器堵塞、卡鉆等復雜情況的風險。取10 g 樣品加入100 mL柴油中，充分攪拌后倒入量筒中，定時測量量筒上部樣品沉降高度，以評價其在柴油中的分散性能，結果見表3。由表4可知，常規纖維堵漏材料在柴油中分散性極差，6 h后基本完全沉降，堆積在量筒底部，而PSIFIBER-1在柴油中能夠良好分散，12 h沉降量僅為8 mm，分散性能遠優于常規纖維堵漏材料。

表4 堵漏材料在柴油中的分散性實驗

2.5 抗溫性能評價

常規果殼類、植物纖維類隨鉆堵漏材料抗溫性能差，在深井高溫環境下容易碳化，強度降低，失去封堵能力。在油基鉆井液體系A中加入3% PSIFIBER-1，分別在120、140、160、180、200 ℃下老化16 h后，進行砂床實驗，測量鉆井液侵入深度，結果如表5所示，體系A在160 ℃下老化16 h后，30 min砂床侵入量已經超過200 mm，而加入PSIFIBER-1后，200 ℃下老化16 h后30 min砂床侵入量僅為24 mm，說明PSIFIBER纖維堵漏材料抗溫性能優異，在高溫下仍具備良好的封堵效果，非常適合用于高溫深井的防漏堵漏應用。

表5 PSIFIBER抗溫性能評價

3 油基鉆井液強封堵體系的構建

大量室內研究與實際應用均已證實：在隨鉆堵漏作業過程中單一類型堵漏材料常常難以達到理想的效果，需將多種類型材料進行復配使用。不同的堵漏材料之間存在著顯著的協同作用，顆粒之間相互結合，形成致密穩定的封堵層，能夠有效減少漏失，并提高漏失地層承壓能力[9-10]。其中，剛性顆粒在裂隙中與其尺寸相匹配的位置架橋，充當封堵層骨架；彈性變形材料在壓力作用下產生形變進入封堵層骨架，膨脹后進一步充填骨架；纖維材料具有極強的“拉筋”作用，與剛性顆粒、彈性變形材料協同作用，形成致密的高強度封堵網絡，達到堵漏的目的[11-12]。碳酸鈣顆粒來源廣泛，價格低廉，且能夠酸溶解堵，是堵漏作業常用的剛性架橋顆粒；彈性石墨是一種新型石墨材料，耐高溫，高彈性，具有良好的壓縮率和回復率。選用上述兩種隨鉆堵漏材料與PSIFIBER纖維堵漏材料進行復配，構建了油基鉆井液強封堵體系配方。利用QD-A型堵漏材料試驗儀評價了配方針對不同寬度裂隙的封堵效果，實驗結果如表5所示，具體配方如下：

配方1：油基鉆井液體系A+3% 剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+4% PSIFIBER-1+2%彈性石墨

配方2：油基鉆井液體系A +3%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（120～150目）（120～106 μm）+6% PSIFIBER-1 +2%彈性石墨

配方3：油基鉆井液體系A +2%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（120～150目）（120～106 μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+6% PSIFIBER-1 +4%彈性石墨由表5可知，配方1、配方2、配方3能夠有效封堵1～3 mm寬度的裂隙，構架了強封堵油基鉆井液體系，應用過程中可根據實際情況合理調整各隨鉆堵漏材料的加量。

表6 不同寬度裂縫封堵效果

4 現場應用

4.1 果勒303H井漏失概況

果勒303H井位于新疆沙雅縣蓋孜庫木鄉境內，是位于塔里木盆地北部坳陷阿滿過渡帶中部的一口評價井，位于果勒區塊F15斷裂帶。該井三開采用油基鉆井液鉆進，從5 795.47 m鉆進至6 903 m期間，在志留系以及奧陶系桑塔木組多次發生漏失，現場采用常規隨鉆堵漏材料進行隨鉆堵漏61次，承壓堵漏4次，效果均不佳，累計漏失油基鉆井液超過1 100 m3，造成巨大的經濟損失，且常規堵漏材料在油基鉆井液中分散性差，容易聚集，造成定向儀器封堵，無法傳輸信號，嚴重影響正常鉆進施工。

4.2 果勒303H井堵漏難點與堵漏措施

結合前期堵漏施工作業，分析認為果勒303H井主要存在以下堵漏施工難點：

1）常規堵漏材料與現場油基鉆井液配伍性差，常規堵漏材料多在水基鉆井液中使用，在油基鉆井液中封堵效果差，長時間循環過后甚至會影響油基鉆井液性能，造成更為嚴重的復雜情況。

2）漏失地層對于壓力敏感，同時裂隙網絡發育，裂隙尺寸較小，對堵漏材料粒徑選擇要求高：粒徑選擇過大造成“封門”現象，堵漏材料難以進去地層；粒徑選擇過小，壓力波動時裂隙張開變大，造成堵漏材料流失。

3）地層承壓能力低，在承壓堵漏過程中極易出現人工“造縫”現象，誘發更多更深的裂縫，給堵漏施工帶來更大的困難。

4）漏失井段長，從5 795.47 m鉆進至6 903 m井下一直存在漏失，關鍵漏點難以判斷，漏失井段長達1 107.53 m，裸眼井段容積達51 m3，堵漏漿配方優化選擇難度大。

鑒于果勒303H井存在上述堵漏難點，堵漏措施以隨鉆堵漏為主，避免承壓堵漏，以免壓裂地層，造成更大的漏失。現場配置儲備足夠量的隨鉆堵漏漿，發生漏失時以段塞堵漏漿的形式泵入井中，達到堵漏目的。為防止堵漏材料在鉆井液循環過程中被振動篩篩除，應根據現場實際工況合理調整振動篩篩網目數。鉆進過程中堅持防漏為主的理念，根據實際情況定時補充混入堵漏漿。

4.2 應用效果

果勒303H井在篩除前期隨鉆堵漏材料后，更換定向儀器與鉆具組合，下鉆至井底6 903 m，循環將鉆井液密度從1.32 g·cm-3逐步下調至1.30 g·cm-3，未見漏失。2020年9月29日，鉆進至6 914.35 m時發生漏失，排量25 L·s-1，漏速約為5 m3·h-1，降低排量至20 L·s-1，漏速約1.8 m3·h-1。根據前期堵漏經驗與實際井況，采用段塞堵漏漿配方為：井漿+2%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+6%PSIFIBER-1+3%彈性石墨，共計泵入100 m3，段塞堵漏漿返出水眼后，逐步提升排量至23 L·s-1，無漏失，堵漏成功。現場取樣測定井漿與段塞堵漏漿性能，結果如表6所示，可見加入隨鉆堵漏材料后，鉆井液體系黏度切力有所增大，破乳電壓值略有降低，但仍在400 V以上，說明使用的隨鉆堵漏材料與現場井漿配伍性良好。經過堵漏施工，果勒303H井恢復了正常鉆進，鉆進至6 918 m過程中，逐步提升排量至24.6 L·s-1，未發生漏失，定向儀器鉆進過程中工作正常。

表7 井漿與堵漏漿性能對比

2020年10月5日，果勒303H井下鉆至7 185 m，循環鉆井液過程中發生漏失，排量25 L·s-1時漏速最大10.2 m3·h-1，降低排量至20 L·s-1，漏速仍為10.2 m3·h-1，再次降低排量至15 L·s-1，漏速為1.2 m3·h-1。現場迅速采取措施，采用堵漏配方：井漿+2%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（120～150 目）（120～106 μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+6% PSIFIBER-1+4%彈性石墨，共計泵入段塞堵漏漿30 m3，段塞堵漏漿返出水眼進入環空上返后，漏速逐漸下降至0.6 m3·h-1，逐步緩慢提升排量至21 L·s-1，無漏失，堵漏成功。

堅持防漏為主的理念，PSIFIBER纖維堵漏材料與剛性顆粒、彈性材料復配形成的隨鉆堵漏體系在果勒303H井進行了應用，表現出優異的封堵效果，成功解決了該井的漏失難題。果勒303H井三開井段后續鉆進過程中鉆井順利，無重大惡性漏失問題。

5 結 論

1）研發制備了一種改性礦物纖維隨鉆堵漏材料PSIFIBER，并對其進行了性能評價，結果表明：PSIFIBER纖維堵漏材料纖維直徑與粒徑分布合理，在油基鉆井液中分散性好，抗200 ℃高溫；配伍性好，對油基鉆井液體系性能影響小；封堵效果強，30 min砂床侵入深度為10 mm。

2）使用PSIFIBER纖維堵漏材料與剛性架橋顆粒、彈性變形顆粒復配，構建了強封堵油基鉆井液體系，縫板實驗表明，該體系能夠有效封堵1～3 mm裂隙，可解決油基鉆井液裂縫性漏失問題。

3）PSIFIBER纖維堵漏材料在果勒303H井進行了現場應用，取得的良好的應用效果，解決了果勒303H井長期存在的漏失難題，恢復了正常鉆進，降低了經濟損失。PSIFIBER纖維堵漏材料有望在類似油基鉆井液的防漏堵漏作業中推廣應用。

［1］王中華. 國內外油基鉆井液研究與應用進展[J]. 斷塊油氣田, 2011, 18(4): 533-537.

［2］王中華. 國內外超高溫高密度鉆井液技術現狀與發展趨勢[J]. 石油鉆探技術, 2011, 39(2): 1-7.

［3］海衛國，于培志.油基鉆井液在陽101H3-8井中的應用[J].遼寧化工,2020,49(10): 1293-1296.

［4］劉均一, 邱正松, 羅洋, 等. 油基鉆井液隨鉆防漏技術實驗研究[J]. 鉆井液與完井液, 2015 (5): 10-14.

［5］BENAISSA S, BACHELOT A, RICAUD J, et al. Preventingdifferential sticking and mud losses drilling through highly depleted sands fluids and geomechanics approach[C]//SPE 92266, 2005.

［6］DUPRIEST F E. Fracture closure stress（ FCS） and lost returns practices[C] //SPE 92192, 2005.

［7］ADERIBIGBE A A, LANE R H. Rock/fluid chemistry impacts on shale fracture behavior[C] //SPE 164102, 2013.

［8］江瑞晶. 一種高性能油基鉆井液用隨鉆堵漏劑的開發及應用[J]. 能源化工, 2019, 40(3): 47-50.

［9］許明標, 趙明琨, 侯珊珊, 等. 油基橋架堵漏劑的研究與應用[J]. 斷塊油氣田, 2018, 25(6): 799-802.

［10］梁文利. 深層頁巖氣油基鉆井液承壓堵漏技術[J]. 鉆井液與完井液, 2018, 35(3): 37-41.

［11］王先兵, 陳大鈞, 蔣寬, 等. 新型防漏堵漏劑TFD與油氣層保護技術[J]. 鉆井液與完井液, 2011 (1)：20-23.

［12］舒曼, 趙明琨, 許明標. 涪陵頁巖氣田油基鉆井液隨鉆堵漏技術[J]. 石油鉆探技術, 2017, 45 (3): 21-26.

Study and Application of Lost Circulation MaterialWhile Drilling for Oil Based Drilling Fluid

,*

（School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083,China）

In order to solve the problem of lost circulation for oil-based drilling fluid, a modified mineral fiber lost circulation material (LCM) PSIFIBER was developed, and its performance was evaluated. The experimental results showed that the PSIFIBER LCM had good dispersibility and compatibility in oil-based drilling fluid and had little influence on oil-based drilling fluid performance. The PSIFIBER LCM had good temperature resistance and strong plugging effect, and penetrated into a sand bed for 11mm. The combination of PSIFIBER LCM, rigid plugging agent and elastic plugging agent can effectively solve the problem of drilling fluid loss, and has a good sealing effect on the fractures of 1 ～3 mm. The oil-based drilling fluid lost circulation prevention and plugging technology while drilling was formed, and it has been applied in Guole 303H well with good effect. The lost circulation problem of Guole 303H well has been successfully solved and normal drilling has been resumed.

Lost circulation material; Modified mineral fiber; Oil-based drilling fluid; Application

國家自然科學基金面上項目，繩索取心鉆桿內壁結垢機理與控制方法（項目編號：41772388）。

2021-04-14

劉瑞（1997-），男，碩士在讀，山東棗莊人，研究方向：鉆井液工藝及堵漏技術。

于培志（1962-），男，教授，博士。

TE1; TE3

A

1004-0935（2021）06-0784-05