新型鉆井液成膜劑的研制及其在埕海油田的應(yīng)用

張 朔，蔣官澄，郭海濤，湯新國，金海鋒

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油大港油田分公司，天津300289）

埕海油田位于大港油田南部埕寧隆起向歧口凹陷過渡的斜坡部位，面積約300km2。該油田主要開發(fā)層系有Nm、Ng、Es，已探明石油地質(zhì)儲量10×108t，含油面積60.71km2。其中沙河街組儲層為中低孔、低滲儲層，非均質(zhì)性強(qiáng)，易發(fā)生敏感性損害，當(dāng)外來流體進(jìn)入孔道會造成水化膨脹，將對儲層造成嚴(yán)重傷害[1-5］。儲層孔隙類型以粒間孔和次生孔為主，黏土礦物多分布在粒間和粒表，微細(xì)孔道較多，這都是儲層保護(hù)的不利因素。鉆井液成膜降濾失劑可以在井壁上形成一層致密的隔離膜，有效防止黏土礦物水化膨脹對儲層造成的傷害[6-14］。為了更好地保護(hù)儲層，合成了新型儲層保護(hù)材料——鉆井液成膜劑LCM-8，在鉆井液中加入LCM-8，能夠在井壁上形成一層韌性強(qiáng)、滲透性極低的封堵帶，最大限度地阻止鉆井液中的固相和濾液侵入地層，達(dá)到保護(hù)油氣層的目的。

1 鉆井液成膜劑LCM-8的合成

將親油性苯乙烯單體、親水性丙烯酸丁酯單體、乳化劑2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸鈉水溶液和過硫酸銨加入有轉(zhuǎn)子的容器中密封，在常溫下乳化形成乳化液，抽真空后，加入實驗室自制的配體，在80～90℃油浴內(nèi)加熱攪拌6～8h，即可制得具有兩親結(jié)構(gòu)的共聚物L(fēng)CM-8。

2 成膜性能評價與作用機(jī)理分析

2.1 成膜性分析

LCM-8的粒度中值0.31μm、體積平均粒徑0.33μm、面積平均粒徑0.27μm。將砂石置于3.0%LCM-8溶液樣品中，放置24h，然后取出自然晾干后，用XL30型掃描電子顯微鏡（SEM）拍攝成膜形狀，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，LCM-8在砂石表面形成了一層致密的膜狀物。LCM-8側(cè)鏈功能基團(tuán)通過共價鍵與砂石表面上的硅羥基進(jìn)行鍵合作用，從而將二氧化硅與聚合物分子連接起來。

圖1 LCM-8在砂石表面成膜掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 Stereoscan photograph of LCM-8film on the surface of sand

2.2 作用機(jī)理分析

合成LCM-8時采用了乳化劑和水溶性的引發(fā)劑過硫酸銨，使親油性鏈與親水性鏈通過共價鍵鏈接在一起形成膠粒狀聚合物。在鉆井過程中，膠粒狀聚合物可以通過形變實現(xiàn)對井壁的初步封堵，同時膠粒表面帶有長鏈結(jié)構(gòu)的親水基團(tuán)在鉆壓作用下，通過卷曲纏繞形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過鉆井液中的顆粒填充修補(bǔ)形成更致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在溫度和壓差的作用下可迅速形成韌性較強(qiáng)的隔離膜。

3 鉆井液設(shè)計與儲層保護(hù)效果評價

為評價鉆井液成膜劑LCM-8的儲層保護(hù)效果，并對LCM-8的加量進(jìn)行了優(yōu)選，試驗選用埕海油田30-26L井上部有機(jī)鹽鉆井液作為基漿，其配方為：0.3%Na2CO3＋0.2%～0.3%高分子包被劑＋1.0%～4.0%增黏劑＋1.0%～2.0%降濾失劑＋3.0%～4.0%防塌劑＋3.0%潤滑防塌劑＋10.0%有機(jī)鹽。分別在基漿中加入不同種類和不同量的儲層保護(hù)材料，設(shè)計了13種鉆井液配方：

配方1為基漿＋1.0%成膜劑CMJ-2；

配方2為基漿＋1.0%廣譜“油膜”暫堵劑GPJ；

配方3為基漿＋1.0%成膜劑LCM-8；

配方4為基漿＋2.0%成膜劑CMJ-2；

配方5為基漿＋2.0%廣譜“油膜”暫堵劑GPJ；

配方6為基漿＋2.0%成膜劑LCM-8；

配方7為基漿＋2.5%成膜劑CMJ-2；

配方8為基漿＋2.5%廣譜“油膜”暫堵劑GPJ；

配方9為基漿＋2.5%成膜劑LCM-8；

配方10為基漿＋3.0%成膜劑CMJ-2；

配方11為基漿＋3.0%廣譜“油膜”暫堵劑GPJ；

配方12為基漿＋3.0%成膜劑LCM-8；

配方13為基漿＋4.0%成膜劑LCM-8。

表1為基漿和13種配方鉆井液的基本性能。從表1可以看出：基漿加入成膜劑后對其流變性影響不大，各配方的動塑比都比較高，能夠滿足現(xiàn)場施工對鉆井液攜巖性能的要求；與其他成膜劑相比，在同一加量下，基漿加入LCM-8后的API濾失量和高溫高壓濾失量明顯低于加入其他成膜材料，這表明LCM-8的成膜能力更好，具有更強(qiáng)的封堵能力。

表1 鉆井液基本性能Table 1 Basic performance of drilling fluids

3.1 封堵率和滲透率恢復(fù)率評價

采用人造巖心（滲透率60～80mD）和JHMD-Ⅱ高溫高壓動態(tài)損害評價儀，在污染壓差3.5MPa、污染溫度80℃、污染時間12h條件下，分別對各種配方鉆井液進(jìn)行了動態(tài)污染評價，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 各配方鉆井液的封堵率Fig.2 Plugging rates of drilling fluids with different formulas

從圖2可知：與基漿相比，采用屏蔽暫堵技術(shù)后，封堵率有明顯提高，即對污染端造成較嚴(yán)重的堵塞；加入成膜劑LCM-8比加入廣譜“油膜”暫堵劑GPJ和CMJ-2造成的堵塞程度更高；當(dāng)LCM-8加量達(dá)到3%時，封堵率達(dá)到98%以上，而當(dāng)其加量大于3%時封堵率增加幅度不大。因此，當(dāng)LCM-8加量為3%時，污染端的滲透率已經(jīng)降至很低，可避免鉆井液濾液進(jìn)一步侵入儲層內(nèi)部。

圖3 各配方鉆井液的滲透率恢復(fù)率Fig.3 Recovery rate of permeability of drilling fluids with different formulas

圖3為各配方鉆井液污染巖心污染端切除4～6mm后，各巖樣的滲透率恢復(fù)率。由圖3可看出，污染端切除4～6mm后，配方12和配方13鉆井液污染巖心的滲透率恢復(fù)率最高。這表明加入LCM-8確實可在污染端形成一個滲透率極低的屏蔽環(huán)，從而充分阻止鉆井液中的固相顆粒和濾液進(jìn)入儲層，達(dá)到保護(hù)儲層的目的。從圖3還可看出，當(dāng)LCM-8加量為3%時的滲透率恢復(fù)率大于90%，而其加量超過3%的滲透率恢復(fù)率幾乎變化不大。因此，結(jié)合封堵率評價結(jié)果，在基漿中加入3%LCM-8（即配方12）作為建立屏蔽暫堵的最優(yōu)配方。

3.2 抗壓性能

由以上分析可知，LCM-8的最佳加量為3%，因此，僅需對配方12進(jìn)行成膜鉆井液抗壓性能測試，結(jié)果見表2。由表2可看出，加入LCM-8能夠?qū)Σ煌瑵B透率的巖心形成有效的屏蔽，當(dāng)滲透率超過60 mD時，壓差達(dá)到3.0MPa以上時，巖心滲透率有了較大的增加，屏蔽逐漸被破壞。埕海油田主力儲層沙河街組地層平均滲透率為31.87mD，建議在實際鉆井中，井底與地層的壓差不超過3.0MPa。

表2 屏蔽巖心在不同壓差下的滲透率Table 2 Permeability under different pressures

3.3 不同孔喉直徑條件下的滲透率恢復(fù)率

采用配方12的鉆井液，用不同滲透率的巖心（2～138mD）進(jìn)行封堵率和滲透率恢復(fù)率測試，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，不同孔喉直徑下的封堵率和滲透率恢復(fù)率都大于90%，埕海油田沙河街組儲層的滲透率一般小于100mD，表明上部井漿加入3%LCM-8后能夠滿足儲層保護(hù)的需要。

圖4 封堵率與滲透率恢復(fù)率Fig.4 Plugging rate and recovery rate

3.4 返排解堵效果評價

選取被配方10、配方11和配方12鉆井液污染過的巖樣，測定其在不同返排壓力下（0.05～0.19MPa）的反向油相滲透率，然后計算在不同返排壓力下的滲透率恢復(fù)率，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出：隨著返排壓力的增大，滲透率恢復(fù)率增大，解除屏蔽堵塞的效果也更好；在相同返排壓力下，采用LCM-8作為暫堵劑時的巖心滲透率恢復(fù)率大于其他同類型暫堵劑的滲透率恢復(fù)率；返排壓力達(dá)到0.19MPa時，配方12鉆井液的滲透率恢復(fù)率大于90%。在實際生產(chǎn)中，地下油氣流至井眼內(nèi)的流動壓力一般會大于試驗中的返排壓力，因此解除LCM-8的堵塞是完全可能的。此外也可通過射孔解堵。

圖5 返排效果評價Fig.5 Flowback effect evaluation

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

埕海油田在張海33-22井和張海28-32井應(yīng)用了優(yōu)選的成膜鉆井液。當(dāng)鉆至油層頂部時，在上部鉆井液中加入3%LCM-8，將其轉(zhuǎn)化為成膜鉆井液，轉(zhuǎn)化后的鉆井液流變性能、pH值等均無明顯變化。在鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格控制鉆井液密度處于設(shè)計中限至高限之間。與同區(qū)塊采取常規(guī)屏蔽技術(shù)的張海34-17井和張海28-33井相比，張海33-22井和張海28-32井的表皮系數(shù)有較大程度的降低，儲層得到有效保護(hù)（見表3）。說明鉆井液中加入成膜劑LCM-8能夠滿足埕海油田鉆井過程中儲層保護(hù)的需要，建議推廣使用。

表3 成膜鉆井液與常規(guī)暫堵技術(shù)實際效果對比Table 3 Comparison of the results of filming drilling fluid and conventional temporary plugging agent

5 結(jié)論與建議

1）鉆井液成膜劑LCM-8與目前油田常用的鉆井液成膜劑相比，具有更好的成膜性能和降濾失效果。

2）在埕海油田2口井的現(xiàn)場應(yīng)用表明，鉆井液成膜劑LCM-8能有效保護(hù)該油田的儲層。

3）與國內(nèi)油田常用鉆井液成膜劑相比，成膜劑LCM-8性能得到一定的改善，但跟國外鉆井液成膜劑相比其成膜效率仍有較大的差距。建議研制在地面配制鉆井液時加入成膜單體、在地下發(fā)生化學(xué)聚合的成膜劑，以提高成膜效率。

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