新型堵漏材料的研制及性能評價

程鵬至，易偲文，梅林德，操晶

（成都得道實(shí)業(yè)有限公司，成都610041）

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新型堵漏材料的研制及性能評價

程鵬至，易偲文，梅林德，操晶

（成都得道實(shí)業(yè)有限公司，成都610041）

程鵬至等.新型堵漏材料的研制及性能評價[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：51-55.

摘要傳統(tǒng)堵漏材料存在一定的“缺陷”，比如礦物顆粒密度過大且脆性太強(qiáng)，配漿易沉降且在架橋成功后會因裂縫閉合而崩解破碎，植物顆粒密度過小配漿易漂浮，經(jīng)高溫高壓“水煮”后會變軟，貝殼片、云母片脆性太強(qiáng)、不易變形而容易造成“封門”。它們復(fù)配堵漏成功后，在后期作業(yè)中，易失效并發(fā)生復(fù)漏。為解決傳統(tǒng)堵漏材料存在的缺陷，通過特殊制備工藝，研制了LCC系列堵漏材料。該材料中LCC100密度在1.30～2.30 g/cm3之間可調(diào)，在25 MPa承壓破碎率小于10%，在pH值為12的NaOH溶液中，150 ℃下熱滾48 h，強(qiáng)度無明顯變化，具有良好的耐壓、耐溫、耐堿性能；LCC200剛?cè)嵯酀?jì)；LCC300可在壓差作用下以變形的方式深入裂縫封堵，提高封堵強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LCC對孔隙型和裂縫型漏失都有較好的封堵效果；LCC在API堵漏儀鋼珠床中形成的封堵層可承受7 MPa的壓力而不被壓穿。以水基或油基鉆井液為基液配制的LCC堵漏漿，在高溫高壓堵漏儀中150 ℃下封堵楔形裂縫時可承受20 MPa的壓力而不崩漏，并最終可穩(wěn)壓在19.8 MPa以上。

關(guān)鍵詞井漏；堵漏材料LCC；剛性顆粒；合金纖維；柔性碎片；承壓堵漏

1　LCC的性能特點(diǎn)

LCC系列堵漏材料包含有機(jī)高分子剛性顆粒LCC100、有機(jī)高分子合金纖維LCC200和有機(jī)高分子柔性碎片LCC300，見圖1。通常3種材料復(fù)配使用，堵漏效果更好。

圖1　LCC系列堵漏材料

1.1剛性顆粒LCC100

LCC100以酰基、氨基、醛基等有機(jī)單體和氟化物為主要原料，經(jīng)過高溫高壓化學(xué)合成并造粒而成。該產(chǎn)品可根據(jù)現(xiàn)場需要改變工藝，使產(chǎn)品的密度在1.30～2.30 g/cm3之間可調(diào)，顆粒大小常用規(guī)格有3.20～5.27 mm、2.80～3.20 mm、2.00～2.80 mm、1.25～2.00 mm、0.66～1.25 mm、0.28～0.66 mm，堅硬而不脆，在25 MPa承壓破碎率小于10%，且具有良好的耐溫、耐堿性能，不吸水（油），在水相、油相中均能很好地分散，可與各種類型的鉆井液和固井水泥漿混合使用。

1.2合金纖維LCC200

LCC200是由有機(jī)合成高分子改性纖維、合金纖維及表面活性劑組成，具有交聯(lián)性好、剛?cè)嵯酀?jì)等優(yōu)點(diǎn)，纖維長度為0.3～13 mm。該產(chǎn)品與傳統(tǒng)的纖維產(chǎn)品相比，主要是引入了剛性合金纖維，不但增加了架橋的能力，而且因其密度比柔性纖維大，通常會先進(jìn)入漏層縱橫支撐，有利于截留柔性纖維。

1.3柔性碎片LCC300

LCC300采用柔性高分子材料制成，碎片邊長在0.3～13 mm，具有耐溫、不吸水（油）、柔韌性好等特點(diǎn)，且具有足夠的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的片狀堵漏劑相比，克服了云母、貝殼片等材料密度大且易碎的缺陷，又因其具有很好的柔韌性，在壓差作用下能以折疊變形的方式進(jìn)入裂縫，提高封堵強(qiáng)度。

2　LCC的堵漏作用機(jī)理

LCC100在堵漏過程中卡在漏失通道的“喉道”，起“架橋”作用；LCC200在堵塞中縱橫交錯、相互拉扯，起“拉筋”的作用；LCC300起填塞作用，對微小孔道和地層中的原有小裂縫進(jìn)行嵌入和堵塞，進(jìn)一步消除井漏。3種材料協(xié)同作用，最終達(dá)到完全消除井漏的目的[8-9]。

在單因素敏感性分析中，納入所有可變動的因素，相關(guān)因素對基礎(chǔ)結(jié)果不產(chǎn)生影響，結(jié)果與基線分析結(jié)果一致，ICER的變動范圍仍在可接受的范圍內(nèi)。概率敏感性分析結(jié)果顯示，當(dāng)意愿支付值達(dá)到60 000元時，芪骨膠囊更具有顯著的成本效果優(yōu)勢。因而，本研究認(rèn)為使用芪骨膠囊治療為避免骨折的發(fā)生所需消耗的成本是可以被接受的，尤其對于經(jīng)濟(jì)條件尚可的患者，芪骨膠囊治療可作為優(yōu)選方案。

3　LCC的性能評價

3.1抗壓性能

稱取能過孔徑為1.70 mm篩，但是不能過孔徑為1.00 mm篩的石灰石和LCC100各10 g，放入壓力杯中，撫平。再加入活塞柱，置于壓力機(jī)上，勻速升壓至25 MPa，保持5 min后卸壓，取出試樣，用孔徑為1.25 mm篩篩至無顆粒漏下為止，取篩余物稱量，結(jié)果見表1。石灰石和LCC100承壓前后照片見圖2。

表1　承壓破碎實(shí)驗(yàn)

圖2　石灰石（a，b）和LCC100（c，d）承壓前后的照片

由表1和圖2可知，LCC100的外觀在25 MPa作用下沒有變化，破碎率僅為9.3%。說明LCC100具有較高的抗壓能力。

3.2耐溫耐堿性能

將LCC100及常用顆粒堵漏材料放入pH值為12的NaOH溶液中，在150 ℃下熱滾后，其耐溫、耐堿性能見表2。由表2可知，LCC100具有抗高溫、抗堿能力[10]。

表2　不同堵漏材料的耐溫、耐堿性能 （150 ℃、pH=12）

3.3封堵能力評價

3.3.1孔隙型漏失模擬實(shí)驗(yàn)

1）基漿制備：量取5 000 mL蒸餾水，加入370 g膨潤土、2 g碳酸鈉，攪拌1h，室溫密閉養(yǎng)護(hù)16 h備用。

2）堵漏漿制備：在3 000 mL基漿中，加入不同粒徑的LCC100，共計580 g（3.35～4.75 mm 60 g，2.80～4.00 mm 60 g，1.70～2.80 mm 60 g，1.00～1.70 mm 200 g，0.55～1.00 mm 200 g）、12 g LCC200和12 g LCC300，加入150 g隨鉆堵漏劑（SDL），攪拌30 min，靜置30 min，再攪5 min。

3）分別稱取14 mm鋼珠400 g、10 mm鋼珠400 g和4 mm鋼珠600 g，將所稱鋼珠放在堵漏裝置的鋼珠床內(nèi)（先小后大），搖勻鋪平后放入堵漏裝置內(nèi)腔中，見圖3。

圖3　堵漏前后的鋼珠床

4）將3 000 mL堵漏漿注入QD-2型堵漏儀中，旋緊罐蓋，連接加壓管線，靜置5 min，打開排放口，打開氣源加壓，先加0.7 MPa，收集堵漏漿濾失量，穩(wěn)定后每間隔2 min增加0.7 MPa壓力，直到增至7 MPa，穩(wěn)壓30 min，讀取總的堵漏漿濾失量。以各個壓力下濾失量、濾失速度、封堵層的承壓狀況以及總的濾失量等數(shù)據(jù)來評價LCC堵漏材料的封堵效果[11]。LCC封堵模擬孔隙型漏失實(shí)驗(yàn)見表3，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后LCC堵漏材料充填于鋼珠床形成的孔洞中的照片見圖3。由表3和圖3可知，隨著壓差的增大，濾失量先增加后減小，說明LCC系列堵漏材料有一個“自找漏”再封堵的過程，且封堵層越來越致密，封堵效果越來越好。

表3　LCC封堵模擬孔隙型漏失實(shí)驗(yàn)

3.3.2裂縫型漏失模擬實(shí)驗(yàn)

采用高溫高壓動態(tài)堵漏儀模擬漏失地層的溫度和堵漏時的壓力，用楔形模塊模擬漏失裂縫，選取油田常用的鉆井液配制堵漏漿。將2.4 L堵漏漿倒入高溫高壓動態(tài)堵漏儀釜體內(nèi)，密封好，加熱至預(yù)設(shè)溫度后，采用間歇加壓的方式將堵漏漿擠入模擬裂縫中。該方法可模擬LCC堵漏劑現(xiàn)場間歇關(guān)擠承壓堵漏的情況，并可考察LCC堵漏劑的堵漏效果及其承壓能力，完成室內(nèi)對LCC系列堵漏材料的結(jié)構(gòu)、配比、耐溫性、耐壓性及對漏失地層的堵漏效果等綜合性能的評價，為防漏堵漏現(xiàn)場施工提供科學(xué)有效的參考[13-16]。

具體實(shí)驗(yàn)方案為：打開放壓閥，首先緩慢加壓至2 MPa，等待升溫至150 ℃后，在此時的壓力基礎(chǔ)上，每次緩慢擠壓2 MPa，直至加壓至20 MPa，在擠壓后的每個壓力點(diǎn)均需候堵10 min（在20 MPa下需候堵60 min），如果候堵期間有掉壓超過2 MPa的情況，在候堵時間結(jié)束時，補(bǔ)壓至原最高候堵壓力，重新候堵10 min，再繼續(xù)進(jìn)行下步實(shí)驗(yàn)，收集堵漏漿的漏失量，并觀察掉壓情況。

1）在水基鉆井液中評價。選取塔里木油田某口井現(xiàn)場用水基鉆井液（性能見表4）作為基液，級配不同粒徑的LCC100，并復(fù)配LCC200、LCC300及SDL（隨鉆堵漏劑）配制成堵漏漿，對長360 mm，寬3→1mm的長楔形裂縫進(jìn)行封堵。具體實(shí)驗(yàn)情況見圖4。從圖4可以看出，掉壓幅度逐漸降低，加壓至20 MPa時無崩漏，候堵60 min，穩(wěn)壓19.98 MPa，總漏失量為111.3 mL，堵漏成功。堵漏漿具體配方為：水基鉆井液+10%LCC100（1.70～2.80 mm）+7%LCC100 （1.00～1.70 mm）+5%LCC100（0.55～1.00 mm）+0.5% LCC200+0.5% LCC300+3%SDL。

圖4　LCC封堵3→1mm楔形裂縫

表4　不同體系鉆井液的基本性能

2）在油基鉆井液中評價。選取塔里木油田某口井現(xiàn)用油基鉆井液作為基液，其性能見表4。級配不同粒徑的LCC100，并復(fù)配LCC200、LCC300 及SDL配制成堵漏漿，對長360 mm，寬8→5 mm的長楔形裂縫進(jìn)行封堵，具體實(shí)驗(yàn)情況見圖5。由圖5可以看出，掉壓幅度逐漸降低，加壓至20 MPa時無崩漏，候堵60 min，穩(wěn)壓19.87 MPa，總漏失量為143 mL，堵漏成功。堵漏漿的配方如下。

堵漏漿：油基鉆井液+3%LCC100（7.90～6.70 mm）+5%LCC100（6.70～4.75 mm）+8%LCC100（3.35～4.75 mm）+5%LCC100（2.80～4.00 mm）+5%LCC100（1.70～2.80 mm）+6% LCC100 （0.55～1.00 mm）+3%LCC100+1.5%LCC200 （0.18～0.55 mm）+0.5%LCC300+4%SDL。

圖5　LCC封堵8→5 mm楔形裂縫

4　結(jié)論

1.LCC100在25 MPa下承壓5 min，其破碎率小于10%，在pH值為12的NaOH溶液中，150℃下熱滾48 h，強(qiáng)度無明顯變化，具有良好的耐壓、耐溫、耐堿性能；LCC200剛?cè)嵯酀?jì)；LCC300可在壓差作用下以變形的方式深入裂縫封堵，提高封堵強(qiáng)度。無論是單項(xiàng)性能，還是綜合封堵能力，LCC均優(yōu)于傳統(tǒng)堵漏材料。

2.在正壓差下，LCC對漏層能夠快速有效地封堵，對于孔隙型和裂縫型漏失都有較好的封堵效果；在API堵漏儀鋼珠床中形成的封堵層可承受7 MPa的壓力而不被壓穿。

3.以水基或油基鉆井液為基液配制的LCC堵漏漿，在高溫高壓堵漏儀中150 ℃下封堵楔形裂縫時可承受20 MPa的壓力而不崩漏，并最終可穩(wěn)壓在19.8 MPa以上。

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The Development and Evaluation of A Set of New Lost Circulation Material

CHENG Pengzhi, YI Caiwen, MEI Linde, CAO Jing
(Chengdu Dedao Industrial Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610094)

AbstractConventional lost circulation materials （LCM） have some “defciencies”，for example，the particles of mineral LCM have too big density and are too brittle，thus it is easy for the particles to settle down in drilling fuids，and to crush when the formation fractures are closing. The particles of plant LCM have densities that are too low for them to mix evenly with drilling fuid，and are always foat at the top of the LCM slurries. These plant LCM become soft at HTHP conditions，no longer suitable for stopping mud losses. Flake LCM，such as seashells and mica，are also too brittle and the mouth of the opening of fractures are easy to be covered by these fake LCM. In subsequent operations，the fakes are eroded away，inducing mud losses to occur again. To solve these problems，a series of new LCM，the LCC series，have been developed using special techniques. In the LCC series，the LCC100 has densities adjustable between 1.30-2.30 g/cm3，and the ratio of particles broken at 25 MPa is less than 10%. After hot rolling in NaOH solution with pH 12，no obvious changes in the strength of the particles have been found，meaning that LCC100 has good pressure resistance，temperature resistance and high pH tolerance. LC200 is an LCM that is both ductile and rigid. LCC300 can make its way into fractures under pressure，strengthening the plugging and sealing of mud loss channels. It has been demonstrated that LCC series are effective in controlling mud losses into fractures and pores； they remain their integrity at a pressure of 7 MPa on API LCM tester. Oil base or water base LCM slurries made with LCC series can stand 20 MPa on HTHP LCM tester （with wedge-shaped fractures） at 150 ℃, without being pierced, and the pressure can be stabilized at 19.8 MPa.

Key wordsLost circulation； LCC series LCM； Rigid particle； Alloy fber； Flexible chip； Control mud losses under pressure

中圖分類號：TE282

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0051-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.010

第一作者簡介：程鵬至，1987年生，畢業(yè)于西南石油大學(xué)并獲碩士學(xué)位，主要從事鉆井液與完井液的研究。E-mail：chengpzhi@cdddsy.com。

收稿日期（2016-02-02；HGF=1601C7；編輯王超）