鉆井用耐剪切堵漏劑DLJ-5的性能

閆　健， 呂海燕， 李轉(zhuǎn)紅

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 長慶油田油氣工藝研究院 低滲透勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)

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鉆井用耐剪切堵漏劑DLJ-5的性能

閆健1， 呂海燕2， 李轉(zhuǎn)紅2

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 長慶油田油氣工藝研究院 低滲透勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)

針對裂縫性地層鉆井過程中，常規(guī)的橋塞堵漏材料堵漏效果不佳或者堵漏后發(fā)生重復(fù)性漏失的難題，通過引入鋰皂石，研制出了一種耐剪切的鉆井液堵漏劑DLJ-5，借助激光粒度分析儀和衍射儀研究了其微觀形貌，并對其吸水膨脹性能、耐剪切性能以及與鉆井液的配伍性進(jìn)行了評價，最后研究了DLJ-5的堵漏性能。結(jié)果表明,研制出的堵漏劑DLJ-5的平均初始粒徑為204.5 μm，內(nèi)部的有機(jī)和無機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了堵漏劑的強(qiáng)度。堵漏劑DLJ-5在50 ℃模擬地層水條件下的膨脹倍數(shù)為35.52，具有很好的耐剪切性能，與長慶油田鉆井液的配伍性好，在高礦化度地層具有一定的堵漏承壓性能。該耐剪切堵漏劑在裂縫性地層的鉆井過程中具有廣泛的應(yīng)用前景。

堵漏劑；鋰皂石；膨脹性能；耐剪切；堵漏性能

裂縫性地層在鉆井過程中的裂縫性漏失問題非常棘手，不僅造成鉆井液的損耗，還影響鉆井進(jìn)度和質(zhì)量，嚴(yán)重情況下易造成卡鉆、井噴或井塌等一系列狀況，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。目前國內(nèi)外針對井漏的問題采取的常用方法就是在鉆井液中加入堵漏劑封堵漏失層[4-5]。常規(guī)的堵漏材料有橋接堵漏材料、高濾失堵漏材料、暫堵材料、無機(jī)膠和化學(xué)堵漏材料等[6-8]。這些常規(guī)的堵漏材料在常規(guī)油藏鉆井堵漏中取得了一定的效果，但是由于堵漏材料的吸水膨脹性以及自身的可變形性較差，使得堵漏劑不易進(jìn)入漏失層，導(dǎo)致封堵強(qiáng)度較低，特別是在漏失嚴(yán)重的裂縫性地層，常規(guī)的堵漏材料在波動、抽吸壓力等外力作用下易被返排，造成堵漏效果不佳或者重復(fù)漏失。凝膠顆粒類堵漏劑作為一種新型的功能高分子材料，它是一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子合成樹脂，具有很強(qiáng)的吸水膨脹性能，耐溫耐鹽性以及穩(wěn)定性較好，在一定壓力下，易進(jìn)入裂縫產(chǎn)生堵塞，并發(fā)生滯留，堵漏劑繼續(xù)膨脹，增強(qiáng)了堵漏效果，填充作用提高了漏失層的強(qiáng)度[9-12]。該種類型的堵漏劑與常規(guī)堵漏材料相比，用量少、效果好、施工工藝簡單，對于裂縫性地層的裂縫性漏失適應(yīng)性強(qiáng)[13]。但是在裂縫性地層的堵漏過程中，凝膠顆粒吸水膨脹后易發(fā)生剪切破碎，降低了其堵漏效果，變形性好的耐剪切堵漏劑成為國內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文通過引入鋰皂石研制了一種適應(yīng)于裂縫性油藏的高強(qiáng)度的耐剪切的堵漏劑DLJ-5，在對堵漏劑DLJ-5的吸水膨脹性能和耐剪切性能研究的基礎(chǔ)上，評價了其與鉆井液的配伍性，最后借助高溫高壓失水儀砂床實(shí)驗(yàn)評價了DLJ-5的堵漏承壓性能。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

堵漏劑DLJ-5，實(shí)驗(yàn)室自制；鋰皂石，南京海明斯新材料科技有限公司；膨潤土，長慶油田提供；實(shí)驗(yàn)用地層水為長慶油田模擬地層水，總礦化度67 458.5 mg/L。

主要儀器：PL4002-IC電子天平，梅特勒托利多儀器(上海)有限公司；FD53恒溫箱，德國賓得公司；Rise-2006激光粒度分析儀，濟(jì)南潤之科技有限公司；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島得順電子機(jī)械有限公司；7012S型攪拌器，Warning公司；DMX-IIIC型衍射儀，日本理學(xué)電機(jī)公司；高溫高壓失水儀，青島得順電子機(jī)械有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1粒度及微觀特征利用Rise-2006激光粒度分析儀，以無水乙醇為工作介質(zhì)，分析鉆井液堵漏劑DLJ-5干顆粒的粒徑分布；利用DMX-IIIC型衍射儀，在FeKa、電壓為35 kV、電流為20 mA的條件下分析鉆井液堵漏劑DLJ-5和鋰皂石的XRD圖譜。

1.2.2膨脹性能利用稱重法評價堵漏劑DLJ-5的膨脹性能。準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m0的鉆井液堵漏劑DLJ-5，放入250 mL燒杯中，然后分別加入適量地層水、在溫度為50 ℃時，每間隔一定時間測定吸水后堵漏劑DLJ-5的質(zhì)量mt，由式(1)計(jì)算出鉆井液堵漏劑DLJ-5的膨脹倍數(shù)：

(1)

式中：m0為堵漏劑DLJ-5干顆粒的質(zhì)量，g；mt為堵漏劑DLJ-5在不同時間段內(nèi)吸水膨脹后的質(zhì)量，g。

1.2.3耐剪切性能在模擬地層水中配制兩組質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的堵漏劑分散體系，在溫度為50 ℃，利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在6 r/min剪切速率下測定分散體系的表觀黏度ηo。分別用攪拌器在200 r/min和2 000 r/min的剪切速率下對分散體系連續(xù)剪切120 s后，每隔10 min，在溫度為50 ℃，6 r/min剪切速率下測定堵漏劑分散體系的表觀黏度ηt，直至分散體系黏度變化不大，利用式(2)計(jì)算出分散體系的表觀黏度保留率：

(2)

1.2.4配伍性在長慶油田鉆井液基漿中加入一定質(zhì)量的鉆井液堵漏劑DLJ-5，勻速攪拌4 h，靜置24 h后，再次勻速攪拌4 h，在溫度為50 ℃下，利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量含有堵漏劑DLJ-5的鉆井液的性能。

1.2.5堵漏性能選用直徑為50 mm，高為200 mm的不銹鋼筒作為模具，向鋼筒中加入定量的河砂，利用高溫高壓失水儀砂床來模擬裂縫性漏失層。利用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堵漏劑DLJ-5和鉆井液混合液進(jìn)行堵漏實(shí)驗(yàn)，施加一定的壓力，測試25 min內(nèi)的鉆井液漏失量的變化。如果在該壓力下，堵漏劑DLJ-5的堵漏效果較好，則繼續(xù)升壓，不斷測試漏失量，直至堵漏劑失效。

2　結(jié)果與討論

2.1外觀描述

圖1為堵漏劑DLJ-5干顆粒的粒徑分布曲線。

圖1　鉆井液堵漏劑DLJ-5干顆粒的粒徑分布曲線

Fig.1The Particle size distribution curve of dry sealing agent DLJ-5

從圖1中可以看出，堵漏劑的粒徑為45.5～889.4 μm，平均粒徑為204.5 μm，該堵漏劑的粒徑范圍符合鉆井液對堵漏劑的粒徑要求。鋰皂石和鉆井液堵漏劑DLJ-5的XRD如圖2所示。從圖2中可以看出，鋰皂石具有結(jié)晶度較高的晶體結(jié)構(gòu)，存在5個明顯的衍射峰；而鉆井液堵漏劑DLJ-5的XRD曲線上沒有尖銳的衍射峰，但是形成了較

大較寬的彌散峰，這說明鋰皂石結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu)，鋰皂石以納米片層結(jié)構(gòu)無規(guī)則分布于堵漏劑中，堵漏劑內(nèi)具有有機(jī)和無機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中無機(jī)納米鋰皂石形成的無機(jī)網(wǎng)絡(luò)可提高鉆井液堵漏劑的強(qiáng)度，提高了對漏失地層封堵的有效性。

圖2　鉆井液堵漏劑DLJ-5和鋰皂石的XRD圖譜

Fig.2The XRD map of sealing agent DLJ-5 and hectorite

2.2吸水膨脹性能

圖3為溫度50 ℃的模擬地層水中，鉆井液堵漏劑DLJ-5的膨脹倍數(shù)隨時間的變化曲線。從圖3中可以看出，在最初階段，堵漏劑DLJ-5的初始膨脹倍數(shù)增加相對比較慢，隨著時間的增加，膨脹倍數(shù)的增長逐漸加快，最后緩慢增加，24 h之后膨脹倍數(shù)幾乎保持不變，該堵漏劑DLJ-5的24 h膨脹倍數(shù)為35.52，在高溫高鹽環(huán)境中具有很好的膨脹性。研制的堵漏劑DLJ-5具一定的延遲膨脹性，堵漏劑DLJ-5在泵入裂縫性漏失層前有適當(dāng)?shù)呐蛎洷稊?shù)，便于配制和泵送，泵入漏失層后繼續(xù)吸水膨脹，擴(kuò)張充填漏層內(nèi)的孔隙或裂縫，起到堵漏的效果。

圖3　鉆井液堵漏劑DLJ-5的膨脹倍數(shù)隨時間的變化

Fig.3The swelling ratio of sealing agent DLJ-5 with the increasing of time

2.3抗剪切性能

圖4為質(zhì)量濃度為1 500 mg/L的堵漏劑DLJ-5分散體系在200 r/min和2 000 r/min的剪切速率下連續(xù)剪切120 s后的表觀黏度保留率曲線。從圖4中可以看出，在低剪切速率200 r/min條件下，分散體系的剪切恢復(fù)性能很好，在140 min內(nèi)表觀黏度保留率能達(dá)到92.57%；在高剪切速率2 000 r/min條件下，分散體系的剪切恢復(fù)性能較差，在140 min內(nèi)表觀黏度保留率僅為38.06%，但在260 min內(nèi)表觀黏度保留率也能達(dá)到72.64%，這說明物理交聯(lián)劑鋰皂石的加入使合成的堵漏劑的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，在高剪切速率下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也沒有被大量破壞，該堵漏劑分散體系具有較好的耐剪切能力。

圖4　鉆井液堵漏劑DLJ-5分散體系剪切后的表觀黏度保留率隨時間的變化曲線

Fig.4The apparent viscosity retention rate of sealing agent DLJ-5 dispersion after shearing

2.4配伍性

為了研究堵漏劑DLJ-5與鉆井液的配伍性，研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堵漏劑對鉆井液性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1中可以看出，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堵漏劑DLJ-5后，鉆井液的pH沒有變化，鉆井液的密度變化不大。從表1中鉆井液黏度數(shù)據(jù)可以看出，加有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%堵漏劑的鉆井液黏度與不加堵漏劑的鉆井液黏度相比變化不大，利于鉆井液堵漏泥漿在地面的配制，隨著DLJ-5質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，DLJ-5吸水后使得鉆井液的黏度增大，濾失量降低，這有利于漏失通道內(nèi)堵漏橋塞的形成。這充分說明堵漏劑與鉆井液的配伍性較好，DLJ-5可作為一種性能優(yōu)良的堵漏劑。

表1　鉆井液堵漏劑DLJ-5對鉆井液性能的影響

續(xù)表1

2.5堵漏性能

在模擬巖心中注入堵漏劑漿液，在壓力的作用下將堵漏劑漿液壓入漏失通道內(nèi)，測量漏失量隨時間的變化，不斷加壓，測量總漏失量隨壓力的變化，判斷堵漏劑的堵漏效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　不同壓力下鉆井液漏失量隨時間的變化曲線

Fig.5The drilling fluid loss curves with time under different pressure

圖6　鉆井液25 min漏失量隨壓力的變化曲線

Fig.6The drilling fluid loss of 25 min with the increase of pressure

從圖5和圖6中可看出，剛開始加壓的時候，漏失量逐漸增大，這主要是因?yàn)椋侣﹦┻€沒有被大量壓入漏失通道，堵漏效果有限，所以隨著時間和壓力的增大，鉆井液的漏失量逐漸增大，當(dāng)壓力升至p1時，25 min漏失量最大。隨后，在壓力的驅(qū)動下，堵漏劑被擠入漏失層且與漏失層匹配，且堵漏劑繼續(xù)吸水膨脹，在漏失層通過架橋堵塞和壓實(shí)充填，不斷堵塞漏失層，使得漏失量逐漸減少。當(dāng)壓力升至p2時，堵漏劑的承壓性能最好，漏失量最小。之后，隨著壓力的增加，堵漏劑的承壓能力逐漸下降，漏失量逐漸增大，達(dá)到突破壓力后，模擬漏失層會因無法承受高壓而被擊穿。

3　結(jié)論

(1) 研制的耐剪切鉆井液堵漏劑DLJ-5的平均粒徑為204.5 μm，內(nèi)部的有機(jī)和無機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了堵漏劑的強(qiáng)度。該堵漏劑具有良好的吸水膨脹性能和耐剪切性能，在50 ℃的模擬地層水條件下，堵漏劑DLJ-5的膨脹倍數(shù)為35.52。

(2) 堵漏劑DLJ-5與長慶油田的鉆井液具有很好的配伍性，制備的堵漏劑DLJ-5在高溫高礦化度地層具有一定的堵漏承壓性能，在針對裂縫性漏失的現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)根據(jù)不同的裂縫寬度選擇合適粒徑的堵漏劑進(jìn)行堵漏，使堵漏劑在堵漏過程中與漏失層的匹配效果好，達(dá)到最佳的堵漏效果。

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(編輯宋官龍)

Research on Performance of Shearing Resistance Sealing Agent DLJ-5 Used in Drilling Engineering

Yan Jian1, Lyu Haiyan2, Li Zhuanhong2

(1.CollegeofPetroleumEngineering,Xi'anShiyouUniversity,Xi'anShaanxi710065,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforLowPermeabilityExplorationandDevelopment,OilandGasTechnologyInstituteofChangqingOilfield,Xi'anShaanxi710018,China)

Aiming at the poor plugging performance of conventional bridge plug plugging material or the problem of repeat leakage in the drilling process of fractured reservoir, a kind of shearing resistance sealing agent DLJ-5 was synthesized by the adding of hectorite. The microstructure of DLJ-5 was researched by laser particle size analyzer and diffractometer. The swelling property, shearing resistance property, compatibility with drilling fluid and plugging performance were evaluated through lab tests. The results show that the initial average particle size of sealing agent DLJ-5 is 204.5 μm. The internal double network structure with organic and inorganic can improve the strength of sealing agent. The swelling ratio of sealing agent DLJ-5 is 35.52 in the simulation formation water of 50 ℃. The sealing agent has good shearing resistance properties and good compatibility with Changqing drilling fluid. The sealing agent also has good plugging property in high salinity reservoir. The shearing resistance sealling agent has broad application prospects in the drilling of fractured reservoir.

Sealing agent; Hectorite; Swelling property; Shearing resistance; Plugging performance

1006-396X(2016)03-0038-05

2016-04-01

2016-04-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51404197)。

閆健(1981-)，男，博士，講師，從事低滲透油氣滲流理論及油氣田開發(fā)技術(shù)方面的研究；E-mail:zhuimr99@163.com。

TE357

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.03.008

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn