封堵防塌成膜劑PF-HCM在鉆井液中的應用

朱金智，許定達，任玲玲，蘇 超，張 震，趙 林

（1. 塔里木油田公司 油氣工程研究院， 新疆 庫爾勒 841000; 2. 長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100)

封堵防塌成膜劑PF-HCM在鉆井液中的應用

朱金智1，許定達2，任玲玲1，蘇 超2，張 震1，趙 林2

（1. 塔里木油田公司 油氣工程研究院， 新疆 庫爾勒 841000; 2. 長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100)

為解決哈得油田鉆井過程中濾液侵入儲層造成井壁失穩(wěn)等問題，通過優(yōu)選，引入了一種能夠用于滲透性地層和泥巖地層的溫壓成膜劑PF-HCM，該處理劑的主要作用機理是通過控制水基鉆井液特殊組分的途徑在井筒流體與井壁界面形成一種完全隔離、封閉水相運移的膜，以達到穩(wěn)定井壁的目的，實驗結(jié)果表明，成膜劑PF-HCM在30～180 ℃較寬的溫度范圍內(nèi)均具有較高的成膜效率，對低、中、高不同滲透率級別的巖心均表現(xiàn)出良好的封堵特性；在哈得油田鉆井液體系中加入2%的溫壓成膜劑PF-HCM就能顯著降低體系的濾失量和濾餅滲透率，同時不影響體系的流變性能，表明成膜劑PF-HCM在哈得油田鉆井液中具有很好的封堵防塌性能。

成膜劑；封堵防塌；鉆井液；共聚物；儲層保護

國內(nèi)外為了加強鉆井液對易坍塌地層和滲透性地層的封堵能力，目前主要使用了片狀云母類、纖維類、級配固相顆粒（如碳酸鈣）、可變性顆粒（如瀝青）和超低滲透處理劑等材料[1,2]。對于滲透性和易失穩(wěn)地層，現(xiàn)場常用的封堵劑為顆粒封堵劑和可變性顆粒，哈得油田地層普遍存在砂巖，個別層段滲透性高，鉆井液濾液侵入地層容易造成井壁失穩(wěn)，而且由于地層的非均質(zhì)性，對于砂巖層、泥巖層和砂泥復合地層，如何實現(xiàn)有效封堵減少濾液侵害從而達到井壁穩(wěn)定的目的是鉆井液必須要考慮的問題[3,4]。一般的級配固相材料實際使用時級配難度大，機械堆積很難形成有效的屏蔽層。可軟化顆粒如瀝青則需要達到軟化點才能產(chǎn)生變形封堵作用，未軟化前相當于一般惰性的顆粒封堵材料。另外，現(xiàn)場使用封堵防塌材料時，達到一定加量，封堵效果就不會再進一步提升。

綜上所述，現(xiàn)場迫切需要一種優(yōu)秀的高效成膜封堵材料，這種材料不僅要在較寬溫度范圍都能起到很好封堵作用，彌補瀝青類封堵劑的不足，也能形成更好的封堵膜，降低泥餅和封堵層的滲透率，有效的減少濾液侵入造成的井壁失穩(wěn)縮徑擴徑和坍塌問題。

通過優(yōu)選，引入了一種能夠用于滲透性地層和泥巖地層的溫壓成膜劑PF-HCM。該處理劑的主要作用機理是依據(jù)井眼與地層系統(tǒng)傳質(zhì)、傳能的基本原理，從穩(wěn)定井壁的物理化學固壁的新觀念出發(fā)，通過人工控制水基鉆井液特殊組分的途徑在井筒流體與井壁界面形成一種完全隔離、封閉水相運移的膜，以達到穩(wěn)定井壁的目的[5-7]。

1 新型成膜劑PF-HCM結(jié)構(gòu)特點

1.1 成膜劑PF-HCM的特點

溫壓成膜劑PF-HCM分子與水接觸后，具有外柔內(nèi)剛的特點，其內(nèi)部為高度交聯(lián)、強度極高的剛性硬核，中間層是由含有非親水性反應性官能團的柔性共聚物組成；外層是由含有親水性反應性官能團的柔性共聚物組成，由于分散介質(zhì)為水，外層的親水性反應性官能團朝向水相，保證了最外層共聚物不向中間層遷移和融合。但當在井底壓差作用下粒子之間發(fā)生聚并、融合，當一粒子外層進入另一粒子中間層時，分布在外層與中間層的反應性官能團發(fā)生交聯(lián)反應，直至粒子最外側(cè)的親水性官能團被反應完全。無數(shù)膠束粒子相互之間都發(fā)生著上述同樣的聚并、融合、交聯(lián)過程，最后形成連續(xù)性的膜。在成膜過程完成后，由成膜劑粒子的中間層和外層形成了共價交聯(lián)的共聚物連續(xù)相，成膜劑粒子的硬核成為均勻分布在連續(xù)相中的分散相，并且有一定強度，整個體系成為均勻分布著硬核的完整交聯(lián)網(wǎng)絡體系。此膜有一定強度，不再受鉆井液沖刷和溫度的影響，可阻止?jié){液中自由水向井壁滲透。

1.2 溫壓成膜劑PF-HCM的粒子微觀結(jié)構(gòu)

成膜劑封堵劑 PF-HCM在水中的粒徑分布在0.12～60μ m，大多數(shù)為20μ m。成膜劑封堵劑粒子外形為球形及多種不規(guī)則形狀，該粒子具有三層核殼結(jié)構(gòu)，膠體粒子中心是一個高玻璃化溫度、高度交聯(lián)的共聚物組成的硬核，由于硬核是高交聯(lián)度結(jié)構(gòu)，相對穩(wěn)定；中間層是由含有非親水性反應性官能團的共聚物組成；外層是由含有親水性反應性官能團的共聚物組成。

PF-HCM的成膜機理也可由下面的簡化圖（圖1）形說明其成膜過程中的不同階段：

a、初始乳液—顆粒以布朗運動的形式自由移動；

b、第一階段—隨著壓差作用下失水作用，顆粒的移動自然受到了越來越多的限制，水與顆粒的界面張力促使它們逐漸排列在一起；

c、第二階段—顆粒開始相互接觸時，網(wǎng)絡狀的水分通過毛細管濾失，施加于顆粒表面的壓差引起膠束球體粒子的變形使它們?nèi)酆显谝黄?，填充在孔隙中，膜大致形成?/p>

d、第三階段—最后階段是膠束分子的擴散(有時稱為自粘性)形成真正的連續(xù)膜[8,9]。

新型成膜劑 PF-HCM能顯著提高固體顆粒與頁巖的粘結(jié)性及吸附成膜性，增強頁巖的穩(wěn)定性和承壓能力。 與地層巖石在不同位置包括鉆井液-巖石基質(zhì)界面區(qū)、孔隙之間、孔壁周圍、鉆井液顆粒之間、鉆井液顆粒周圍都可觀察到所形成的薄膜分布在巖石中不同的位置，這種作用可以改善鉆井液與巖石顆粒間的粘結(jié)性能，提高井壁穩(wěn)定性。在地層巖石的內(nèi)部這樣的作用可以將其保持為一個整體，提高巖石的內(nèi)聚強度。

圖1 PF-HCM的成膜階段Fig.1 PF-HCM deposition stage

2 新型成膜劑PF-HCM性能評價

2.1 溫度對PF-HCM成膜效率的影響

室內(nèi)考查了30～180 ℃不同溫度，3.5 MPa壓力條件下，溫壓成膜劑加入后對體系濾失量的影響（圖2）。實驗數(shù)據(jù)表明隨溫度升高成膜劑的成膜效率逐漸提高。說明溫度有利于成膜。

實驗配方：

1#：自來水+0.2%NaOH+0.1%PF-VIS；

2#：自來水+0.2% NaOH+0.1% PF-VIS+2% PFHCM。

圖2 不同溫度下PF-HCM的成膜效率Fig.2 under different temperature deposition efficiency of PH-HCM

不同溫度下，溫壓成膜封堵劑PF-HCM均具有良好的封堵效果，成膜效果隨著溫度升高而增加，30～180 ℃不同溫度下有效減少濾失，適應溫度范圍大。

2.2 成膜劑PF-HCM的巖心封堵性能評價

2.2.1 對低滲巖心的成膜封堵性能

實驗方法：將滲透率為45～55 md的人造巖心用標準鹽水抽空飽和，利用靜態(tài)巖心污染試驗儀在高溫高壓（110 ℃、3.5 MPa）條件下測定在基漿中加入溫壓成膜劑 PF-HCM前后通過人造巖心后漏失量的變化，來表征溫壓成膜劑PF-HCM對巖心的封堵效果（圖3）。

基漿配方：水+0.1% PF-VIS;實驗條件：壓力：3.5 MPa，環(huán)壓：5.5～7 MPa，溫度：100～110 ℃,巖心：室內(nèi)實驗選取滲透率為45～55 md的人造巖心。

圖3 PF-HCM對低滲巖心（基漿）的封堵效果Fig.3 PF-HCM on low permeability core (base paste) the blocking effect

通過低滲砂巖的高溫高壓巖心靜態(tài)濾失實驗表明清水在15 min濾失480 mL，而2%成膜劑120 min僅13 mL，同時成膜劑對基漿的粘度影響很小，基本不增粘，不起泡。

2.2.2 對中滲巖心的成膜封堵性能

基漿配方：水+0.1% PF-VIS,實驗條件：壓力：3.5 MPa，環(huán)壓：5.5～7 MPa，溫度：100～110 ℃,巖心：室內(nèi)實驗選取滲透率為367～371 md的人造巖心（圖4）。

圖4 PF-HCM對中滲巖心的封堵效果Fig.4 PF-HCM pair permeability core plugging effect

通過中滲砂巖的高溫高壓巖心靜態(tài)濾失實驗表明，在基漿中120 min濾失173 mL，而2%成膜劑120 min僅8.3 mL，說明溫壓成膜劑PF-HCM對中滲巖心具有良好的封堵特性。

2.2.3 對高滲巖心的成膜封堵性能

基漿配方：水+0.1% PF-VIS,實驗條件：壓力：3.5 MPa，環(huán)壓：5.5-7 MPa，溫度：100～110 ℃,巖心：室內(nèi)實驗選取滲透率為880～894 md的人造巖心（圖5）。

圖5 PF-HCM對高滲巖心的封堵效果Fig.5 PF-HCM core plugging effect of hypertonic

通過高滲砂巖的高溫高壓巖心靜態(tài)濾失實驗表明，在基漿中9 min濾失397 mL（基本漏失完全），而加入2%成膜劑后120 min僅濾失10.8 mL，加入2%成膜劑和2%PF-LSF后120 min濾失量為8.1 mL，說明溫壓成膜劑PF-HCM對高滲巖心具有一定的封堵特性，配合加入瀝青類封堵劑效果會更好。

2.3 PF-HCM在鉆井液體系中性能評價

2.3.1 與其他封堵材料在鉆井液中封堵性能對比

PEM鉆井液的老化條件為110 ℃×16 h，HTHP測量條件110 ℃×3.5 MPa ，砂床目數(shù)40～60目。

3%膨潤土漿＋0.15%Na2CO3＋0.2%NaOH＋0.2%PAC-LV＋0.3%PF-PLUS＋0.2%XC＋2%銨鹽＋1.0%PF-TEX＋3%KCl＋3%PF-JLX＋2%級配暫堵劑+2% PF-HLB，重晶石加重到 1.2 g/cm3。

在體系1%封堵防塌材料磺化瀝青PF-TEX基礎上，通過加入現(xiàn)場常用的封堵材料 PF-LPF，繼續(xù)增加磺化瀝青PF-TEX的量，以及加入溫壓成膜劑PF-HCM，來考察三種情況對體系封堵效果的影響情況。

由實驗可知，單一的一種封堵材料封堵效果往往不如復配效果，通過大量的單一封堵材料來控制封堵顯然不太明智。從實驗結(jié)果來看，加入溫壓成膜劑 PF-HCM對于常規(guī)濾失和砂床濾失均有更為有效的降低效果，說明溫壓成膜劑PF-HCM對于改善封堵具有更好的協(xié)同效果（圖6）。

2.3.2 PF-HCM在鉆井液中的成膜效果評價

由實驗數(shù)據(jù)可以看出，溫壓成膜劑對PEM體系流變性能影響較小，加入2%的PF-HCM后就能顯著降低體系的濾失量和濾餅的滲透率，同時表現(xiàn)出較高的成膜效率和良好的封堵性能（表1）。

圖6 不同封堵劑在PEM體系中的濾失性能Fig.6 Sealer different fluid loss performance in PEM Syst

表1 溫壓成膜劑PF-HCM在PEM體系中的性能Table 1 Film former PF-HCM performance in PEM System

3 結(jié) 論

（1）新型溫壓成膜劑PF-HCM在30～180 ℃較寬的溫度范圍內(nèi)均具有較高的成膜效率，對高、中、低不同滲透率級別的巖心均表現(xiàn)出良好的封堵特性。

（2）在PEM鉆井液體系中加入2%的溫壓成膜劑 PF-HCM就能顯著降低體系的濾失量和濾餅滲透率，同時不影響體系的流變性能，具有較好的封堵性能（圖7）。

圖7 PEM體系中PF-HCM不同加量下的成膜效率Fig.7 PEM system, deposition efficiency PF-HCM different dosage

（3）為了更好的應用和推廣新型溫壓成膜劑，封堵防塌措施技術的改進仍需要更深入的研究。

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Application of Blocking Anti-collapse Film Former PF-HCM in Drilling Fluid

ZHU Jin-zhi1, XU Ding-da2, REN Ling-ling1, SU Chao2, ZHANG Zheng1, ZHAO Lin2
（1. Oil and Gas Tarim Oilfield Company Engineering Research Institute, Xinjiang Korla 841000, China；2. Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

To solve wellbore instability and other problems caused by drilling filtrate invasion reservoir in Hudson oil field, a film former PF-HCM can be used in permeability formations and shale formations. The main mechanism of the treatment agent is to control water-based drilling fluid special components to form completely isolated aqueous phase migration film between the wellbore fluid and the well wall interface, to achieve the purpose of stabilizing well wall. Experimental results show that the film former PF-HCM within 30 ～ 180 ℃ wide temperature range has high film forming efficiency, and exhibits good sealing properties for low, medium and high levels of different permeability cores; adding 2% film former PF-HCM into the drilling fluid system can significantly reduce the amount of fluid loss and the filter cake permeability, without effect on the rheological properties of the system, indicating that the film former PF-HCM in Hudson oilfield drilling fluid has good blocking anti-collapse performance.

film former; blocking anti collapse; drilling; copolymer; reservoir protection

TE 357

A

1671-0460（2016）11-2530-04

中國石油塔里木油田公司2013年度前期評價項目“哈得區(qū)塊鉆完井過程碎屑巖儲層保護技術”。

2016-04-27

朱金智，男，高級工程師，現(xiàn)在塔里木油田公司油氣工程研究院工作。

趙林，男，教授，主要從事油田化學方面研究。E-m ail:57308427@qq.com。