GPC-200型耐200℃高溫隨鉆堵漏劑的研制及性能評價(jià)

熊正強(qiáng)，趙長亮，鄭宇軒，李艷寧

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東德州 253072)

0 引言

井漏是鉆井工程中一種常見的井下復(fù)雜情況。目前治理滲透性漏失的有效辦法主要是采用隨鉆堵漏技術(shù)，即在鉆井液中加入一定量的隨鉆堵漏材料，以形成較好的封堵層，從而實(shí)現(xiàn)隨鉆即堵防漏。由于用于滲透性堵漏時(shí)隨鉆封堵材料加量少、方法簡單且不需要停鉆處理，因此該類材料在鉆井施工中已得到廣泛的應(yīng)用。

隨鉆堵漏劑一般分為三類，分別為由橋接堵漏材料組成的隨鉆堵漏劑、可膨脹型聚合物堵漏劑及超低滲透處理劑[1]。隨著我國深部油氣資源開發(fā)、干熱巖鉆探及深部科學(xué)鉆探工程等實(shí)施，深部鉆遇裂隙地層與破碎地層越來越多，此類地層溫度可能高于200 ℃，這就要求隨鉆堵漏材料必須具有良好的抗溫性能、封堵性能及承壓能力。為了提高隨鉆堵漏劑的抗溫性能，研究人員主要通過加入抗溫型橋接堵漏材料。例如，中石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院[2]在隨鉆堵漏劑配方中添加礦物纖維及抗高溫硅基凝膠變形顆粒，研制了一種抗150 ℃高溫隨鉆堵漏劑；中海油油田化學(xué)研究院[3]以具有良好抗高溫性能的剛性粒子、軟性粒子與可變形粒子為原料，研制了一種抗200 ℃高溫隨鉆承壓增強(qiáng)劑。另外，近幾年還研制了幾種新型抗高溫隨鉆堵漏材料，如彈性石墨、核-殼結(jié)構(gòu)的聚合物粒子[4]。

針對現(xiàn)有隨鉆堵漏劑高溫下發(fā)生碳化甚至失效導(dǎo)致堵漏效果差的問題，通過堵漏原料優(yōu)選以及不同堵漏材料形狀、粒度匹配研究，研制了GPC-200型耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑。該隨鉆堵漏劑抗高溫封堵效果好，對鉆井液性能影響小，可用于滲透性與裂縫性地層隨鉆堵漏以及破碎地層井壁穩(wěn)定。

1 耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑研制

耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑主要由剛性顆粒、纖維材料、變形顆粒及降濾失材料等原料組成。

1.1 設(shè)計(jì)思路

耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑作用原理為物理封堵防塌，即通過架橋、懸浮拉筋、變形填充及屏蔽降濾失等協(xié)同作用來封堵破碎地層以及漏失地層。耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑應(yīng)具有以下性能：①良好的抗高溫穩(wěn)定性，能耐200 ℃高溫；②良好的封堵性能；③不能影響鉆井液的流變性。開展耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑研究，關(guān)鍵是優(yōu)選合適的耐200 ℃高溫原料，其次是不同原料粒度的匹配性研究。

1.2 原料優(yōu)選

1.2.1 剛性顆粒優(yōu)選

常用的剛性顆粒主要有核桃殼、果殼、蛭石、碳酸鈣及硅藻土等，不同剛性顆粒優(yōu)選評價(jià)結(jié)果詳見表1。表中實(shí)驗(yàn)條件A：室溫，B：200 ℃老化16h，下同。

表1 不同剛性顆粒優(yōu)選評價(jià)結(jié)果(2%加量)

從表1可看出，當(dāng)加入的剛性顆粒粒徑較大時(shí)(目數(shù)小于80)，顆粒會(huì)進(jìn)入外筒與轉(zhuǎn)子之間的間隙，導(dǎo)致600轉(zhuǎn)讀數(shù)數(shù)值變化大。另外，經(jīng)200 ℃老化16 h后，較大粒徑的剛性顆粒均會(huì)使基漿的API濾失量明顯增加，而加有325目碳酸鈣的基漿API濾失量小于加有100目核桃殼的基漿API濾失量，這說明高溫下325目碳酸鈣粉末降濾失性能優(yōu)于100目核桃殼。根據(jù)資料介紹，當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，核桃殼與果殼的抗壓強(qiáng)度會(huì)下降。因此，剛性顆粒優(yōu)選325目碳酸鈣。

1.2.2 纖維材料優(yōu)選

常用的纖維材料主要有木粉、榆木粉、鋸末、棉纖維及礦物纖維等，不同纖維材料優(yōu)選評價(jià)結(jié)果詳見表2。

表2 不同纖維材料優(yōu)選評價(jià)結(jié)果(2%加量)

從表2可看出，200 ℃老化16 h后，加有木粉與榆木粉的基漿表觀黏度數(shù)值明顯增大，而且加有榆木粉的基漿API濾失量大于基漿的API濾失量。另外，200 ℃老化16 h后，加有木粉與榆木粉的基漿均有明顯的糊味，說明木粉與榆木粉不能抗200 ℃高溫。礦物纖維MF-1與MF-2與基漿的配伍性好，不會(huì)明顯增加基漿的黏度，而且在200 ℃高溫老化16 h后，仍具有較好的降濾失性能，因此，纖維材料優(yōu)選MF-1與MF-2。

1.2.3 降濾失材料優(yōu)選

鉆井液降濾失材料包括纖維素類、淀粉類、合成聚合物類及樹脂類等，不同抗高溫降濾失材料優(yōu)選評價(jià)結(jié)果詳見表3。

表3 不同抗高溫降濾失材料優(yōu)選評價(jià)結(jié)果(2%加量)

從表3可看出，上述降濾失劑均具有較好的降濾失性能以及良好的抗高溫穩(wěn)定性，其中聚合物降濾失劑GSO、GSP-1與GSP-2還具有良好的增黏效果。根據(jù)API濾失量以及200 ℃ HTHP濾失量數(shù)值大小來看，GSP-2的降濾失性能最優(yōu)。另外，由于耐高溫隨鉆堵漏劑設(shè)計(jì)由多種惰性顆粒組成，為了使其加入鉆井液后不影響鉆井液的流變性能，需加入具有降黏功能的處理劑。因此，綜合降黏和降濾失效果，降濾失材料優(yōu)選GSP-2與SPNH。

1.2.4 變形顆粒優(yōu)選

常用的變形顆粒主要有瀝青、橡膠粒、塑料顆粒及彈性石墨等，不同變形顆粒優(yōu)選評價(jià)結(jié)果詳見表4。

表4 不同變形顆粒優(yōu)選評價(jià)結(jié)果

從表4可看出，當(dāng)加入的變形顆粒粒徑較大時(shí)(目數(shù)小于60)，顆粒會(huì)進(jìn)入外筒與轉(zhuǎn)子之間的間隙，導(dǎo)致600轉(zhuǎn)讀數(shù)數(shù)值不穩(wěn)定；對比硅橡膠粒、乙丙橡膠粒與10～60目變形顆粒加入基漿后的API濾失量數(shù)值，可知變形顆粒TBX具有最優(yōu)的封堵效果，能較好地降低基漿的API濾失量。另外，通過對比高溫老化后的API濾失量數(shù)值，可知天津?yàn)r青顆粒具有更優(yōu)的封堵效果。因此，變形顆粒優(yōu)選10～60目變形顆粒TBX與100目天津?yàn)r青TLQ。

1.3 隨鉆堵漏劑配方優(yōu)選

在單因素優(yōu)選基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)等方法進(jìn)行耐200 ℃高溫隨鉆封堵劑配方優(yōu)選。采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)及中壓濾失儀測定室溫下耐高溫隨鉆堵漏劑的常規(guī)泥漿性能，并采用高溫高壓濾失儀測試隨鉆堵漏劑在200 ℃高溫、3.45 MPa壓力及20～40目石英砂砂床下濾失30 min時(shí)的封閉濾失量。以表5為例，各配方性能測定結(jié)果詳見表6。

表5 耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑主要配方優(yōu)選 %

表6 不同配方下的耐高溫隨鉆堵漏劑性能測定結(jié)果(4%加量)

從表6可看出，室溫下上述7組耐高溫隨鉆堵漏劑加入基漿后，均會(huì)略微增加基漿的表觀黏度(表觀黏度增加值≤6 mPa·s)，但其API濾失量較基漿卻顯著降低。對比封閉時(shí)間與封閉濾失量數(shù)值，只有配方3能滿足技術(shù)要求，說明配方3為耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑(GPC-200)最優(yōu)配方，即10% 325目碳酸鈣粉末+20% MF-1+30% MF-2+10% TBX+10% TLQ+5% GSP-2+10% SPNH+5% GBH。

2 性能評價(jià)

2.1 常規(guī)泥漿性能評價(jià)

在4%鈉土基漿中加入耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑，考察GPC-200加量對基漿表觀黏度(簡稱AV)及API濾失量(簡稱FL)性能的影響，具體結(jié)果詳見圖1、圖2。

圖1 不同GPC-200加量對基漿表觀黏度影響

圖2 不同GPC-200加量對基漿API濾失量影響

從圖1和圖2可看出，在室溫及200 ℃老化16 h再冷卻至室溫下，隨著GPC-200加量增加，加有GPC-200基漿的表觀黏度均緩慢增加。例如，當(dāng)GPC-200加量為4%時(shí)，室溫下基漿的表觀黏度為5.5 mPa·s，而200 ℃老化16 h后基漿的表觀黏度為4 mPa·s；另外，隨著GPC-200加量增加，加有GPC-200基漿的API濾失量先顯著降低然后緩慢降低。例如，當(dāng)GPC-200加量為4%時(shí)，室溫下基漿的API濾失量從74 mL降至16 mL，而200 ℃老化16 h后基漿的API濾失量從46 mL降至15 mL。這說明GPC-200不會(huì)明顯增加基漿的黏度，而且具有較好的降濾失性能。

2.2 高溫高壓濾失量測定

按照降濾失劑高溫高壓濾失量測定方法，分別配制4%鈉土基漿以及“4%基漿+4% GPC-200”漿液，先將這兩種漿液在200 ℃老化16 h再冷卻至室溫后，裝入GGS71-B型高溫高壓濾失儀測試200 ℃高溫及3.45 MPa壓力下漿液的高溫高壓濾失量，測試結(jié)果詳見圖3。

從圖3可看出，當(dāng)在基漿中加入4% GPC-200后，其200 ℃高溫高壓濾失量數(shù)值從196 mL降至99 mL，高溫高壓濾失量降低率為49.5%。這說明GPC-200具有較好的抗200 ℃高溫降濾失效果。

2.3 封堵效果測定

采用FA型可視砂床無滲透濾失儀評價(jià)GPC-200封堵效果，在室溫下將200 ℃高溫老化16 h后的漿液倒入可視砂床無滲透濾失儀中，在0.69 MPa壓力及20～40目石英砂砂床下濾失，記錄濾失30 min時(shí)量筒中濾液的體積，并記錄濾液侵入砂層的深度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見圖4。

圖4 室溫下含GPC-200的基漿封堵砂床效果

從圖4可看出，隨著GPC-200加量增加，200 ℃老化后的漿液在砂床中漏失的濾液體積先大幅降低然后無漏失。例如，當(dāng)GPC-200加量為0%時(shí)，濾液體積為500 mL；當(dāng)GPC-200加量為1%時(shí)，濾液體積為82 mL；當(dāng)GPC-200加量為2%時(shí)，濾液體積為0 mL。另外，隨著GPC-200加量增加，漿液侵入砂床平均深度逐漸降低，侵入平均深度從19.6 cm(全部滲透)降至5.4 cm。從可視砂床無滲透濾失儀測定結(jié)果說明，GPC-200具有良好的抗200 ℃高溫穩(wěn)定性以及良好的封堵性能。

2.4 與現(xiàn)有抗高溫封堵劑性能對比

與現(xiàn)有兩種抗高溫隨鉆封堵劑進(jìn)行性能對比，具體結(jié)果詳見表7。

從表7可看出，將325目碳酸鈣粉末加入淡水基漿后，其API濾失量及封閉濾失量數(shù)值均大，說明單獨(dú)使用碳酸鈣粉末作為抗高溫封堵劑效果不理想。當(dāng)FT-3000加入基漿后，基漿的API濾失量數(shù)值降低顯著，僅為3 mL，但是在200 ℃高溫及3.45 MPa壓力下，漿液在15 min時(shí)全部漏失完，其封閉濾失量為330 mL，說明抗高溫防塌封堵劑(FT-3000)在200 ℃高溫下封堵效果差。因此，與碳酸鈣粉末及FT-3000相比，研制的GPC-200具有良好的抗高溫封堵性能。

表7 不同抗高溫封堵劑性能比較(4%加量)

3 結(jié)論

(1)通過原料優(yōu)選及配方優(yōu)選，在室內(nèi)研制出一種GPC-200型耐200 ℃高溫隨鉆堵漏劑配方，其最佳配方為：10% 325目碳酸鈣粉末+20% MF-1+30% MF-2+10% TBX+10% TLQ+5% GSP-2+10% SPNH +5% GBH。

(2)室內(nèi)性能評價(jià)結(jié)果表明，GPC-200型耐高溫隨鉆堵漏劑抗溫可達(dá)200 ℃，而且還具有良好的降濾失和抗高溫封堵效果，適用于在高溫破碎地層、高溫滲透性漏失地層及承壓較低地層中鉆進(jìn)使用，能提高破碎地層井壁穩(wěn)定性、減少裂隙地層鉆井液漏失量，提高地層承壓能力。

參考文獻(xiàn)：

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