油氣層保護(hù)用淀粉微球承壓能力評(píng)價(jià)研究

楊超 王晨 趙凱強(qiáng)

摘 ?????要：通過(guò)對(duì)自制淀粉微球粒徑分布、承壓能力和巖心端面微觀形貌分析可得，微球的D10、D50、D97分別為3.00、18.68和92.05μm，粒徑的區(qū)間百分含量呈偏差正態(tài)分布。淀粉微球在中高滲巖心中承壓能力最高，最大可達(dá)16.3 MPa，說(shuō)明巖心在（50～70）×10-3μm2滲透率下的孔喉尺寸與淀粉微球的粒徑更加匹配。而在低滲巖心中，淀粉微球承壓能力不佳。從巖心端面電鏡圖發(fā)現(xiàn)中高滲巖心在入口端和出口端均可見微球狀物質(zhì)，說(shuō)明有部分微球顆粒已嵌入巖心孔喉，并且少量微球顆粒在巖心內(nèi)部發(fā)生運(yùn)移。由此可見，此粒徑分布的淀粉微球在滲透率大于50×10-3μm2的中高滲地層將會(huì)發(fā)揮較大“屏蔽暫堵”作用。

關(guān) ?鍵 ?詞：淀粉微球;承壓能力;中高滲巖心;油氣層保護(hù);屏蔽暫堵

中圖分類號(hào)：TE 254 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）04-0716-04

Abstract： By analyzing the particle size distribution， compressive pressure bearing capacity and core end micro-morphology of self-made starch microspheres， it was found that the D10， D50 and D97 of the microspheres were 3.00， 18.68 and 92.05μm， respectively. The percentage content of the interval of particle size was deviated from normal distribution. Starch microspheres had the highest compressive pressure bearing capacity in medium and high permeability cores， up to 16.3 MPa， which indicated that the pore throat size of core at （50～70）×10-3 μm2 permeability was more matched with the size of starch microspheres. In low permeability cores， the compressive pressure bearing capacity of starch microspheres was poor. Microspheres were found at the entrance and exit of the medium and high permeability cores， which indicated that some microspheres had been embedded in the pore throat of the cores， and a small amount of microspheres had migrated inside the cores. It can be seen that the starch microspheres with this size distribution will play a large role of temporary shielding plugging in medium and high permeability formations with permeability greater than 50×10-3 μm2.

Key words： Starch microspheres; Pressure bearing capacity; Medium and high permeability cores; Oil and gas reservoir protection; Temporary shielding plugging

鉆井過(guò)程中的油氣層保護(hù)是油氣層保護(hù)這一系統(tǒng)工程的第一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在鉆井過(guò)程中能否對(duì)油氣層進(jìn)行有效保護(hù)，直接影響后續(xù)作業(yè)油氣層保護(hù)工作的成敗，最終影響勘探開發(fā)的總體效益。因此，鉆井過(guò)程的油氣層保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越引起石油工作者的重視，目前已經(jīng)形成了以屏蔽暫堵技術(shù)為主的保護(hù)油氣層配套技術(shù)，在我國(guó)各油田取得了良好的推廣應(yīng)用效果。其原理是利用鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)油氣層發(fā)生損害的兩個(gè)不利因素（壓差和鉆井液固相顆粒），將其轉(zhuǎn)化為保護(hù)油氣層的有利因素，使鉆井液中作為暫堵劑的固相粒子在油氣層被鉆開瞬間進(jìn)入油氣層孔喉，從而在井壁附近快速、有效的形成一個(gè)淺層堵塞帶，防止鉆井液繼續(xù)侵入油氣層，減少鉆井液的損失及其對(duì)儲(chǔ)層造成的損害。為了達(dá)到良好的屏蔽暫堵效果，即“堵得住、堵得快、侵入薄、易解開”，選擇具有合適性能的固體材料作為屏蔽暫堵劑是該技術(shù)的關(guān)鍵[1-3]。

能夠作為屏蔽暫堵劑的油氣層保護(hù)材料主要有超細(xì)碳酸鈣、樹脂類、聚合醇類、瀝青類，以及聚合物微球。超細(xì)碳酸鈣作為傳統(tǒng)的剛性粒子材料，粒徑分布區(qū)間窄，無(wú)法對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儲(chǔ)層進(jìn)行“廣譜性”的封堵。即便根據(jù)某一區(qū)域儲(chǔ)層的孔隙特征分選出若干粒徑不同的顆粒組合搭配，也仍然無(wú)法解決剛性顆粒對(duì)形態(tài)各異的孔隙適應(yīng)性差的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，這些剛性粒子容易磨損并深入儲(chǔ)層，需要補(bǔ)充添加導(dǎo)致用量增大，并可能加大對(duì)儲(chǔ)層的損害。樹脂類、聚合醇類和瀝青類材料對(duì)鉆井液體系黏度影響較大，加大鉆井液維護(hù)難度[4-6]。

微球類暫堵材料逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，由于聚合物微球具有一定的可形變性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，故將聚合物微球作為油氣層保護(hù)劑具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。另外，研究者們還對(duì)微球進(jìn)行改性，使其具有某些特殊的性能，適應(yīng)更多復(fù)雜多變的地層環(huán)境[7-15]。

各類屏蔽暫堵劑在實(shí)際應(yīng)用中均具有各自的優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到較好的油保效果。但在低油價(jià)時(shí)期，由于成本的制約，如何平衡成本控制和理想的實(shí)施效果，是科研工作者需要解決的問(wèn)題。

針對(duì)目前現(xiàn)狀，我們開發(fā)一種淀粉微球類油氣層保護(hù)材料，可以滿足在低成本控制下保證良好實(shí)施效果的要求。承壓能力是評(píng)價(jià)屏蔽暫堵材料性能的重要指標(biāo)之一，是實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前重要的考量指標(biāo)。所以本文圍繞淀粉微球的承壓能力開展相關(guān)評(píng)價(jià)研究。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試驗(yàn)材料

自制淀粉微球乳液;不同滲透率人造巖心，端面直徑為38 mm，長(zhǎng)度為100 mm;鉆井液用膨潤(rùn)土和增黏劑。

1.2 ?性能測(cè)試方法

粒徑分布測(cè)試：采用百特儀器公司的BT-9300S型激光粒度儀分析樣品的粒徑分布，輔助超聲。

承壓能力測(cè)試：采用非常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)設(shè)備，在流量為1.0 mL/min的情況下，考察淀粉微球承壓能力。先配制4%膨潤(rùn)土基漿，加入0.1%增黏劑形成具有一定黏度的膨潤(rùn)土體系。再加入一定量的淀粉微球乳液，使微球可以充分懸浮在膨潤(rùn)土體系中。測(cè)試時(shí)穩(wěn)定泵速在1.0 mL/min，開始驅(qū)替待測(cè)體系，當(dāng)巖心夾持器的尾端出液時(shí)，停止驅(qū)替。記錄此時(shí)的進(jìn)出口壓差P，排空管線。

巖心端面微觀形貌測(cè)試：將巖心端面切成2 mm的薄片，使用日本JEOL公司的JSM-7500F型掃描電子顯微鏡上進(jìn)行測(cè)試。冷場(chǎng)發(fā)射，可移動(dòng)物鏡光闌，加速電壓0.5～30 kV，放大倍數(shù)30～800 000。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?淀粉微球粒徑分布

圖1為淀粉微球粒徑分布圖。如圖所示，微球的D10、D50、D97分別為3.00、18.68和92.05μm。在一定離散范圍內(nèi)，粒徑的區(qū)間百分含量呈偏差正態(tài)分布。由于地層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，粒徑分布集中的微球類油氣層保護(hù)劑很難對(duì)形狀、尺寸各異的孔喉進(jìn)行有效封堵。而相比之下，粒徑分布較寬的淀粉微球適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其對(duì)高度非均質(zhì)性的儲(chǔ)層可進(jìn)行較全面地屏蔽暫堵。

2.2 ?承壓能力分析

選取三組不同滲透率的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，高滲巖心滲透率為（100～120）×10-3μm2，中滲巖心滲透率為（50～70）×10-3μm2，低滲巖心滲透率為（5～20）×10-3μm2。表1-3為承壓能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在高滲巖心中，隨井漿中聚合物微球濃度的增加，試驗(yàn)巖心的承壓能力最高可達(dá)13.8 MPa。120℃時(shí)比80 ℃時(shí)淀粉微球承壓能力略高，可能由于在高溫條件下微球的可變形性更好，暫堵效果更佳。在中滲巖心中，相同的試驗(yàn)溫度與微球加量下，中滲巖心的承壓能力有略微的增加，承壓能力最大可達(dá)16.3 MPa，說(shuō)明巖心在此滲透率下的孔喉尺寸與淀粉微球的粒徑更加匹配，達(dá)到更好的暫堵效果。而在低滲巖心中，微球最高承壓能力下降幅度較大，有濾液流出，說(shuō)明淀粉微球未與巖心孔喉發(fā)生有效暫堵。

2.3 ?巖心端面微觀形貌分析

如圖2-7所示，從巖心切面電鏡圖可以看出，中高滲巖心在入口端和出口端均可見微球狀物質(zhì)，說(shuō)明有部分微球顆粒已嵌入巖心孔喉，并且少量微球顆粒在巖心內(nèi)部發(fā)生運(yùn)移。中滲巖心端面封堵后更為致密。低滲巖心本身表面十分致密，僅在入口端殘存少量微球狀物質(zhì)，而出口端未發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明淀粉微球并未嵌入巖心孔喉形成封堵，而僅僅是在巖心表面發(fā)生吸附覆蓋，這與承壓能力數(shù)據(jù)十分吻合。

3 ?結(jié)論

通過(guò)淀粉微球粒徑分布分析，微球的D10、D50、D97分別為3.00μm、18.68μm和92.05μm，粒徑的區(qū)間百分含量呈偏差正態(tài)分布。在承壓能力試驗(yàn)中，微球在高滲試驗(yàn)巖心中的承壓能力最高可達(dá)13.8 MPa。

在中滲巖心中承壓能力略微提高，承壓能力最大可達(dá)16.3 MPa，說(shuō)明巖心在（50～70）×10-3μm2滲透率下的孔喉尺寸與淀粉微球的粒徑更加匹配，達(dá)到更好的暫堵效果。而在低滲巖心中，微球最高承壓能力下降幅度較大，有濾液流出，說(shuō)明淀粉微球未與巖心孔喉發(fā)生有效暫堵。從巖心端面電鏡圖發(fā)現(xiàn)中高滲巖心在入口端和出口端均可見微球狀物質(zhì)，說(shuō)明有部分微球顆粒已嵌入巖心孔喉，并且少量微球顆粒在巖心內(nèi)部發(fā)生運(yùn)移。在低滲巖心入口端殘存少量微球狀物質(zhì)，而出口端未發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明淀粉微球并未嵌入巖心孔喉形成封堵，而僅僅是在巖心表面發(fā)生吸附覆蓋。此粒徑分布的淀粉微球在滲透率大于50×10-3μm2的中高滲地層將會(huì)發(fā)揮較大作用。

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