六種成膜封堵劑的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選與評(píng)價(jià)

王建偉

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江157021）

0 引言

我國(guó)正處于快速工業(yè)化的進(jìn)程之中，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源需求的不斷增長(zhǎng)，強(qiáng)化第二深度空間的找礦勘探，延長(zhǎng)老礦山壽命，深部找礦已成為礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域內(nèi)繼隱伏礦勘查之后又一主要勘查對(duì)象［1-2］。深部找礦離不開(kāi)巖心鉆探工程，而深部鉆探工程對(duì)鉆探設(shè)備和工藝均提出了更高的要求［3］。隨著孔深的不斷增加，鉆遇的地層更加復(fù)雜，由于沖洗液的滲漏，更易發(fā)生孔壁不穩(wěn)定的問(wèn)題，沖洗液設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件的深孔鉆探顯得尤為重要［4-5］。成膜封堵劑可以使沖洗液在孔壁表面形成一層隔離膜，有效阻止沖洗液及其濾液進(jìn)入地層，從而有效地防止地層的水化膨脹，封堵地層裂隙，防止孔壁坍塌，提高地層承壓能力［6-7］。為更好地服務(wù)于深部鉆探工程，了解掌握沖洗液的封堵性能和抗溫性能，對(duì)目前所使用的6 種封堵劑進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，以期為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：膨潤(rùn)土、1 號(hào)成膜封堵劑（大港油田）、2 號(hào)成膜封堵劑（大港油田）、3 號(hào)超低滲透封堵劑（冀東油田鉆采院）、4 號(hào)成膜封堵劑JYW-1（中國(guó)石油鉆井工程院）、5 號(hào)成膜封堵劑JYW-2（中國(guó)石油鉆井工程院）、6 號(hào)成膜封堵劑CMJ-2（中國(guó)石油鉆井工程院）、Na2CO3（北京世紀(jì)紅星化工有限責(zé)任公司）、KCl（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、SMP-1（磺甲基酚醛樹(shù)脂）、XC 聚合物（黃原膠）。

儀器：SD 型多聯(lián)中壓濾失儀、FA 型可視中壓砂床濾失儀、變頻四軸攪拌機(jī)、直讀式ZNN-D6S 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、滾子加熱爐。

1.2 實(shí)驗(yàn)思路

在基漿中分別加入6 種成膜封堵劑，開(kāi)展砂床濾失量、API 濾失量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行封堵劑評(píng)價(jià)與篩選，優(yōu)選出封堵性能最好的封堵劑，然后在含有XC 聚合物的沖洗液中加入優(yōu)選封堵劑重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)選封堵劑在不同體系沖洗液中是否具備同樣的封堵性能，同時(shí)利用常溫及抗溫實(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)選封堵劑對(duì)沖洗液流變性能的影響，評(píng)價(jià)其能否滿足深部找礦的需求。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 沖洗液的配制

基漿：3%膨潤(rùn)土+0.15% Na2CO3，攪拌、常溫老化24 h。

含有XC 聚合物的沖洗液：3%膨潤(rùn)土+0.15%Na2CO3+0.2% XC+3% SMP+3% KCl，攪拌、常溫老化24 h。

1.3.2 API 濾失量實(shí)驗(yàn)

利用SD 型多聯(lián)中壓濾失儀測(cè)定沖洗液在室溫、0.69 MPa 條件下30 min 時(shí)的失水量。

1.3.3 流變性能實(shí)驗(yàn)

利用直讀式ZNN-D6S 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4 砂床實(shí)驗(yàn)

利用FA 型可視中壓砂床濾失儀觀測(cè)濾液的滲濾過(guò)程。

1.3.5 抗溫實(shí)驗(yàn)

將添加有封堵劑的沖洗液分別利用滾子爐加熱到100 ℃后，測(cè)定其流變性能是否發(fā)生改變。

2 結(jié)果與分析

2.1 封堵劑的優(yōu)選

將2%的各封堵劑分別加入到基漿中，進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn)、API 靜濾失實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選封堵性能較好的封堵劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖1 和圖2）：加入1 號(hào)封堵劑的沖洗液砂床侵入量和API 濾失量均較大；加入2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑的沖洗液砂床侵入量最小，API 濾失量卻相對(duì)較大；加入3 號(hào)和5 號(hào)封堵劑的沖洗液砂床侵入量較大，API 濾失量卻最小，說(shuō)明砂床侵入量與API 濾失量沒(méi)有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般情況下地層的孔隙是非均質(zhì)的，而實(shí)驗(yàn)中API 濾失量采用孔隙均勻的濾紙作為隔離介質(zhì)，不能準(zhǔn)確反映地層的實(shí)際情況［8-9］，但可視式中壓砂床實(shí)驗(yàn)可以更好地模擬地層情況，評(píng)價(jià)沖洗液在近孔內(nèi)地層中形成的泥餅滲透性的高低，更能準(zhǔn)確地反映沖洗液在孔內(nèi)的濾失情況，所以經(jīng)綜合分析判斷，優(yōu)選出2 號(hào)和4號(hào)封堵劑作進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

圖1 基漿中加入2%封堵劑后砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Sand bed test results of the basic drilling fluid after adding 2% plugging agent

2.2 優(yōu)選封堵劑在基漿中不同加量時(shí)的封堵效果

將優(yōu)選出的封堵劑以不同加量加入到基漿中，進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn)，觀察封堵效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1 和圖3）表明：當(dāng)基漿中加入0%～2%的2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑時(shí)，沖洗液30 min 砂床侵入量隨封堵劑增加而減小，而當(dāng)2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑加量＞2%時(shí)，沖洗液30 min 砂床侵入量隨封堵劑增加而增加，說(shuō)明2 號(hào)和4號(hào)成膜封堵劑在基漿中的最優(yōu)加量為2%。

2.3 優(yōu)選封堵劑在含有XC 聚合物沖洗液中的封堵效果

圖2 基漿中加入2%封堵劑后API 濾失量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of API filtration rate of the basic drilling fluid after adding 2% plugging agent

表1 基漿中加入不同用量的優(yōu)選封堵劑后砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Sand bed test results of the basic drilling fluid after adding different amount of the optimized plugging agent

圖3 基漿中加入不同用量的優(yōu)選封堵劑后30 min 砂床侵入量變化曲線Fig.3 Variation curve of sand bed invasion of the basic drilling fluid 30 minutes after adding different amount of the optimized plugging agent

將優(yōu)選封堵劑以不同加量加入到含有XC 聚合物的沖洗液中，檢驗(yàn)其是否具有同樣的封堵性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖4 和圖5）：在含有XC 聚合物的沖洗液中加入不同加量的2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑后，API 失水量改變較小，但沖洗液砂床侵入量顯著降低，尤其是在2%～3%加量時(shí)，沖洗液砂床侵入量減少近一半，證明2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑在含有XC 聚合物的沖洗液中同樣具有良好的封堵性能；同時(shí)，含有XC 聚合物的沖洗液與基漿砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1 和圖4）對(duì)比表明，當(dāng)基漿中加入不同處理劑時(shí)，可以改變沖洗液的封堵性能，即沖洗液的封堵性與處理劑有關(guān)。

圖4 含有XC 聚合物的沖洗液中加入優(yōu)選封堵劑后砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Sand bed test results of the drilling fluid with XC polymer after adding the optimal plugging agent

圖5 含有XC 聚合物的沖洗液中加入優(yōu)選封堵劑后API 濾失量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of API filtration rate of the drilling fluid with XC polymer after adding the optimal plugging agent

2.4 優(yōu)選封堵劑對(duì)沖洗液流變性能的影響

2.4.1 常溫條件下優(yōu)選封堵劑對(duì)沖洗液流變性能的影響

常溫下優(yōu)選封堵劑對(duì)基漿和含有XC 聚合物的沖洗液流變性能的影響如表2 和表3 所示，結(jié)果表明：基漿或含有XC 聚合物的沖洗液中加入不同用量的2 號(hào)封堵劑時(shí)，其流變性能改變較小，但加入不同用量的4 號(hào)封堵劑時(shí)，粘度隨用量的增加而增大，切力變化明顯，動(dòng)塑比有所下降，證明攜帶巖屑的能力略有下降。

表2 常溫下優(yōu)選封堵劑對(duì)基漿性能的影響Table 2 Effect of the optimal plugging agent on the properties of the basic drilling fluid at normal temperature

表3 常溫下優(yōu)選封堵劑對(duì)含有XC 聚合物的沖洗液性能的影響Table 3 Effect of the optimal plugging agents on the properties of the drilling fluid with XC polymer at normal temperature

2.4.2 高溫條件下優(yōu)選封堵劑對(duì)沖洗液性能的影響

深部鉆探時(shí)，地層溫度會(huì)增加，高溫會(huì)使處理劑的功能失效，使沖洗液的濾失造壁性能發(fā)生變化［10-15］，所以為保證深部鉆探時(shí)封堵劑的封堵性能，對(duì)優(yōu)選出的封堵劑進(jìn)行抗溫性實(shí)驗(yàn)具有重要意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表4 和表5），100 ℃溫度下不同體系的沖洗液流變性能有一定程度下降，但變化不大，說(shuō)明2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑有較好的抗溫性能，可滿足深部勘探對(duì)沖洗液抗溫性能的要求。

2.5 膨潤(rùn)土含量對(duì)沖洗液封堵性能的影響

如前所述，沖洗液加入處理劑后可以提高沖洗液的封堵性。為了檢驗(yàn)膨潤(rùn)土含量對(duì)沖洗液封堵性能的影響，將6 種封堵劑加入到由6%膨潤(rùn)土配制的基漿中進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn)，并將其與3%膨潤(rùn)土基漿進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖6）：膨潤(rùn)土含量增加可以提高沖洗液的封堵性能，這主要是因?yàn)榕驖?rùn)土含量增大可以快速形成泥餅封堵地層孔隙。但是一般情況下，這樣做會(huì)給沖洗液的流變性能帶來(lái)不利影響，形成的泥餅也較厚，會(huì)造成壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，所以在配制時(shí)膨潤(rùn)土的含量應(yīng)適當(dāng)，使封堵性和流變性都處在一個(gè)較好范圍內(nèi)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次證明，2 號(hào)和4 號(hào)封堵劑砂床侵入量最小，他們具有較好的封堵性能。

表4 100 ℃高溫下優(yōu)選封堵劑對(duì)基漿性能的影響Table 4 Effect of the optimal plugging agent on the properties of the basic drilling fluid at 100℃high temperature

表5 100 ℃高溫下優(yōu)選封堵劑對(duì)含XC 聚合物的沖洗液性能的影響Table 5 Effect of the optimal plugging agent on the properties of the polymer drilling fluid with XC at 100℃high temperature

圖6 6%膨潤(rùn)土基漿中加入封堵劑后砂床實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Sand bed test results of 6% bentonite drilling fluid added with the plugging agent

3 結(jié)論

（1）在相同沖洗液配方條件下，利用砂床法測(cè)得的濾失量（侵入量）和API 測(cè)得的濾失量結(jié)果差別較大，幾乎無(wú)規(guī)律可循，這說(shuō)明沖洗液砂床濾失量（侵入量）與API 濾失量沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。砂床實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)沖洗液封堵性能好壞的重要依據(jù)。

（2）砂床實(shí)驗(yàn)及抗溫實(shí)驗(yàn)表明：2 號(hào)和4 號(hào)成膜封堵劑在6 種成膜封堵劑中封堵性能最好，且最優(yōu)加量均為2%；它們?cè)?00 ℃時(shí)抗溫性能較好，可以滿足深部勘探對(duì)沖洗液體系抗溫性能的要求。

（3）沖洗液中膨潤(rùn)土含量及處理劑是影響沖洗液封堵性能的2 個(gè)因素：膨潤(rùn)土含量越高，沖洗液封堵性能越好，加入聚合物、降濾失劑等處理劑可以提高沖洗液的封堵性能。