油基鉆井液隨鉆堵漏材料的研究與應(yīng)用

劉瑞，于培志

油基鉆井液隨鉆堵漏材料的研究與應(yīng)用

劉瑞，于培志*

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)油基鉆井液發(fā)生漏失處理困難的問題，研發(fā)了一種改性礦物纖維油基鉆井液隨鉆防漏堵漏材料PSIFIBER，并對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PSIFIBER纖維堵漏材料在油基鉆井液中分散性好，配伍性良好，對(duì)油基鉆井液性能影響小，耐溫性能佳，具有較強(qiáng)的封堵性效果，砂床實(shí)驗(yàn)侵入深度為10 mm。使用該堵漏劑與剛性堵漏劑、彈性封堵劑復(fù)配，可有效解決油基鉆井液漏失問題，對(duì)1～3 mm裂隙具有好的封堵效果，形成了油基鉆井液隨鉆防漏堵漏技術(shù)，并在果勒303H井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效果良好，成功解決了果勒303H井的漏失難題，恢復(fù)了正常鉆進(jìn)。

隨鉆堵漏材料；改性礦物纖維；油基鉆井液；應(yīng)用

隨著油氣資源勘探開發(fā)范圍的擴(kuò)大，鉆探難度逐步提升，對(duì)鉆井液技術(shù)提出了更高的要求，與水基鉆井液相比，油基鉆井液抑制性強(qiáng)，潤滑性好，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是油基鉆井液漏失問題較為突出，且其成本昂貴，一旦發(fā)生漏失，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由天然或者誘導(dǎo)裂縫引起的漏失問題占比高達(dá)90%，而油基鉆井液通過孔隙或微裂隙滲入地層后，其組分中的表面活性物質(zhì)會(huì)降低巖石強(qiáng)度，繼而產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，進(jìn)一步擴(kuò)大漏失規(guī)模[4-7]。目前，針對(duì)油基鉆井液漏失問題，缺乏高效的防漏堵漏及時(shí)措施，解決油基鉆井液漏失問題已經(jīng)成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。但常規(guī)隨鉆堵漏材料在油基鉆井液中分散性差，配伍性差，難以形成高質(zhì)量泥餅，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)甚至?xí)绊懹突@井液性能，增加堵漏難度[8]。從防漏堵漏的角度出發(fā)，開發(fā)了一種改性礦物纖維材料PSIFIBER，并在油基鉆井液中對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明PSIFIBER配伍性好，耐高溫，封堵效果好，能夠解決油基鉆井液滲透性與裂縫性漏失問題。該隨鉆防漏堵漏材料在果勒303H井取得了良好的應(yīng)用效果，解決了果勒303H井的漏失難題，恢復(fù)了正常鉆進(jìn)，可在油基鉆井液防漏堵漏方面進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 PSIFIBER的制備與特點(diǎn)

通過電加熱的方式將天然礦物原料加熱至熔融狀態(tài)，經(jīng)過不同的成纖方式形成礦物纖維材料。向盛有乙醇的三口燒瓶中加入一定比例的去離子水、氨水與以制備的纖維材料，攪拌混合均勻。在勻速攪拌狀態(tài)下，使用恒壓漏斗將硅氧烷類改性劑緩慢滴加到混合溶液中，恒溫加熱至45 ℃，充分反應(yīng)一段時(shí)間。取丙烯酸類試劑按適當(dāng)比例加入乙醇中，并緩慢滴加至反應(yīng)溶液中，55 ℃恒溫充分反應(yīng)，取出纖維材料烘干，得到隨鉆堵漏材料PSIFIBER。

PSIFIBER纖維堵漏材料具有以下性能特點(diǎn)：

1）分散性好。經(jīng)過表面改性的PSIFIBER纖維堵漏材料能夠在油基鉆井液中良好的分散，不會(huì)出現(xiàn)沉淀聚集現(xiàn)象，表現(xiàn)出優(yōu)異的封堵效果。

2）抗拉強(qiáng)度高，韌性強(qiáng)。PSIFIBER纖維堵漏材料具備良好的抗拉強(qiáng)度與韌性，不易斷裂，“拉筋”作用強(qiáng)，與顆粒材料復(fù)配可形成高強(qiáng)度致密封堵層。

3）配伍性好。PSIFIBER纖維堵漏材料對(duì)油基鉆井液性能影響小，加入PSIFIBER纖維堵漏材料的油基鉆井液體系流變性、電穩(wěn)定性基本無變化。

4）抗溫性能優(yōu)異。PSIFIBER纖維堵漏材料由天然礦物熔融后成纖制得，具有優(yōu)異的耐溫性能，200 ℃老化后仍具備良好的封堵效果。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 成分分析

經(jīng)過化學(xué)分析，PSIFIBER纖維堵漏材料的主要成分為SiO2，含量約為54%～57%，SiO2形成的骨架結(jié)構(gòu)使PSIFIBER纖維機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異；Al2O3含量約為40%～43%，提高PSIFIBER纖維的耐溫性能；其余成分為CaO、MgO、ZrO2等氧化物。

2.2 封堵評(píng)價(jià)

研發(fā)制備過程中，通過不同的機(jī)械工藝，形成了3種不同規(guī)格的PSIFIBER纖維堵漏材料，具體參數(shù)如表1所示，對(duì)3中纖維進(jìn)行了封堵性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 通過前期實(shí)驗(yàn)優(yōu)選，形成了一套油基鉆井液封堵實(shí)驗(yàn)配方A：柴油+3%主乳化劑+1%乳化劑+1%潤濕劑+4%降濾失劑+2%有機(jī)土+2%CaO+重晶石（鉆井液密度加重到1.6 g·cm-3），油水質(zhì)量比80∶20（柴油∶25%CaCl2水溶液）。

表1 不同規(guī)格PSIFIBER纖維參數(shù)

分別將3種不同的PSIFIBER纖維堵漏材料以3%的比例加入上述油基鉆井液體系A(chǔ)中，120 ℃老化16 h后利用無滲透濾失儀進(jìn)行砂床侵入實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用20～40目（830～380 μm）石英砂，結(jié)果如表2。分析結(jié)果可知，在0.69 MPa的壓力下，老化后體系A(chǔ) 30 min砂床侵入深度為130 mm，而加入3種不同型號(hào)PSIFIBER纖維堵漏材料的鉆井液體系最終侵入深度分別為10、18、12 mm，說明PSIFIBER纖維堵漏材料具有優(yōu)異的封堵效果，可有效減少滲透性濾失。由于加入PSIFIBER-1時(shí)最終侵入深度最小，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選取PSIFIBER-1進(jìn)行。

表2 不同規(guī)格PSIFIBER纖維封堵評(píng)價(jià)

2.3 配伍性評(píng)價(jià)

隨鉆堵漏材料與鉆井液體系配伍性差，不僅無法達(dá)到防漏堵漏的目的，還會(huì)嚴(yán)重影響鉆井液性能，增加其他井下復(fù)雜情況發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。在油基鉆井液體系A(chǔ)中加入3% PSIFIBER-1形成配方B，120 ℃老化16 h后，測(cè)定鉆井液體系各項(xiàng)性能，以評(píng)價(jià)PSIFIBER纖維堵漏材料與油基鉆井液的配伍性，結(jié)果如表3所示。

表3 PSIFIBER-1配伍性實(shí)驗(yàn)

由表3可知，加入PSIFIBER-1對(duì)油基鉆井液體系流變性影響很小，破乳電壓值略有降低，同時(shí)能夠有效降低鉆井液高溫高壓濾失量，說明PSIFIBER纖維堵漏材料與油基鉆井液體系配伍性良好，可形成致密的泥餅，表現(xiàn)出優(yōu)異的降濾失效果。

2.4 分散性評(píng)價(jià)

若堵漏材料無法在油基鉆井液中良好分散，將對(duì)堵漏效果以及鉆井液性能造成嚴(yán)重影響，同時(shí)堵漏材料沉淀聚集也會(huì)增加儀器堵塞、卡鉆等復(fù)雜情況的風(fēng)險(xiǎn)。取10 g 樣品加入100 mL柴油中，充分?jǐn)嚢韬蟮谷肓客仓?，定時(shí)測(cè)量量筒上部樣品沉降高度，以評(píng)價(jià)其在柴油中的分散性能，結(jié)果見表3。由表4可知，常規(guī)纖維堵漏材料在柴油中分散性極差，6 h后基本完全沉降，堆積在量筒底部，而PSIFIBER-1在柴油中能夠良好分散，12 h沉降量?jī)H為8 mm，分散性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)纖維堵漏材料。

表4 堵漏材料在柴油中的分散性實(shí)驗(yàn)

2.5 抗溫性能評(píng)價(jià)

常規(guī)果殼類、植物纖維類隨鉆堵漏材料抗溫性能差，在深井高溫環(huán)境下容易碳化，強(qiáng)度降低，失去封堵能力。在油基鉆井液體系A(chǔ)中加入3% PSIFIBER-1，分別在120、140、160、180、200 ℃下老化16 h后，進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn)，測(cè)量鉆井液侵入深度，結(jié)果如表5所示，體系A(chǔ)在160 ℃下老化16 h后，30 min砂床侵入量已經(jīng)超過200 mm，而加入PSIFIBER-1后，200 ℃下老化16 h后30 min砂床侵入量?jī)H為24 mm，說明PSIFIBER纖維堵漏材料抗溫性能優(yōu)異，在高溫下仍具備良好的封堵效果，非常適合用于高溫深井的防漏堵漏應(yīng)用。

表5 PSIFIBER抗溫性能評(píng)價(jià)

3 油基鉆井液強(qiáng)封堵體系的構(gòu)建

大量室內(nèi)研究與實(shí)際應(yīng)用均已證實(shí)：在隨鉆堵漏作業(yè)過程中單一類型堵漏材料常常難以達(dá)到理想的效果，需將多種類型材料進(jìn)行復(fù)配使用。不同的堵漏材料之間存在著顯著的協(xié)同作用，顆粒之間相互結(jié)合，形成致密穩(wěn)定的封堵層，能夠有效減少漏失，并提高漏失地層承壓能力[9-10]。其中，剛性顆粒在裂隙中與其尺寸相匹配的位置架橋，充當(dāng)封堵層骨架；彈性變形材料在壓力作用下產(chǎn)生形變進(jìn)入封堵層骨架，膨脹后進(jìn)一步充填骨架；纖維材料具有極強(qiáng)的“拉筋”作用，與剛性顆粒、彈性變形材料協(xié)同作用，形成致密的高強(qiáng)度封堵網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到堵漏的目的[11-12]。碳酸鈣顆粒來源廣泛，價(jià)格低廉，且能夠酸溶解堵，是堵漏作業(yè)常用的剛性架橋顆粒；彈性石墨是一種新型石墨材料，耐高溫，高彈性，具有良好的壓縮率和回復(fù)率。選用上述兩種隨鉆堵漏材料與PSIFIBER纖維堵漏材料進(jìn)行復(fù)配，構(gòu)建了油基鉆井液強(qiáng)封堵體系配方。利用QD-A型堵漏材料試驗(yàn)儀評(píng)價(jià)了配方針對(duì)不同寬度裂隙的封堵效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，具體配方如下：

配方1：油基鉆井液體系A(chǔ)+3% 剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+4% PSIFIBER-1+2%彈性石墨

配方2：油基鉆井液體系A(chǔ) +3%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（120～150目）（120～106 μm）+6% PSIFIBER-1 +2%彈性石墨

配方3：油基鉆井液體系A(chǔ) +2%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（120～150目）（120～106 μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+6% PSIFIBER-1 +4%彈性石墨由表5可知，配方1、配方2、配方3能夠有效封堵1～3 mm寬度的裂隙，構(gòu)架了強(qiáng)封堵油基鉆井液體系，應(yīng)用過程中可根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整各隨鉆堵漏材料的加量。

表6 不同寬度裂縫封堵效果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 果勒303H井漏失概況

果勒303H井位于新疆沙雅縣蓋孜庫木鄉(xiāng)境內(nèi)，是位于塔里木盆地北部坳陷阿滿過渡帶中部的一口評(píng)價(jià)井，位于果勒區(qū)塊F15斷裂帶。該井三開采用油基鉆井液鉆進(jìn)，從5 795.47 m鉆進(jìn)至6 903 m期間，在志留系以及奧陶系桑塔木組多次發(fā)生漏失，現(xiàn)場(chǎng)采用常規(guī)隨鉆堵漏材料進(jìn)行隨鉆堵漏61次，承壓堵漏4次，效果均不佳，累計(jì)漏失油基鉆井液超過1 100 m3，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且常規(guī)堵漏材料在油基鉆井液中分散性差，容易聚集，造成定向儀器封堵，無法傳輸信號(hào)，嚴(yán)重影響正常鉆進(jìn)施工。

4.2 果勒303H井堵漏難點(diǎn)與堵漏措施

結(jié)合前期堵漏施工作業(yè)，分析認(rèn)為果勒303H井主要存在以下堵漏施工難點(diǎn)：

1）常規(guī)堵漏材料與現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液配伍性差，常規(guī)堵漏材料多在水基鉆井液中使用，在油基鉆井液中封堵效果差，長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)過后甚至?xí)绊懹突@井液性能，造成更為嚴(yán)重的復(fù)雜情況。

2）漏失地層對(duì)于壓力敏感，同時(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，裂隙尺寸較小，對(duì)堵漏材料粒徑選擇要求高：粒徑選擇過大造成“封門”現(xiàn)象，堵漏材料難以進(jìn)去地層；粒徑選擇過小，壓力波動(dòng)時(shí)裂隙張開變大，造成堵漏材料流失。

3）地層承壓能力低，在承壓堵漏過程中極易出現(xiàn)人工“造縫”現(xiàn)象，誘發(fā)更多更深的裂縫，給堵漏施工帶來更大的困難。

4）漏失井段長(zhǎng)，從5 795.47 m鉆進(jìn)至6 903 m井下一直存在漏失，關(guān)鍵漏點(diǎn)難以判斷，漏失井段長(zhǎng)達(dá)1 107.53 m，裸眼井段容積達(dá)51 m3，堵漏漿配方優(yōu)化選擇難度大。

鑒于果勒303H井存在上述堵漏難點(diǎn)，堵漏措施以隨鉆堵漏為主，避免承壓堵漏，以免壓裂地層，造成更大的漏失?，F(xiàn)場(chǎng)配置儲(chǔ)備足夠量的隨鉆堵漏漿，發(fā)生漏失時(shí)以段塞堵漏漿的形式泵入井中，達(dá)到堵漏目的。為防止堵漏材料在鉆井液循環(huán)過程中被振動(dòng)篩篩除，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況合理調(diào)整振動(dòng)篩篩網(wǎng)目數(shù)。鉆進(jìn)過程中堅(jiān)持防漏為主的理念，根據(jù)實(shí)際情況定時(shí)補(bǔ)充混入堵漏漿。

4.2 應(yīng)用效果

果勒303H井在篩除前期隨鉆堵漏材料后，更換定向儀器與鉆具組合，下鉆至井底6 903 m，循環(huán)將鉆井液密度從1.32 g·cm-3逐步下調(diào)至1.30 g·cm-3，未見漏失。2020年9月29日，鉆進(jìn)至6 914.35 m時(shí)發(fā)生漏失，排量25 L·s-1，漏速約為5 m3·h-1，降低排量至20 L·s-1，漏速約1.8 m3·h-1。根據(jù)前期堵漏經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際井況，采用段塞堵漏漿配方為：井漿+2%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+6%PSIFIBER-1+3%彈性石墨，共計(jì)泵入100 m3，段塞堵漏漿返出水眼后，逐步提升排量至23 L·s-1，無漏失，堵漏成功。現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)定井漿與段塞堵漏漿性能，結(jié)果如表6所示，可見加入隨鉆堵漏材料后，鉆井液體系黏度切力有所增大，破乳電壓值略有降低，但仍在400 V以上，說明使用的隨鉆堵漏材料與現(xiàn)場(chǎng)井漿配伍性良好。經(jīng)過堵漏施工，果勒303H井恢復(fù)了正常鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至6 918 m過程中，逐步提升排量至24.6 L·s-1，未發(fā)生漏失，定向儀器鉆進(jìn)過程中工作正常。

表7 井漿與堵漏漿性能對(duì)比

2020年10月5日，果勒303H井下鉆至7 185 m，循環(huán)鉆井液過程中發(fā)生漏失，排量25 L·s-1時(shí)漏速最大10.2 m3·h-1，降低排量至20 L·s-1，漏速仍為10.2 m3·h-1，再次降低排量至15 L·s-1，漏速為1.2 m3·h-1。現(xiàn)場(chǎng)迅速采取措施，采用堵漏配方：井漿+2%剛性碳酸鈣顆粒（80～100目）（180～150μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（120～150 目）（120～106 μm）+3%剛性碳酸鈣顆粒（200～300目）（75～48 μm）+6% PSIFIBER-1+4%彈性石墨，共計(jì)泵入段塞堵漏漿30 m3，段塞堵漏漿返出水眼進(jìn)入環(huán)空上返后，漏速逐漸下降至0.6 m3·h-1，逐步緩慢提升排量至21 L·s-1，無漏失，堵漏成功。

堅(jiān)持防漏為主的理念，PSIFIBER纖維堵漏材料與剛性顆粒、彈性材料復(fù)配形成的隨鉆堵漏體系在果勒303H井進(jìn)行了應(yīng)用，表現(xiàn)出優(yōu)異的封堵效果，成功解決了該井的漏失難題。果勒303H井三開井段后續(xù)鉆進(jìn)過程中鉆井順利，無重大惡性漏失問題。

5 結(jié) 論

1）研發(fā)制備了一種改性礦物纖維隨鉆堵漏材料PSIFIBER，并對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：PSIFIBER纖維堵漏材料纖維直徑與粒徑分布合理，在油基鉆井液中分散性好，抗200 ℃高溫；配伍性好，對(duì)油基鉆井液體系性能影響小；封堵效果強(qiáng)，30 min砂床侵入深度為10 mm。

2）使用PSIFIBER纖維堵漏材料與剛性架橋顆粒、彈性變形顆粒復(fù)配，構(gòu)建了強(qiáng)封堵油基鉆井液體系，縫板實(shí)驗(yàn)表明，該體系能夠有效封堵1～3 mm裂隙，可解決油基鉆井液裂縫性漏失問題。

3）PSIFIBER纖維堵漏材料在果勒303H井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得的良好的應(yīng)用效果，解決了果勒303H井長(zhǎng)期存在的漏失難題，恢復(fù)了正常鉆進(jìn)，降低了經(jīng)濟(jì)損失。PSIFIBER纖維堵漏材料有望在類似油基鉆井液的防漏堵漏作業(yè)中推廣應(yīng)用。

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Study and Application of Lost Circulation MaterialWhile Drilling for Oil Based Drilling Fluid

,*

（School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083,China）

In order to solve the problem of lost circulation for oil-based drilling fluid, a modified mineral fiber lost circulation material (LCM) PSIFIBER was developed, and its performance was evaluated. The experimental results showed that the PSIFIBER LCM had good dispersibility and compatibility in oil-based drilling fluid and had little influence on oil-based drilling fluid performance. The PSIFIBER LCM had good temperature resistance and strong plugging effect, and penetrated into a sand bed for 11mm. The combination of PSIFIBER LCM, rigid plugging agent and elastic plugging agent can effectively solve the problem of drilling fluid loss, and has a good sealing effect on the fractures of 1 ～3 mm. The oil-based drilling fluid lost circulation prevention and plugging technology while drilling was formed, and it has been applied in Guole 303H well with good effect. The lost circulation problem of Guole 303H well has been successfully solved and normal drilling has been resumed.

Lost circulation material; Modified mineral fiber; Oil-based drilling fluid; Application

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢機(jī)理與控制方法（項(xiàng)目編號(hào)：41772388）。

2021-04-14

劉瑞（1997-），男，碩士在讀，山東棗莊人，研究方向：鉆井液工藝及堵漏技術(shù)。

于培志（1962-），男，教授，博士。

TE1; TE3

A

1004-0935（2021）06-0784-05