防塌封堵劑對油基鉆井液性能的影響及機理

＊李茂森 尹雨紅 范勁

（1.中國石油川慶鉆探工程公司鉆井液技術服務公司 四川 610051 2.西南石油大學石油與天然氣工程學院 四川 610500）

四川盆地龍馬溪組由于其儲層構造復雜，微裂縫發(fā)育，鉆井液濾液易沿著微裂隙進入地層，引起孔隙壓力傳遞以及微裂縫擴展，從而導致泥頁巖易井壁失穩(wěn)。油基鉆井液可避免因泥頁巖的水化問題而造成的井壁失穩(wěn)問題，因此提高油基鉆井液的封堵性可從根本上增強井壁穩(wěn)定性。目前關于油基鉆井液封堵性的研究多集中于新型油基封堵劑的研制方面，而在各種封堵劑對油基鉆井液封堵性和流變性影響的綜合研究上卻鮮有報道。本文將結合四川盆地龍馬溪組微裂縫發(fā)育地層的地質特征，通過高溫高壓濾失量測定、流變性測試和微觀形貌分析，研究了超細碳酸鈣、復合樹脂、成膜封堵劑等7種封堵劑對油基鉆井液性能的影響，并進行了封堵劑的封堵機理分析。

1.實驗部分

(1)材料與儀器

實驗材料：膨脹石墨（粒徑50-100μm）；彈性石墨 （粒徑40μm）；磺化瀝青（軟化點120℃）；復合樹脂（粒徑20-100μm）；超細碳酸鈣（粒徑20μm）、聚乙二醇（1000分子量）；成膜封堵劑（FDM-1）、有機土（HFEL）、乳化劑（HFMO）、降濾失劑（HFLO）、氧化鈣，由川慶鉆探鉆井液有限公司提供。

實驗儀器：蔡司體視顯微鏡：V12型，上海百賀儀器科技有限公司；六速旋轉粘度計：ZNN-D6B型，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓濾失儀：GGS42-2A型，青島創(chuàng)夢儀器有限公司；高溫高壓金屬縫塊封堵儀，自制。

(2)實驗方法

①基漿的配置。量取320mL白油（3#）于高腳杯中，保持12000r/min轉速，依次加入6.4g有機土、12.8g乳化劑、9.6g氧化鈣、9.6g降濾失劑分別高速攪拌5min后，向其中加入80mL質量分數(shù)為26%的氯化鈣水溶液以及一定量的重晶石分別持續(xù)攪拌20min，最終得到密度為1.5g/cm3的油基鉆井液基漿。

②鉆井液封堵性測定。利用實驗室自制金屬縫塊配合使用高溫高壓濾失儀，通過調節(jié)縫塊模擬頁巖地層不同開度的微裂縫，其操作方法與高溫高壓濾失儀的操作方法相同，通過記錄濾失量以及觀察微裂縫內部封堵情況進而評價出各類封堵劑在油基鉆井液中的封堵性能。

通過對各地區(qū)龍馬溪組頁巖微裂縫發(fā)育特征調研統(tǒng)計分析，以微裂縫開度為80μm作為龍馬溪組微裂縫發(fā)育地層油基鉆井液封堵材料封堵效果的研究對象。

③鉆井液流變性測定。將同一濃度的不同種類封堵劑加入基漿中，高速攪拌20min，用六速旋轉粘度計測定加入不同種類封堵劑鉆井液老化前后的流變數(shù)據。

④微觀作用機理分析。用體式顯微鏡放大90倍觀察加入封堵劑前后微裂縫內部的微觀封堵形態(tài)，分析各類封堵劑的封堵作用機理。

2.結果與討論

(1)單一封堵劑對油基鉆井液性能的影響

①對油基鉆井液封堵性的影響。目前常用的封堵性能評價方法尚且不能有效對微裂縫進行封堵評價。為了更好地評價各類封堵劑對微裂縫的封堵效果，實驗室自行研制了高溫高壓金屬縫塊封堵儀，在溫度為150℃，壓差為3.5MPa，裂縫寬度為80μm條件下，分別測試加入7種封堵劑的鉆井液封堵微裂縫的性能，濾失量結果見圖1～圖3。

圖1 剛性及石墨類封堵劑對油基鉆井液封堵性的影響

由圖1可知，3種剛性及石墨類封堵劑的加入均對油基鉆井液封堵性產生影響，其中膨脹石墨的封堵效果最好，瞬時濾失量在2mL左右，總濾失量僅有3mL，說明膨脹石墨可通過架橋及石墨本身的彈性對微裂縫實現(xiàn)有效封堵。

由圖2可知，與油基基漿對比，加入可變形類油基封堵劑的鉆井液高溫高壓濾失量均明顯下降，總濾失量均小于6mL，后20min內的濾失量幾乎沒有變化，說明可變形類油基封堵劑通過自身顆粒的高溫軟化變形能在較短時間內在微裂縫內形成致密封堵層。

圖2 可變形類封堵劑對油基鉆井液封堵性的影響

由圖3可知，聚乙二醇對油基鉆井液的濾失量降低率僅有39%，其原因為聚乙二醇不溶于油，因此并沒有到達其“濁點”后膠體顆粒析出的過程，這相當于聚乙二醇在油基鉆井液中是直接參與了物理封堵，因此對微裂縫的封堵效果差。

圖3 其它封堵劑對油基鉆井液封堵性的影響

②對油基鉆井液流變性的影響。對封堵效果較好的封堵劑進行流變性測定，將濃度為3%的不同種類封堵劑加入基漿中，高速攪拌20min，測試加入不同種類封堵劑鉆井液老化前后的流變數(shù)據，實驗結果見表1。

表1 不同封堵劑對鉆井液流變性的影響

由表1可以看出，向油基基漿中加入總濃度為3%的各類的封堵材料后，除加入膨脹石墨的鉆井液的流變性參數(shù)有明顯上升外，其余封堵劑加入后對鉆井液流變性能影響程度不大，其中成膜封堵劑對鉆井液流變性的影響最小。

(2)復配封堵劑對油基鉆井液性能的影響

結合以上各類封堵劑對油基鉆井液的封堵性及流變性的影響測試，選出對微裂縫封堵效果最好的復合樹脂以及對油基鉆井液流變性影響最小的成膜封堵劑，將兩種封堵單劑按一定比例進行復配，評價其復配后鉆井液的性能，并確定出最佳復配比例。

①對油基鉆井液封堵性的影響。向油基基漿中加入總濃度為3%的復配封堵劑，分別測試不同比例下復配封堵劑對微裂縫的封堵性能，測試溫度為150℃，壓差為3.5MPa，微裂縫寬度為80μm，實驗結果見圖4。

圖4 復配封堵劑對油基鉆井液封堵性的影響

由圖4可以看出，復配后的封堵劑對油基鉆井液封堵性的影響較大，前5min內便能在微裂縫內形成有效封堵層，總濾失降低率達到80%左右，與單一封堵劑相對比，復配封堵劑封堵效果均強于單一封堵劑，其中復合樹脂和成膜封堵劑的復配比值為2:1和1:1時封堵效果最好。

②對油基鉆井液流變性的影響。將封堵效果較好復配比例的封堵劑加入基漿中，高速攪拌20min，進行流變性測定，實驗結果見表2。

表2 封堵劑復配后流變性評價

由表2可以看出，復合樹脂和成膜封堵劑的復配比例為2:1時的鉆井液流變性參數(shù)有略微上升，復配比例為1:1時對鉆井液流變性能影響較小。

因此，基于流變性評價以及封堵性評價結果，確定出復合樹脂和成膜封堵劑復配比例為1:1時為最佳復配比。

(3)封堵劑作用機理分析

①單一封堵劑作用機理分析。為了進一步研究封堵劑的封堵效果以及作用機理，拆卸金屬縫塊從宏觀觀察裂縫內部的封堵情況，并利用顯微鏡技術放大90倍對微裂縫內部截面進行了微觀研究。從宏觀和微觀角度對比分析了油基基漿、復合樹脂和成膜封堵劑對微裂縫的封堵效果，見表3。

表3 微裂縫封堵效果圖

通過表3中的微裂縫封堵宏觀對比圖可以看出，與基漿在微裂縫的封堵情況不同的是加入復合樹脂和成膜封堵劑后的鉆井液均能在微裂縫內部形成一條完整的封堵帶。從裂縫內部微觀結構來看，復合樹脂經高溫軟化后進入微裂縫后層層堵塞，樹脂顆粒遍布微裂縫內部整個區(qū)域，進而實現(xiàn)對微裂縫的致密封堵；成膜封堵劑則主要堆積在微裂縫后端，在熱壓差下膠粒之間相互交聯(lián)、堆積在微裂縫內部形成有效封堵層。

②復配封堵劑作用機理分析。從裂縫內部宏觀結構來看，加入復配封堵劑的鉆井液在微裂縫中所形成的封堵帶與單一封堵劑相比更為緊密，使用體式顯微鏡繼續(xù)放大觀察其微觀形態(tài)后發(fā)現(xiàn)，復配封堵劑在微裂縫中形成了多條封堵帶層層封堵，其中復合樹脂封堵劑通過高溫軟化變形對微裂縫進行初步架橋，成膜封堵劑則在壓差作用下對孔隙繼續(xù)進行填充隨后在溫度影響下鏈接成膜將顆粒進一步膠結在一起，從而形成一個較為致密的整體。

圖5 加入復配比例1:1封堵后微裂縫內部微宏觀圖（微觀×90倍）

3.結論

（1）膨脹石墨、復合樹脂和成膜封堵劑對微裂縫的封堵效果較優(yōu)，均在裂縫內部形成了一條完整的封堵帶，封堵效果好；成膜封堵劑對油基鉆井液流變性的影響最小。（2）復合樹脂和成膜封堵劑總濃度為3%，復配比例為1:1時，既能有效封堵微裂縫又能保證對基漿流變性能產生較小影響。（3）復合樹脂和成膜封堵劑復配封堵可通過兩者協(xié)同作用，復合樹脂高溫軟化變形架橋，成膜封堵劑形成的膠膜將顆粒膠結在一起，從而在微裂縫內部形成一個致密的整體。