用馬爾文3000 激光粒度儀測(cè)定鉆井液用酸溶性暫堵劑的粒度

刁琪， 王沖敏， 陳緣博,王超群

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201; 2.天津中海油服化學(xué)有限公司，天津?yàn)I海 300450）

1 暫堵劑及其作用機(jī)理

1.1 井漏的產(chǎn)生及條件

廣義的井漏是指在石油、天然氣的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各種流體，包括鉆井液（俗稱(chēng)泥漿）、完井液、水泥漿等其它工作液體在地層壓力作用下滲漏，進(jìn)入地層的一種復(fù)雜情況。 通常情況下，我們所說(shuō)的 “井漏” 是指在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，泥漿滲透，進(jìn)入地層的一種常見(jiàn)的井下事故。 井漏現(xiàn)象產(chǎn)生需要具備如下的條件：1）地層中存在能使泥漿流動(dòng)的滲漏通道，如：小的孔隙、大的裂縫等。 2）井筒與地層之間存在能使泥漿在滲漏通道中發(fā)生流動(dòng)的壓力差。 要預(yù)防井漏現(xiàn)象的發(fā)生，可以提高地層的承壓能力。 地層特性對(duì)漏失壓力有著重要影響，一般可以用人工干預(yù)來(lái)堵住近井筒的滲漏通道，來(lái)增大泥漿進(jìn)入漏失層的阻力來(lái)提高地層的抗壓能力。 對(duì)于孔隙-裂縫型漏失層，一般往往在泥漿中加入堵漏材料。 其會(huì)在地層壓力的作用下到達(dá)漏失層。 以封堵近井道的滲漏通道，來(lái)提高地層的抗壓能力，起到防漏作用。

1.2 堵漏的原理

堵漏的原理一般來(lái)說(shuō)是在鉆井和完井工程中，若發(fā)生漏失，為了封堵漏失層，往往加入各種堵漏材料。 其可在距井筒很近的范圍的滲漏道路上形成一道堵塞隔墻， 來(lái)隔斷泥漿流動(dòng)的通道。對(duì)堵漏材料的要求是，堵漏材料的物相、材料的形狀、尺寸大小、鉆井液的流變性能等都要適應(yīng)漏失通道的形態(tài)，這樣才能進(jìn)入漏層。

1.3 堵漏的方法

常見(jiàn)的堵漏方法一般有以下幾種：1）調(diào)整泥漿性能與鉆井施工的措施， 一般降低泥漿密度、調(diào)整其流變參數(shù)和泵流量等方法，來(lái)減小井筒液柱壓力，減小井筒的壓力和環(huán)空壓力損耗，改變泥漿在滲漏通道的流動(dòng)阻力，此方法可以用于堵住滲透性孔隙地層的滲漏。 2）靜止堵漏通常是指在發(fā)生完全或部分井漏的情況下，將鉆桿提到井漏井段或提至套管內(nèi)，靜置一段時(shí)間以后，井漏現(xiàn)象就會(huì)解除。 3）橋接材料堵漏法是指將不同形狀，例如：顆粒狀、片狀、纖維狀等和不同尺寸大小，可分為粗、中、細(xì)的惰性材料，將其按照不同的配方混合于泥漿中，直接注入漏失層。 采用橋接堵漏方法進(jìn)行操作時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的漏失性能情況，選擇合適的堵漏材料進(jìn)行顆粒級(jí)配和質(zhì)量配比。 4）高濾失鉆井液堵漏法，高濾失漿液堵漏法是將高濾失堵漏材料，用清水配制成泥漿，之后將泥漿泵入井內(nèi)進(jìn)行封堵的一種方法。 在地層壓力的作用下，泥漿會(huì)迅速失水，形成具有一定厚度的濾餅，來(lái)堵住漏失通道。 該方法應(yīng)用范圍較廣，在滲透性漏失、部分漏失以及某些完全漏失的情況均可應(yīng)用。 但是通常需要在漏失位置確定的情況下應(yīng)用有更好效果。 5）暫堵法是指利用暫堵材料對(duì)漏失層進(jìn)行堵漏， 在油氣井投產(chǎn)后，使用相應(yīng)的解堵劑進(jìn)行解堵的一種封堵方法。 該法主要適用于封堵滲透性和微裂縫地層的滲漏，而且能有效地減少因漏失造成的油氣層的損害。

當(dāng)前酸溶性暫堵劑應(yīng)用，主要是不同粒徑的CARB 系列暫堵劑。 CARB 系列暫堵劑是一種白色自由流動(dòng)粉末，在儲(chǔ)層孔隙中進(jìn)行理想充填，實(shí)現(xiàn)高效封堵，具有良好的承壓能力。 CARB 系列暫堵劑可酸溶， 在油氣井投產(chǎn)以后采用相應(yīng)的解堵劑可進(jìn)行有效的解堵，具有優(yōu)異的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

CARB 的粒度分布對(duì)封堵性能產(chǎn)生較大的影響， 高效準(zhǔn)確的測(cè)定CARB 系列樣品的粒度分布， 對(duì)于室內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用都有重要的意義。目前有很多種顆粒粒徑的測(cè)量方法，在其中激光散射是應(yīng)用最廣泛的一種，該方法具有測(cè)量范圍廣，可以達(dá)到0.02～3000μm，粒度分析快，重復(fù)性好，可進(jìn)行在線(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量等特點(diǎn)。 對(duì)于室內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用粒徑控制都有較高的作用。 除此之外， 激光粒度儀可以得到多種粒度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如：平均粒徑、比表面積、區(qū)間粒度分布和累計(jì)粒度分布等。 現(xiàn)階段，粒度分析在材料工程、石油化工等領(lǐng)域具有非常重要的作用。 近年來(lái)，研究者們也發(fā)展了多種有關(guān)粒度分布的測(cè)試和測(cè)量方法，而激光粒度分析法測(cè)量速度快、精確度高級(jí)、準(zhǔn)確讀好等優(yōu)點(diǎn)被人們普遍使用。 本文使用馬爾文MS3000 激光粒度儀對(duì)CARB 系列樣品進(jìn)行了系統(tǒng)全面的粒徑分析工作，對(duì)于測(cè)量條件進(jìn)行了對(duì)比分析，從而篩選出更優(yōu)的測(cè)試條件。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

2.1.1 儀器

Malvern Mastersizer 3000 型激光粒度分析儀（英國(guó)馬爾文儀器有限公司），Hydro EV 全自動(dòng)濕法進(jìn)樣裝置，Aero S 全自動(dòng)干法進(jìn)樣裝置。

Malvern Mastersizer 3000 型激光粒度分析儀分析軟件是應(yīng)用Mie 理論開(kāi)發(fā)的[1]，量程達(dá)到0.01～3500μm，在亞微米范圍內(nèi)具有超高的分辨率。 測(cè)量速度高達(dá)10000 次/s， 對(duì)于任何分布不規(guī)則的樣品均可達(dá)到極高的測(cè)量精度。 與Malvern Mastersizer 2000 相比，藍(lán)光功率大大增強(qiáng)，提高了小顆粒的分辨率， 輸出結(jié)果為連續(xù)的粒徑分布，操作簡(jiǎn)單，重復(fù)性好[2]。

2.1.2 試劑

CARB 系列樣品（CARB-1、CARB-2、CARB-3、CARB-4）；蒸餾水，娃哈哈集團(tuán)。

2.2 測(cè)試機(jī)理

Malvern Mastersizer 3000 型激光粒度分析儀，激光器發(fā)出的復(fù)色光束，通過(guò)空間濾波器和擴(kuò)速濾鏡后，會(huì)得到了一個(gè)平行的單色光束，該光束照射到由分散系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的顆粒樣品后發(fā)生散射。 研究表明，散射光的角度和顆粒直徑成反比，散射光的強(qiáng)度隨散射角的增加對(duì)數(shù)衰減。 基于此，根據(jù)小角光衍射原理，當(dāng)光線(xiàn)照射到顆粒上時(shí)會(huì)發(fā)生衍射、散射現(xiàn)象。 其散射、衍射光的強(qiáng)度也與顆粒的大小有直接的關(guān)系。 顆粒尺寸不同，產(chǎn)生的衍射角不同，用非均勻交叉大面積補(bǔ)償三維立體檢測(cè)系統(tǒng)收集衍射光，其接收到的信號(hào)通過(guò)Mie 理論會(huì)轉(zhuǎn)化成粒度分布[3]。

2.3 測(cè)試前預(yù)處理

干法測(cè)試需要提前將樣品放入100℃烘箱干燥16h，防止樣品因潮濕結(jié)塊，影響顆粒的分散，從而影響測(cè)試結(jié)果。

濕法測(cè)試則不需要提前處理樣品，只需在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，進(jìn)行消泡處理。 激光粒度儀可能會(huì)把待測(cè)液中的氣泡當(dāng)作待測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)量。 因此氣泡的存在會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響。 可以通過(guò)調(diào)節(jié)泵速等來(lái)消除氣泡。

2.4 測(cè)試步驟

干法測(cè)試：測(cè)試前確保儀器連接Aero S 附件。啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行SOP，測(cè)試背景完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)振動(dòng)，根據(jù)提示加入樣品，到遮光度達(dá)0.1%～10%。 樣品由文丘里管進(jìn)入檢測(cè)器后，自動(dòng)給出粒徑分布。

濕法測(cè)試：測(cè)試前確保儀器連接Hydro EV 附件。 在600mL 燒杯中加入500mL 去離子水，開(kāi)啟儀器，啟動(dòng)手動(dòng)測(cè)量選項(xiàng)，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始進(jìn)行背景測(cè)量， 根據(jù)提示加入樣品， 到遮光度達(dá)到10%～30%，開(kāi)始測(cè)量三次，儀器自動(dòng)給出粒徑分布[4]。

3 結(jié)果與討論

3.1 濕法攪拌速度（泵轉(zhuǎn)速）對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

以CARB-1 樣品為例，將其加入到盛有500mL蒸餾水的燒杯中，在不同的攪拌速度（1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500 r/min）下加入樣品，使遮光度為10%～30%，在超聲強(qiáng)度為50 的條件下攪拌1min，超聲結(jié)束后，穩(wěn)定30s 后，測(cè)定其粒徑及粒徑分布。

攪拌速度從1000 r/min 增加到3500 r/min，粒徑分布曲線(xiàn)的重疊程度較高， 但是依然有 差 異。 當(dāng) 攪 拌 速 度 達(dá) 到3500r/min 時(shí)， 攪 拌速度過(guò)大， 樣品和水向外溢出， 導(dǎo)致樣品不在測(cè)量的遮光范圍內(nèi)， 測(cè)量得到的顆粒粒徑偏小。 由表1 可以看出： 在攪拌速度為2500 r/min 時(shí)， 測(cè) 試 的 殘 差 是 最 小 的， 在 測(cè) 量CARB 的濕法測(cè)試中，2500 r/min 是最優(yōu)的攪拌速度。

表1 不同攪拌速度下，測(cè)試結(jié)果的殘差

3.2 超聲強(qiáng)度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

以CARB-1 樣品為例，將其加入到盛有500mL蒸餾水的燒杯中， 在2500 r/min 的攪拌速度下加入樣品，使遮光度為10%～30%。 在超聲強(qiáng)度為0、25、50、100 的條件下分散60s 后， 超聲結(jié)束后穩(wěn)定30s 后，測(cè)定其粒徑及粒徑分布。 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同超聲強(qiáng)度下超聲60s，穩(wěn)定30s 的粒徑分布曲線(xiàn)圖

由表2 可知：這四組數(shù)據(jù)的殘差都小于2%，說(shuō)明用儀器測(cè)得的值與理論值偏差較小，數(shù)據(jù)可信程度較高。 由圖2 可知：未超聲的樣品粒徑峰分布比較寬，大粒徑的顆粒較多，會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。 經(jīng)過(guò)超聲，粒徑分布峰變窄，團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善。 在不同的超聲強(qiáng)度下，粒徑分布曲線(xiàn)重現(xiàn)度較高，主要是由于暫堵劑顆粒顆粒不易被超聲擊碎，不會(huì)影響粒徑的測(cè)試。 結(jié)合表2 的殘差，超聲強(qiáng)度為50 的殘差最小，是最優(yōu)的超聲強(qiáng)度。

表2 超聲強(qiáng)度對(duì)樣品粒徑的影響

3.3 超聲時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

以CARB-1 樣品為例，將其加入到盛有500mL蒸餾水的燒杯中， 在2500r/min 的攪拌速度下加入樣品，使遮光度為10%～30%。在超聲強(qiáng)度為50 的條件下分散30s、60s、90s 后，超聲結(jié)束后穩(wěn)定30s 后，測(cè)定其粒徑及粒徑分布。 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3 和表3。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)樣品粒徑的影響

表3 超聲時(shí)間對(duì)樣品粒徑的影響

從圖3 可以看出：在不同的超聲時(shí)間下，樣品粒徑分布曲線(xiàn)圖重疊度高，說(shuō)明超聲時(shí)間對(duì)樣品的粒徑分布影響較小。 可能是由于CARB 是由不同粒徑的暫堵劑顆粒組成， 暫堵劑顆粒不容易被超聲擊碎， 超聲時(shí)間不會(huì)對(duì)其粒徑的測(cè)試產(chǎn)生影響。

3.4 干法和濕法測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

分別以CARB-1、CARB-2、 CARB-3 樣品為例，對(duì)比干法和濕法測(cè)試方法對(duì)樣品測(cè)試結(jié)果的影響。 干法的測(cè)試條件設(shè)置為：分散劑為空氣，分散劑的折射率為1.00；進(jìn)樣速率為50%；壓縮機(jī)的氣壓為2bar（0.2MPa）；遮光度在0.1%～10%的范圍內(nèi)。 濕法的測(cè)試條件設(shè)置為： 遮光度上限30%，下限10%，攪拌速度2500 rpm，開(kāi)強(qiáng)度為50的超聲攪拌1min 后， 穩(wěn)定30s。 測(cè)試的結(jié)果見(jiàn)表4。 從測(cè)試的三個(gè)樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn)：干法的測(cè)試結(jié)果比濕法的測(cè)試結(jié)果偏小。 可能是由于在目前的參數(shù)條件下，CARB 樣品在干法吹散的條件下，分散的更加徹底，而在濕法水溶液中，由于CARB 樣品顆粒周?chē)鷷?huì)吸附水分， 導(dǎo)致顆粒略微吸水膨脹，使粒徑的測(cè)試結(jié)果偏高。

表4 干法、濕法測(cè)試方法對(duì)樣品粒徑的影響

4 結(jié)語(yǔ)

不同的分散條件對(duì)于CARB 粒徑的測(cè)量結(jié)果有很大的影響， 本文考察了多種測(cè)試條件對(duì)CARB 粒徑測(cè)試結(jié)果的影響。 實(shí)驗(yàn)表明超聲對(duì)于樣品的分散起到?jīng)Q定性的作用，超聲強(qiáng)度會(huì)決定樣品分散時(shí)間的長(zhǎng)短和分散能力的優(yōu)劣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了測(cè)試CARB 粒徑的最佳濕法測(cè)試條件，該條件下測(cè)得的各數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，準(zhǔn)確度高。干法和濕法對(duì)測(cè)試結(jié)果也有影響，主要是因?yàn)闈穹ㄖ械乃謺?huì)少量吸附在顆粒的表面，導(dǎo)致顆粒略微吸水膨脹，使粒徑的測(cè)試結(jié)果偏高。