低熒光鉆井液防塌封堵新材料及其作用機理

李之軍 蒲曉林 王 貴 陳 勇 蘇 亞

1．“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2．中國石化中原油田工程有限公司西南鉆井分公司3．中國石油塔里木油田公司庫車勘探開發(fā)項目部

井壁失穩(wěn)一直困擾著油氣工業(yè)界，在世界許多油氣田都存在，也一直沒有得到很好的解決。國內外數(shù)百口井的統(tǒng)計說明，所鉆泥頁巖地層占所鉆總地層的70%，而90%以上的井塌發(fā)生在泥頁巖地層，其中硬脆性泥頁巖地層約占2／3［1－2］。硬脆性泥頁巖中發(fā)育的一部分微裂縫是導致井壁失穩(wěn)的重要原因，當鉆遇硬脆性泥頁巖地層時，在壓差、毛管力和化學勢差的作用下，鉆井液濾液沿微裂縫進入地層，導致黏土礦物水化膨脹，使得近井壁地帶孔隙壓力增加，同時，由于液相的進入，導致微裂縫擴展延伸和膠結強度降低，地層強度下降，最終導致發(fā)生井壁剝落、坍塌［3－11］。由此看來，液相的進入是導致硬脆性泥頁巖地層發(fā)生井壁失穩(wěn)的主要誘因。因此，在鉆井液中加入一部分封堵粒子對微裂縫進行物理封堵，截斷鉆井液液相進入地層的通道，阻止壓力的傳遞，是防止含微裂縫的硬脆性泥頁巖地層發(fā)生井壁坍塌的有效手段之一［1，11－13］。

筆者介紹了一種類似于瀝青類的防塌封堵新材料SAL，通過實驗對其性能進行了分析，并利用研制的鉆井液防塌封堵評價儀對SAL的封堵效果進行了評價，結合蔡司體式顯微鏡V12型所拍微觀照片，分析了SAL封堵微裂縫的作用機理。

1 SAL材料性能

目前，封堵材料有瀝青類防塌劑、聚合醇類防塌劑及鋁化合物防塌劑［14］，應用較為普遍的還是瀝青類防塌劑。但是這類防塌劑因為熒光性較強，往往限制了其在鉆井尤其是鉆探井時的應用。為此，研制了類似于瀝青類封堵劑但具有低熒光性的防塌封堵新材料SAL。

1．1 熒光分析

鉆井液防塌封堵劑如果熒光強度較高，則會對地質錄井造成干擾，影響其結果的正確性，所以，對SAL進行熒光分析具有重要意義。將SAL溶解于無熒光顯示的有機溶劑正庚烷中，配制成濃度為78．1mg／L的單劑溶液，對照組為蒸餾水。觀察每組熒光顯示情況（激發(fā)波長為254nm，掃描發(fā)射波長為400～600 nm），結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，78．1mg／L的SAL溶液熒光顯示幾乎與蒸餾水一樣，說明封堵新材料SAL無熒光基團，應用于鉆井過程中，對地質錄井不會構成干擾，適合于各種鉆井工程。

1．2 抑制性能

筆者選擇泥頁巖滾動回收和膨脹實驗來評價SAL的抑制性。

圖1 SAL熒光光譜圖

泥頁巖滾動回收實驗樣品采用四川地區(qū)紅層土，實驗用基漿為4%濃度預水化優(yōu)質膨潤土漿。SAL與蒸餾水的滾動回收率見圖2。

圖2 SAL頁巖滾動回收率圖

膨脹實驗樣品選取已制好的標準膨潤土巖心，測定巖心2h和16h的線膨脹率，待測液為基漿＋3%SAL的120℃時高溫高壓濾液。SAL與蒸餾水的膨潤土膨脹率見表1。

表1 SAL頁巖膨脹率表

由圖2、表1可以看出，SAL無論在蒸餾水中還是在原漿中都具有一定的抑制性，滾動回收率皆超過70%，膨脹率比清水降低約一半。此外，SAL的抑制性隨著溫度的升高變化不大。

1．3 配伍性

實驗考察了4%濃度的SAL對鉆井液流變性和pH值的影響。在4%濃度優(yōu)質膨潤土漿中加入4%的SAL，在80℃恒溫滾子爐中老化16h，冷卻后測其流變性能和pH值（表2）。

表2 不同濃度SAL下的鉆井液流變性能表

由表2可知，SAL對鉆井液的流變性影響不大，只是略有上升；動、靜切力略微上升；動塑比有所下降?？偟膩碚fSAL對鉆井液的流變性能影響較小，對pH值基本無影響。

2 SAL封堵效果評價

2．1 封堵效果評價方法

根據(jù)含微裂縫硬脆性泥頁巖地層的特點，自行研制能夠模擬微裂縫的金屬縫板，模擬20～100μm的微裂縫。與高溫高壓靜失水儀配套使用，構成能夠模擬地層微裂縫的鉆井液防塌封堵儀，并由此建立起微裂縫地層鉆井液封堵防塌能力的評價方法。待測量完畢之后，取出微裂縫，觀察封堵材料對微裂縫的封堵情況，再結合失水量的多少，分析封堵效果的好壞。

2．2 不同濃度SAL的封堵效果

以4%濃度的優(yōu)質膨潤土漿預水化24h后作為基漿，分別加入1%、2%、3%、4%的SAL，在高溫高壓條件下封堵20μm微裂縫，結果如圖3。

圖3 不同濃度SAL的封堵效果圖

由圖3可知，不同濃度的SAL封堵20μm微裂縫的能力是不一樣的?；鶟{對微裂縫形成了一定的封堵，10min過后濾失量增加的幅度有所減小，但還是表現(xiàn)出了較多的失水，說明沒有完全封堵住微裂縫，還存在著濾失通道。SAL隨著濃度的增加，封堵裂縫的能力增強，濾失速率在減小，10min后濾失量增加幅度都明顯減小。特別是3%和4%濃度下，效果最好，瞬時濾失小，總的濾失量小，10min后的濾失量幾乎沒有增幅。

2．3 不同溫度下SAL的封堵效果

壓差為3．5MPa，測量SAL在溫度為90℃、110℃、120℃和130℃時的濾失量，結果如圖4所示。可以看出，SAL在120℃封堵微裂縫的效果最好。SAL在低于軟化點溫度時，由于軟化變形作用不強，封堵效果較差。在接近軟化點附近效果最好，軟化變形作用強，在壓差作用下，容易擠入微小孔隙中，使封堵層更加致密，濾液量大幅降低。

圖4 SAL在不同溫度下封堵微裂縫的效果

2．4 不同壓力下SAL的封堵效果

溫度為120℃，測量SAL在壓力為0．5MPa、1MPa、2MPa和3．5MPa時的濾失量，結果如圖5所示。可以看出，隨著壓力的上升，濾失量都在增大。在壓力為0．5MPa時，濾液量都很低，在壓力增加到2MPa時，濾液量有所上升，而后隨著壓力的增加，濾液量增幅很小，這是由于在2MPa左右，由于SAL變軟變形，在封堵層中被壓實，形成致密封堵，封堵層承壓能力也在增強，濾液增加量必然會降低?？偟膩碚f，SAL在不同壓力情況下，封堵微裂縫的效果都較好。

圖5 SAL在不同壓力下封堵微裂縫的效果圖

3 SAL作用機理分析

對封堵材料的微觀封堵分析，采用蔡司體式顯微鏡V12型微觀拍照，觀察SAL對微裂縫的封堵情況。選擇3%濃度的SAL在120℃情況下封堵20μm微裂縫的結果進行觀察，封堵情況如圖6、7所示。

圖6 微裂縫的SAL封堵物照片

圖7 放大的SAL封堵物照片

在封堵過程中SAL和黏土顆粒同時對微裂縫進行架橋封堵，因SAL在高溫高壓下會軟化變形，SAL很容易嵌入微小空隙中，并使得架橋形成的封堵層變得可壓縮，致密性大幅增加。通過圖6可以看出，在裂縫內部形成了封堵層，封堵層壓實程度高，非常致密，并且封堵在微裂縫內部的前段，沒有遍及整個裂縫，裂縫尾部幾乎沒有封堵材料。圖7為圖6封堵物放大50倍的形態(tài)照片，從中可以看到，灰黑色的SAL已經不是顆粒形狀，在高溫下軟化變形，再在壓差作用下被壓實，并同黏土顆粒聚結在一起，形成了團狀物。這種團狀物使得封堵帶致密性大幅度提高，幾乎不存在滲流通道，封堵微裂縫效果很好。

對SAL封堵微裂縫的微觀觀察及其宏觀性能分析，不難得出SAL的作用機理與瀝青類封堵劑類似。在溫度和壓力的作用下，SAL發(fā)生軟化變形，與黏土顆粒一起被擠入到裂縫中去，形成封堵帶并且可以壓縮。同時，因為SAL的軟化變形作用，封堵帶中微小的滲流通道被充填，變得更加致密，使得封堵帶滲透率極低，從而大幅降低濾失量，起到非常好的封堵效果。

4 結論

含微裂縫的硬脆性泥頁巖地層發(fā)生井壁失穩(wěn)的主要誘因之一是鉆井液中的液相進入微裂縫，使得近井壁地帶孔隙壓力升高，微裂縫擴展延伸和膠結強度下降，地層強度降低，最終發(fā)生井壁剝落、坍塌。

鉆井液防塌封堵新材料SAL具有類似于瀝青類封堵劑的特點但具有較低的熒光特性，對鉆井液流變性幾乎沒有影響。在濃度為3%、溫度為120℃條件下，封堵效果最好。在其軟化溫度范圍內軟化變形，在壓差的作用下進入微裂縫地層架橋、填充，形成一層致密的封堵帶，阻止鉆井液中的水進入地層，從而防止微裂縫地層發(fā)生井壁坍塌。

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