膠結(jié)型強封堵防塌劑的研制與性能評價*

余加水，尤志良，付超勝，敖 天，蔣官澄，謝春林，孔德昌

（1.中國石油西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油大港油田石油工程研究院，天津 300280；3.油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學(xué)（北京）），石油工程教育部重點實驗室（中國石油大學(xué)（北京）），北京 102249）

0 前言

新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)具有優(yōu)良的生油氣條件，勘探潛力巨大，是油氣資源的有利接替區(qū)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多個含油氣構(gòu)造和油氣聚集帶。在鉆井過程中，由于存在巨厚礫巖層、高陡地層發(fā)育、客觀存在地應(yīng)力的各向異性、多套壓力系統(tǒng)共存，同時因為構(gòu)造運動造成地層破碎易垮塌、漏失，井眼復(fù)雜，嚴(yán)重制約了鉆井速度［1］。

隨著鉆井過程的進(jìn)行，地層條件越來越復(fù)雜，地層呈現(xiàn)破碎性、孔縫發(fā)育和水敏性增強等特點，使用水基鉆井液封堵會導(dǎo)致地層巖石水化膨脹，應(yīng)力狀態(tài)改變，引發(fā)井壁失穩(wěn)和井漏。而采用常規(guī)的油基鉆井液封堵技術(shù)也難以解決破碎性地層引起的承壓能力弱、孔縫發(fā)育等問題，導(dǎo)致油井大量掉塊與井塌、繼而卡鉆等嚴(yán)重事故。因此，研發(fā)一種具有膠結(jié)破碎性地層、強封堵孔縫性地層、強化井眼、提高井壁巖石強度的油基鉆井液封堵劑是解決該問題的關(guān)鍵［2］。

為了更好地解決準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)復(fù)雜破碎地層極易引起的井漏和井壁失穩(wěn)問題，必須使用具有封堵性能的油基鉆井液提高地層的承壓能力，以保護(hù)井壁穩(wěn)定。國內(nèi)外鉆井工作者對于提高地層承壓能力已經(jīng)做了大量的研究和實踐，在封堵理論尚未形成前，現(xiàn)場的工程師主要通過經(jīng)驗封堵的方法進(jìn)行堵漏，以固井水泥、橋塞材料、石灰、膨潤土等混合物為主要的封堵材料。目前，國內(nèi)外關(guān)于提高地層承壓能力的機(jī)理中，比較具有代表性的有變形多級粒子充填理論、理想充填理論、“應(yīng)力籠”理論和理想的籠狀結(jié)構(gòu)體理論［3-7］。變形多級粒子填充理論給出了漏失層近井地帶的屏蔽堵塞機(jī)理，主要針對低孔低滲透漏失，不適用于高孔高滲或惡性漏失漏層，且要求粒子尺寸與漏失孔縫嚴(yán)格匹配［8］。理想充填理論能解決較寬孔縫分布的尺寸問題，但要求暫堵劑顆粒尺寸必須在一個合適的范圍內(nèi)，且與漏失孔縫尺寸嚴(yán)格匹配［9］?！皯?yīng)力籠”理論作用機(jī)理是通過適當(dāng)對井壁施壓、形成微小裂縫，鉆井液中合適的封堵材料迅速進(jìn)入裂縫，并在開口附近形成橋塞；形成的橋塞滲透率必須足夠低，能阻隔液柱壓力傳遞，產(chǎn)生能封堵裂縫、阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大、防止壓力傳遞到裂縫末端、提高井眼周向應(yīng)力的“應(yīng)力籠”效應(yīng)，起到防漏封堵效果［10］。理想的籠狀結(jié)構(gòu)體理論具有高封堵效率和高承壓能力，但也存在一定的缺點，包括對籠狀體包絡(luò)材料的特殊要求，以及實際狀態(tài)與理想狀態(tài)下的籠具有不完善性［11］。因此，基于現(xiàn)有的承壓堵漏理論存在的不足，考慮以仿生鉆井液理論為指導(dǎo)，通過模仿自然界動植物的結(jié)構(gòu)、功能、原理等，形成一套仿生強封堵理論，并研究一種以仿生強封堵理論為基礎(chǔ)的油基鉆井液強封堵防塌劑。

貝殼由有機(jī)相和無機(jī)相組成，其中無機(jī)相為占95%以上的CaCO3，其他部分為有機(jī)質(zhì)。貝殼通過有機(jī)質(zhì)與無機(jī)納米顆粒的膠結(jié)形成獨特的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中無機(jī)相形成棱柱層能提高貝殼的支撐能力和強度，有機(jī)質(zhì)形成的珍珠層和角質(zhì)層能提高貝殼的韌性及結(jié)構(gòu)強度。因此，筆者認(rèn)為貝殼的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)對于提高準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)復(fù)雜破碎性地層的承壓能力具有較好的應(yīng)用與發(fā)展前景。本文通過模仿貝殼的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)與組成，研究了一種適用于油基鉆井液的兩親型高分子樹脂納米膠結(jié)型強封堵防塌劑XZ-OSD。通過掃描電鏡和紅外光譜表征了XZ-OSD 的結(jié)構(gòu)，評價了其熱穩(wěn)定性、降濾失效果和封堵性，并分析了封堵機(jī)理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

XZ-OSD，主要材料為丙烯酸及其部分衍生物合成的丙烯酸樹脂，自制；氫氧化鈉、主乳化劑Span80、輔乳化劑烷基苯磺酸鈉（ABS）、有機(jī)土、CaO 等鉆井液添加劑均為工業(yè)品；3 號白油，工業(yè)級，北京英海慶工業(yè)潤滑油有限公司；納基膨潤土、Na2CO3，工業(yè)級，北京伊諾凱科技有限公司。

SU8010冷場發(fā)射掃描電鏡，株式會社日立制作所；TGA/DSC 1同步熱分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司；SD6 標(biāo)準(zhǔn)API 壓濾機(jī)、GGS71 高溫高壓（HTHP）失水儀，青島同春石油儀器有限公司；JHMD-Ⅲ巖心動態(tài)污染驅(qū)替儀，荊州市現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司。

1.2 實驗部分

（1）微觀結(jié)構(gòu)分析

將XZ-OSD 樣品粉末使用乙醇分散超聲處理后，滴在玻璃片上，烘干后進(jìn)行噴金處理，然后用掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

（2）熱穩(wěn)定性分析

將XZ-OSD 磨碎成粉，使用TG-DSC 聯(lián)用分析儀測定熱失重曲線（TG 曲線），分析熱穩(wěn)定性能。升溫速率為10℃/min，氮氣保護(hù)，測試溫度范圍為30數(shù)400℃。

（3）降濾失效果評價

①油基鉆井液基漿的制備:將270 mL 3 號白油、30 mL 蒸餾水、3% Span80、1%ABS、1%有機(jī)土和2%CaO 混合配成油基鉆井液基漿，評價基漿和基漿+1%XZ-OSD的API和HTHP降濾失效果。②API 濾失量測試:對新制備的鉆井液或150℃老化16 h 后的鉆井液進(jìn)行API 濾失量測試。隨后將250 mL 左右的液體倒入配有標(biāo)準(zhǔn)濾紙的標(biāo)準(zhǔn)API 壓濾機(jī)。在0.7 MPa壓力下濾失30 min，記錄濾液體積。③高溫高壓（HTHP）濾失量測試:將油基鉆井液加入高溫高壓失水儀中，并配以濾紙，在3.5 MPa、150℃的條件下濾失30 min，記錄濾液體積。

（4）封堵率的測定

將300 mL 4%的鈉基膨潤土基漿（6 L 自來水+4%納 基膨潤土+2‰ Na2CO3，攪拌24 h）與1%XZ-OSD混合配制堵漏漿，使用巖心動態(tài)污染驅(qū)替儀進(jìn)行封堵實驗，測試正向封堵率和反向封堵率，封堵溫度為60℃，驅(qū)替壓力為3.5 MPa，封堵時間125 min。

（5）堵漏能力評價

將240 mL 柴油與60 mL CaCl2溶液（30%）混合，隨后加入3%Span80、2%ABS、2%CaO、0數(shù)6%XZ-OSD，配制堵漏漿。通過高溫高壓失水儀和砂床（20數(shù)40 目）評價XZ-OSD 對滲透性漏失的封堵能力。將100 g砂床置于鉆井液杯底部，再將150 mL堵漏漿加入鉆井液杯中，測試堵漏漿在180℃和3.5 MPa下的HTHP濾失量，濾失30 min，記錄濾液體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠結(jié)型強封堵劑的封堵機(jī)理

XZ-OSD 顆粒進(jìn)入破碎地層后，一方面通過XZ-OSD的納米顆粒進(jìn)入地層不同尺寸的孔隙和裂縫中起到橋塞、封堵作用，同時顆粒遇油膨脹，依靠膨脹性能提高漏層內(nèi)壁的壓力和摩擦力，有效提高漏層巖石的承壓能力；另一方面，XZ-OSD顆粒通過聚合物鏈上的羥基等與地層巖石膠結(jié)形成類似貝殼的多節(jié)點“蜂窩”膠結(jié)層狀結(jié)構(gòu)，封堵地層并提高地層承壓能力和穩(wěn)定性，從而避免井漏和井塌等井下復(fù)雜情況。

2.2 膠結(jié)型強封堵劑的結(jié)構(gòu)

XZ-OSD的結(jié)構(gòu)中既含有親水性基團(tuán)銨基和羧基，又含親油性基團(tuán)酯基和苯環(huán)，但親油基團(tuán)多于親水基團(tuán)，因此，XZ-OSD屬于更親油的兩親型聚合物。在油基鉆井液中，XZ-OSD 粒子在油水界面排列，粒子更親油，大部分顆粒處于油相中，導(dǎo)致油水界面彎曲，使水分散在油中，乳液更加穩(wěn)定，濾失量降低；同時XZ-OSD粒子在界面上排列，空間上阻隔分散相碰撞聚并，增加乳液穩(wěn)定性。由XZ-OSD 樣品的掃描電鏡照片（見圖1）可見，XZ-OSD的形態(tài)為納米級球狀，外觀圓滑，粗糙度小，主要粒徑分布在50數(shù)200 nm之間。

圖1 XZ-OSD的掃描電鏡照片

由XZ-OSD 產(chǎn)物的紅外光譜圖（見圖2）可見，1724.13 cm-1處為酯羰基C=O 的伸縮振動峰，1234.21 cm-1處有C—O—C 存在，表明含有酯基；725.24 cm-1處為苯環(huán)的振動峰，表明合成產(chǎn)物符合設(shè)計要求。

圖2 XZ-OSD的紅外光譜圖

2.3 性能評價

2.3.1 熱穩(wěn)定性

膠結(jié)型封堵劑XZ-OSD 的熱重分析結(jié)果如圖3所示。XZ-OSD 在30數(shù)250℃出現(xiàn)4.42%的質(zhì)量損失，這是單體中殘留的水分揮發(fā)所致。在溫度達(dá)到250℃后，質(zhì)量損失速度增加，250數(shù)330℃之間的質(zhì)量損失為15.66%，表明XZ-OSD 在250℃開始熱分解。XZ-OSD在250℃以內(nèi)具有較好的熱穩(wěn)定性，能滿足鉆井使用。

圖3 封堵劑XZ-OSD的熱失重曲線

2.3.2 降濾失效果

對膠結(jié)型納米封堵防塌劑XZ-OSD進(jìn)行降濾失效果評價，分別測試了基漿、基漿＋1%XZ-OSD 熱滾前的API 濾失量和基漿、基漿＋1% XZ-OSD 150℃熱滾16 h 后的HTHP 濾失量。在加入1%XZ-OSD 后，熱滾前API 濾失量由未加時的3.6 mL降至1.0 mL，API 濾失降低率達(dá)72.22%；150℃熱滾16 h后的HTHP濾失量由未加時的14.0 mL降至2.6 mL，HTHP濾失降低率達(dá)81.43%，降濾失效果明顯。

2.3.3 封堵效果

采用4 塊不同的巖心，使用巖心動態(tài)污染驅(qū)替儀對XZ-OSD 進(jìn)行封堵實驗?；鶟{、基漿+1%XZ-OSD 的正反向封堵率如表1 所示。加入1%XZ-OSD后，正向封堵率由未加XZ-OSD前的21.2%增至82.5%，增加2.89 倍；反向封堵率由未加XZ-OSD 前的58.4%增至80.3%，增加0.4 倍。相對于基漿，封堵液的封堵率有了大幅度的提升，說明XZ-OSD的封堵性能良好。

表1 XZ-OSD對基漿封堵率的影響

2.3.4 堵漏性能

使用高溫高壓漏失儀進(jìn)行砂床堵漏實驗，測試了基漿、基漿+5% XZ-OSD 和基漿+6% XZ-OSD 3種堵漏漿在180℃熱滾16 h 前后的HTHP 濾失量。由表2可見，加入XZ-OSD后，180℃熱滾后的HTHP濾失量從未加時的全漏降至9 mL 或2 mL，降濾失效果高達(dá)96.0%、98.7%，說明封堵劑XZ-OSD 的封堵效果好，抗溫性能良好，可抗180℃。

表2 XZ-OSD對基漿堵漏性能的影響

3 結(jié)論

兩親型高分子樹脂納米膠結(jié)型強封堵防塌劑XZ-OSD 粒子在油水界面上排列，大部分位于油相中，通過空間阻隔分散相碰撞聚并，使水分散在油中，增加乳液穩(wěn)定性，降低濾失量。XZ-OSD的熱穩(wěn)定性較好，分解溫度為250℃。XZ-OSD具有良好的封堵效果和抗溫性，1%XZ-OSD可有效提高巖石的正向封堵率2.89 倍和反向封堵率0.4 倍；在堵漏漿中加入6%XZ-OSD，180℃熱滾16 h 后的濾失量僅為2 mL。