水基鉆井液防塌封堵材料封堵特性實(shí)驗(yàn)研究

劉徐三

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

0 引言

隨著能源勘探與開采的步伐加快，深井、超深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井等數(shù)量日益增多，深部復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)問題顯得更加突出［1］。不同的地層，其失穩(wěn)機(jī)理不盡相同，因而應(yīng)對的技術(shù)措施也有差別。目前，解決復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)的技術(shù)措施主要是提高鉆井液的抑制性能和封堵能力［2-6］。針對微裂縫發(fā)育的硬脆性頁巖、煤層等，由于其水化作用較弱，井壁失穩(wěn)主要是由于鉆井液中的水相沿著微裂縫進(jìn)入地層，產(chǎn)生水力尖劈作用，導(dǎo)致地層微裂縫擴(kuò)展與延伸而引起的［2，7］。因此，解決這一類地層井壁失穩(wěn)的主要措施是提高鉆井液的封堵能力，阻止井筒壓力的傳遞［8-9］。但不同的地層，地層溫度及壓力不同，且裂縫寬度分布從納米級到毫米級，非均勻性極強(qiáng)。要實(shí)現(xiàn)對不同地層進(jìn)行有效封堵，就必須了解不同封堵材料的封堵特性，以便有針對性地選擇不同的封堵材料。為此，本文對常用水基鉆井液封堵材料乳化瀝青、聚乙二醇、聚酯、乳化石蠟、油溶性酚醛樹脂、超細(xì)碳酸鈣等的封堵特性進(jìn)行了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)研究，并分析了其作用機(jī)理。這對增強(qiáng)鉆井液封堵材料選擇的針對性，提高水基鉆井液的有效封堵能力，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

目前，評價鉆井液封堵材料的封堵性能的方法很多，包括高溫高壓靜/動濾失量評價方法、流動裝置巖心評價方法、高溫高壓砂床濾失量、高溫高壓砂床滲透失水等評價方法［3，9-10］。這些方法雖然盡可能地模擬了井下實(shí)際的溫度和壓力條件以及鉆井液動態(tài)循環(huán)狀態(tài)，但是實(shí)驗(yàn)重復(fù)性差，難以準(zhǔn)確比較封堵材料的封堵效果。此外，這些方法大多是針對孔隙性地層，其評價結(jié)果對裂縫性地層封堵材料的選擇，沒有實(shí)際參考價值。本文采用西南石油大學(xué)鉆井液研究室研發(fā)的高溫高壓封堵評價儀來對常用水基鉆井液封堵材料的封堵特性進(jìn)行評價［11］，該評價儀能夠模擬地層的微裂縫，裂縫寬度20～100μm可調(diào)，裂縫深度5 mm，且可以將裂縫拆開，直觀觀察封堵材料在裂縫內(nèi)的封堵狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)操作過程與高溫高壓靜濾失量測定的操作過程一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將微裂縫取出，觀察封堵材料對微裂縫的封堵情況，結(jié)合在一定時間內(nèi)的濾失量，綜合分析封堵材料的封堵特性。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

2.1 封堵材料加量對封堵特性的影響

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了7個配方。1號：鉆井液基漿，配方為水+4%膨潤土+0.3%Na2CO3+0.5%LVCMC；2號：基漿+乳化瀝青；3號：基漿+聚乙二醇；4號：基漿+聚酯；5號：基漿+乳化石蠟；6號：基漿+油溶性酚醛樹脂；7號：基漿+超細(xì)碳酸鈣（800目與400目的超細(xì)碳酸鈣按照質(zhì)量比3∶2充分混合）。

向鉆井液基漿中分別加入1%、3%、5%的封堵材料，充分?jǐn)嚢?，利用高溫高壓封堵評價儀（裂縫寬度設(shè)置為30μm，下同）測試在120℃、3.5 MPa的條件下30 min內(nèi)的濾失量，根據(jù)測試結(jié)果，分析加量對封堵特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 封堵材料加量對封堵特性的影響Fig.1 Effect of the adding amount of plugging mater ials on plugging characteristics

濾失量越低，表明封堵材料對微裂縫的封堵效果更好。由圖1可見，基漿里面加入封堵材料后，基漿的濾失量均有下降。但不同封堵材料，濾失量降低程度不同。幾種封堵材料橫向比較，超細(xì)碳酸鈣的封堵效果最好。但隨著加量的增加，超細(xì)碳酸鈣的封堵效果并沒有明顯的提升，說明超過1%時，加量對超細(xì)碳酸鈣的封堵效果不再有明顯的影響。加量對封堵效果影響最大的是聚乙二醇，隨著加量的增加，封堵效果明顯提升。其次是聚酯和乳化石蠟，不同加量條件下的封堵效果，差異較明顯。而乳化瀝青和油溶性樹脂在加量超過3%以后，對微裂縫的封堵效果便沒有明顯的提升。

2.2 溫度對封堵特性的影響

為便于橫向比較，結(jié)合2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，向鉆井液基漿中分別加入3%的各封堵材料，充分?jǐn)嚢韬?，分別在溫度為100、120、150℃，壓差為3.5 MPa的條件下測定30 min的高溫高壓濾失量，結(jié)果見圖2。

圖2 溫度對封堵材料封堵特性的影響Fig.2 Effect of the temperature on plugging characteristics of plugging materials

從圖2可以看出，除了超細(xì)碳酸鈣外，溫度對其他封堵材料的封堵特性的影響比較明顯?？傮w來看，在各溫度條件下，各封堵材料依然具有一定的封堵效果，只是溫度對其封堵特性的影響規(guī)律不同。對于乳化瀝青、乳化石蠟和油溶性酚醛樹脂，隨著溫度的升高，封堵效果變差。在120℃以下，乳化瀝青的封堵效果隨溫度變化比較明顯，而乳化石蠟、油溶性酚醛樹脂的封堵效果隨溫度變化并不顯著。但溫度超過120℃后，乳化石蠟、油溶性酚醛樹脂的封堵效果惡化嚴(yán)重，高溫高壓濾失量明顯上升。對于聚乙二醇、聚酯，溫度低于120℃時，封堵效果隨溫度升高而變差，但超過120℃后，其封堵效果并沒有繼續(xù)惡化，反而開始變好。超細(xì)碳酸鈣的封堵效果受溫度影響很微小，隨著溫度的升高，高溫高壓濾失量并沒有很大的變化。在各溫度條件下，各封堵材料所表現(xiàn)出來的封堵特性不同，與各材料對溫度的響應(yīng)條件不同有密切的關(guān)系。

2.3 封堵特性隨時間變化規(guī)律

鉆井液基漿中加入3%的各封堵材料，充分?jǐn)嚢韬螅?20℃、3.5 MPa條件下，測定在30 min內(nèi)不同時間點(diǎn)的高溫高壓濾失量，分析各封堵材料的封堵特性隨時間的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

高溫高壓濾失量的穩(wěn)定時間越早，表明封堵材料對微裂縫的封堵越快速，十分有利于微裂縫發(fā)育的硬脆性頁巖、煤巖等地層的井壁穩(wěn)定。從圖3可以看出，聚酯和超細(xì)碳酸鈣的高溫高壓濾失量在3 min內(nèi)便穩(wěn)定下來，往后隨著時間的延長，濾失量增幅非常微小。而聚乙二醇、乳化石蠟和油溶性酚醛樹脂則在7.5 min時才穩(wěn)定下來，表明這3種封堵材料對微裂縫的封堵速度不如聚酯和超細(xì)碳酸鈣快。乳化瀝青的高溫高壓濾失量雖然在3 min后的增加幅度遠(yuǎn)比前3 min內(nèi)的增加幅度小，但比其他5種封堵材料的增加幅度要明顯，且總的濾失量也更大。由此表明，在選擇水基鉆井液封堵材料時，不能僅以總濾失量為選擇標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)考慮封堵材料對微裂縫的封堵速度。

圖3 封堵材料的封堵特性隨時間變化規(guī)律Fig.3 Plugging per for mance of plugging materials vs time

2.4 封堵材料對鉆井液流變性能的影響

在鉆井液基漿中加入3%的各封堵材料，充分?jǐn)嚢韬螅瑴y定鉆井液的表觀粘度（AV）、塑性粘度（PV）和動切力（YP），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 封堵材料對鉆井液流變性能的影響Table 1 Effect of plugging materials on the rheological pr oper ties of dr illing fluids

封堵材料對鉆井液流變性能影響越小，越有利于其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。從表1可以看出，幾種封堵材料對鉆井液的流變性能均有明顯的影響，加入封堵材料后，鉆井液的表觀粘度、塑性粘度和動切力均有較大幅度的增長。具體來看，對表觀粘度的影響相當(dāng)，在加量相同的情況下，鉆井液表觀粘度相差不大。但對鉆井液的塑性粘度和動切力影響差異較大，其中，聚乙二醇對鉆井液塑性粘度的影響最大，加入聚乙二醇后，鉆井液的塑性粘度值增幅最大，超細(xì)碳酸鈣、油溶性酚醛樹脂和聚酯對鉆井液塑性粘度的影響相當(dāng)。而對鉆井液動切力影響最大的是油溶性酚醛樹脂，影響最小的是乳化瀝青。

3 封堵材料的封堵機(jī)理分析

總體上講，封堵材料隨鉆井液循環(huán)的過程中，在存在壓力差的條件下，通過地層的濾出效應(yīng)、顆粒運(yùn)動的慣性作用、顆粒的擴(kuò)散作用以及沉淀作用等而被地層捕獲，從而在地層微裂隙或孔隙形成封堵層，阻斷地層通道，阻止鉆井液液相向地層滲透，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的［12-14］。

（1）乳化瀝青是最常用的水基鉆井液封堵材料之一，在一定溫度條件下，瀝青能夠變軟變形，能夠較好地進(jìn)入地層微裂縫，形成致密的封堵層；同時，瀝青具有疏水能力，其吸附于井壁上，形成疏水層，延緩了水進(jìn)入地層，從而起到防塌作用。也就是說，乳化瀝青不僅具有表面堆積、架橋填充作用，還具有憎水阻隔效應(yīng)。

（2）超細(xì)碳酸鈣則是在井筒壓力差作用下，進(jìn)入地層微裂縫，在合適的粒度分布范圍內(nèi)，通過上一級顆粒架橋，次一級顆粒逐級填充，在裂縫內(nèi)形成致密封堵層。其封堵效果跟粒徑分布范圍與地層微裂縫寬度分布的匹配關(guān)系密切相關(guān)，匹配越好，封堵能力越強(qiáng)。與其他材料相比，超細(xì)碳酸鈣對溫度不太敏感，由本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。

（3）聚乙二醇具有濁點(diǎn)效應(yīng)，即在一定溫度條件下，聚乙二醇能夠從溶液中析出膠體微粒，在微裂縫中聚集變大，逐步形成封堵層。但要形成有效封堵，需要的聚乙二醇濃度較高，且其封堵效果與溫度密切相關(guān)，達(dá)不到其濁點(diǎn)溫度，便不具有封堵能力。

（4）乳化石蠟成乳液狀態(tài)分散于水基鉆井液中，隨鉆井液濾液進(jìn)入地層微裂縫，并在裂縫壁面吸附形成“膜”，使裂縫具有“賈敏效應(yīng)”，從而阻止鉆井液濾液進(jìn)入微裂縫，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

（5）聚酯封堵微裂縫的機(jī)理與乳化瀝青類似，在溫度和壓力的作用下軟化變形，進(jìn)入微裂縫架橋、填充，在裂縫前段形成致密封堵帶［15］。不同的是，聚酯軟化后，容易與粘土顆粒協(xié)同形成團(tuán)狀物，這種團(tuán)狀物能夠提高封堵層的致密性，封堵微裂縫的能力較強(qiáng)［16］。

（6）油溶性酚醛樹脂能完全溶于油，但不溶于水。在水基鉆井液中依然保持微粒狀態(tài)，與乳化瀝青類似，油溶性酚醛樹脂也具有一定的軟化點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到軟化點(diǎn)時，可以變軟變形，在壓差作用下，擠入地層微裂縫，并堆積形成致密封堵層，阻止水進(jìn)入地層，防止地層坍塌。

4 結(jié)論

本文采用高溫高壓封堵評價儀，對乳化瀝青、聚乙二醇、聚酯、乳化石蠟、油溶性酚醛樹脂及超細(xì)碳酸鈣等水基鉆井液封堵材料的封堵特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在評價的加量范圍內(nèi)，除了超細(xì)碳酸鈣的封堵效果受加量影響較小外，其他幾種封堵材料對微裂縫的封堵效果受加量的影響均較大，加量越多，封堵效果越好。

（2）在評價的溫度范圍內(nèi)，乳化瀝青、乳化石蠟和油溶性酚醛樹脂對微裂縫的封堵效果隨溫度升高而變差；而聚乙二醇和聚酯對微裂縫的封堵效果隨溫度的升高先變差，然后又有一定程度的恢復(fù)；超細(xì)碳酸鈣對微裂縫的封堵效果受溫度影響不明顯。

（3）在30 min內(nèi)，聚酯和超細(xì)碳酸鈣能快速實(shí)現(xiàn)對微裂縫的封堵，聚乙二醇、乳化石蠟和油溶性酚醛樹脂對微裂縫的封堵速度則相對較慢，而乳化瀝青在30 min內(nèi)的濾失量一直在增加，只是在3 min后的增加幅度比前3 min要小。

（4）幾種封堵材料均對鉆井液流變性能有較大的影響。在加量相同的情況下，鉆井液表觀粘度相差不大；對鉆井液塑性粘度影響最明顯的是聚乙二醇，而對動切力影響最大的是油溶性酚醛樹脂，最小的是乳化瀝青。

（5）現(xiàn)場應(yīng)用時，要根據(jù)井下溫度條件、地層裂縫寬度范圍等，有針對性地選擇與地層條件相匹配的鉆井液封堵材料，才能取得理想的封堵效果，達(dá)到防止井壁坍塌的目的。