向朝綱，蒲曉林，陳勇

（西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500）

新型封堵劑FDJ-EF封堵特性及其作用機(jī)理

向朝綱，蒲曉林，陳勇

（西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500）

封堵近井壁微裂縫是避免硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)的有效手段之一。在分析各類型水基鉆井液防塌封堵劑的基礎(chǔ)上，優(yōu)化研制出一種新型熱塑性聚酯類封堵劑FDJ-EF；通過具有模擬微裂縫金屬縫板的高溫高壓封堵儀，評價(jià)FDJ-EF的封堵效果，證明其在較寬的溫度范圍（80～140℃）內(nèi)具有優(yōu)異的封堵性能，且其封堵能力強(qiáng)于目前常用的防塌封堵劑（聚乙二醇、乳化石蠟、乳化瀝青）；通過熒光光度計(jì)分析，F(xiàn)DJ-EF無熒光顯示；通過封堵特征微觀觀察及粒度分布測量等實(shí)驗(yàn)手段，探討了FDJ-EF的封堵機(jī)理。結(jié)果表明，其封堵機(jī)理主要為：在軟化溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)DJ-EF封堵粒子在壓差作用下軟化變形，與其他固相顆粒一同擠入微裂縫內(nèi)，在短時(shí)間內(nèi)形成致密的封堵層，一方面阻礙了壓力和濾液傳遞，一方面增強(qiáng)了黏土礦物的膠結(jié)強(qiáng)度。

水基鉆井液；微裂縫；封堵評價(jià)；封堵機(jī)理；硬脆性泥頁巖

硬脆性泥頁巖在鉆井過程中易產(chǎn)生井壁失穩(wěn)類復(fù)雜問題［1-2］。此類地層具有裂縫相互交錯(cuò)、裂隙分布密集、固體顆粒膠結(jié)性差等結(jié)構(gòu)特征，以及不易水化分散和膨脹等理化性能［3-5］。鉆遇該類地層時(shí)，一方面，鉆井液液柱壓力擴(kuò)散進(jìn)入近井壁地帶，引起近井壁處應(yīng)力二次分布；另一方面，濾液在復(fù)雜外力作用下通過滲流或滲吸等方式進(jìn)入地層，并與黏土礦物相互作用引起整體強(qiáng)度降低［6-7］。

鉆井實(shí)踐表明，防塌鉆井液技術(shù)中采用快速、高效的封堵劑形成致密封堵層，以阻止流體進(jìn)入地層通道是防塌技術(shù)的關(guān)鍵［8-12］。目前，國內(nèi)外針對硬脆性泥頁巖地層的鉆井液防塌封堵理論及相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了一定成績，但由于長裸眼井段中的裂縫、層理、裂隙復(fù)雜及鉆井熒光級別要求，傳統(tǒng)水基鉆井液防塌封堵劑很難滿足要求。為此，筆者從水基鉆井液封堵劑特征出發(fā)，通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，篩選了一種新型的熱塑性聚酯類封堵劑FDJ-EF，對封堵效果進(jìn)行了評價(jià)，并對其微觀封堵規(guī)律及封堵機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 FDJ-EF性能

室內(nèi)性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)中使用的產(chǎn)品為篩選的新型熱塑性聚酯類封堵劑FDJ-EF，軟化溫度范圍為80～140℃。對照試樣為目前常用的乳化瀝青、乳化石蠟及聚合醇類防塌封堵劑。

1.1 封堵效果

通過具有模擬微裂縫金屬縫板的高溫高壓封堵儀評價(jià)FDJ-EF，以及對照試樣在不同溫度和壓力下對微裂縫的封堵效果（本實(shí)驗(yàn)固定金屬縫板微裂縫的寬度為20 μm，深度為5 mm）。

1.1.1 不同溫度下的封堵效果

配制4%優(yōu)質(zhì)膨潤土基漿，預(yù)先水化24 h后加入3%FDJ-EF，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁跍囟?00℃的條件下老化16 h，然后用高溫高壓封堵儀進(jìn)行微裂縫封堵評價(jià)。在實(shí)驗(yàn)壓差為 3.5 MPa的條件下，分別測量70，100，130，160℃時(shí)不同時(shí)間的總濾失量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下的濾失曲線

由圖1可見，相同實(shí)驗(yàn)壓差、不同溫度條件下，添加FDJ-EF的水基鉆井液封堵20 μm微裂縫的能力不一樣。當(dāng)溫度為70，160℃時(shí)，濾失速率（即單位時(shí)間的濾失量）隨時(shí)間增加而緩慢降低，30 min濾失量偏大，但仍具有一定的封堵效果。當(dāng)溫度處于軟化溫度范圍時(shí)，濾失速率下降最快，在10 min內(nèi)幾乎降到0，總濾失量小。

這說明FDJ-EF的封堵能力與軟化溫度有關(guān)，在軟化溫度范圍之外，封堵劑未被軟化或過度軟化，使得封堵效果變差；在軟化溫度范圍之內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，更多的封堵粒子變軟，在壓差作用下變形，隨膨潤土粒子一起擠入裂縫，形成低滲透封堵帶，隔絕了濾液流動的渠道，具有極好的封堵效果。

1.1.2 不同壓力下的封堵效果

實(shí)驗(yàn)條件同上，在實(shí)驗(yàn)溫度為130℃的條件下，分別測量壓差為1.4，2.1，2.8，3.5 MPa時(shí)不同時(shí)間的總濾失量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同壓力下的濾失曲線

由圖2可見，同一溫度條件下，濾失速率隨壓差的變化而變化。2.1 MPa時(shí)的濾失速率隨時(shí)間降低的速度小于1.4 MPa時(shí)的濾失速率，隨著壓差繼續(xù)增大，濾失速率隨時(shí)間降低的速度不斷增加。這說明當(dāng)壓差繼續(xù)增大時(shí)，軟化粒子的變形率增大，更多粒子快速擠入微裂縫封堵孔隙，形成更加致密的封堵帶，直至形成滲透率為0的封堵帶?？偟膩碚f，不同壓差下總濾失量相差不大，在10 min內(nèi)濾失速率都幾乎為0，說明FDJ-EF在不同壓差下均具有好的封堵效果。

1.1.3 封堵效果對比

使用4%預(yù)先水化的優(yōu)質(zhì)膨潤土漿，分別在相同實(shí)驗(yàn)條件下，將FDJ-EF與目前常用封堵劑的封堵效果進(jìn)行對比，如圖3所示。

由圖3a可以看出，隨著溫度的升高，含不同封堵劑的鉆井液體系在3.5 MPa條件下，30 min濾失量呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即先減小再增加；但含F(xiàn)DJ-EF鉆井液體系的總濾失量變化幅度小，在每一溫度條件下濾失量均較低，各對照封堵劑的總濾失量不但高，且當(dāng)溫度增加到130℃后，其濾失量急劇增加。由圖3b可以看出，相同溫度條件下，不同封堵劑的封堵效果差別較大，F(xiàn)DJ-EF和乳化瀝青的30 min濾失量隨壓力增加變化幅度小，乳化石蠟和聚乙二醇的30 min濾失量隨壓力增加變化加大。因此，在高溫條件下，乳化石蠟和聚乙二醇均失去封堵性能，且壓力越大，其濾失速率越快，總濾失量不斷增大。

1.2 熒光分析

鉆井液中處理劑的熒光強(qiáng)度較高，必然影響到地質(zhì)錄井的準(zhǔn)確性。因此，對鉆井液處理劑進(jìn)行熒光分析具有重要意義［13］。

圖3 各類封堵劑的濾失量

用無熒光顯示的環(huán)己烷配制78.1 mg/L的FDJ-EF單劑有機(jī)溶液，對照組為預(yù)處理的相同質(zhì)量濃度的乳化瀝青溶液和蒸餾水。采用熒光分光光度計(jì)觀察各組的熒光顯示情況（激發(fā)波長為254 nm，掃描發(fā)射波長為300～600 nm），結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，78.1 mg/L的FDJ-EF溶液的熒光光譜與蒸餾水幾乎一樣，而相同質(zhì)量濃度的乳化瀝青的熒光級別遠(yuǎn)高于FDJ-EF溶液。這說明新型封堵劑FEJ-EF無生熒基團(tuán)，在鉆井過程中不會干擾地質(zhì)錄井，是一種適用于各種生產(chǎn)井和探井的鉆井液處理劑。

圖4 各類封堵劑熒光光譜

2 FDJ-EF封堵作用機(jī)理

2.1 微觀封堵效果

為了探索FDJ-EF對硬脆性泥頁巖地層微裂縫的作用機(jī)理，利用蔡司體視顯微鏡觀察4%基漿+3%FDJEF在130℃封堵裂縫的微觀封堵特性。圖5和圖6分別為FDJ-EF封堵模擬裂縫金屬縫板局部及內(nèi)部放大后的效果圖（分別放大20，40倍）。

圖5 微裂縫口封堵效果

圖6 裂縫內(nèi)部封堵效果

由圖5可以看出，在封堵過程中，F(xiàn)DJ-EF和黏土顆粒團(tuán)聚成可壓縮的團(tuán)狀物，同時(shí)對微裂縫進(jìn)行架橋封堵，因處于溫度軟化范圍，F(xiàn)DJ-EF軟化變形，在壓差作用下，F(xiàn)DJ-EF很容易擠入封堵層微小孔隙中，致密性大幅增加，從而增大滲流阻力，提高封堵效果。如圖6所示，在裂縫內(nèi)部前段形成了致密低滲的封堵層，壓實(shí)程度高，致密性強(qiáng)，封堵效果極好。

2.2 粒度分析

利用激光粒度儀分析FDJ-EF漿液的固相粒度分布，探索其封堵機(jī)理，結(jié)果如圖7所示，漿液配方為：4%基漿+3%FDJ-EF。

由圖7可知，F(xiàn)DJ-EF漿液的固相粒度累積分布曲線較陡，粒度中值d50約為35.21 μm，小于13.50 μm左右的顆粒才占10%左右，大于20 μm的顆粒占80%左右。盡管固相顆粒粒徑不滿足d90充填原則［14］，但此粒徑分布對20 μm微裂縫的封堵效果還是非常好，說明FDJ-EF在高溫高壓下能夠軟化變形進(jìn)入微裂縫，同黏土顆粒架橋封堵失水通道，在壓差作用下不斷被壓實(shí)，微小的失水通道又被軟化變形后的粒子完全封閉，使濾失量大幅降低，封堵效果極佳。

圖7 FDJ-EF漿液固相粒度分布

3 結(jié)論

1）FDJ-EF是一種不溶于水但高度分散于水，在較寬的溫度和壓力范圍，可變軟變形的新型熱塑性聚酯類水基鉆井液封堵劑，具有好的封堵效果，且無熒光顯示，可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地層的鉆井作業(yè)。

2）FDJ-EF的封堵能力與軟化溫度有關(guān)，在軟化溫度范圍之內(nèi)封堵粒子軟化，在壓差作用下變形隨其他固相顆粒粒子一起擠入裂縫，形成低滲透封堵帶，阻礙壓力和濾液擴(kuò)散，增強(qiáng)黏土礦物膠結(jié)強(qiáng)度，有利于井壁穩(wěn)定。

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（編輯 趙衛(wèi)紅）

Characteristics of novel sealing agent FDJ-EF and its sealing mechanism

Xiang Chaogang,Pu Xiaolin,Chen Yong
(College of Petroleum Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Sealing of the microfractures near wellbore is one of effective measures of preventing sidewall instability in hard-brittle clay shale formation.A novel thermoplastic sealing agent FDJ-EF was developed on the basis of the evaluation of various antisloughing sealing agents for water-based drilling fluid.It is proved that the sealing agent FDJ-EF has the most significant blocking function within a wide temperature range(80-140℃)through the analysis of FDJ-EF sealing effect with HTHP sealing instrument, which can model the microfactures in hard-brittle clay shale formation.The sealing capacity is better than the common antisloughing sealing agents now,such as polyethylene glycol,emulsified wax and emulsified bitumen.FDJ-EF has not fluorescent display through the analysis of fluorophotometer.The sealing mechanisms of novel sealing agent were studied through the experiments including microstructures observation and particle size distribution measuring.It is concluded that main sealing mechanisms within softening temperature range are that FDJ-EF sealing particles,deformed by softening under pressure difference, and other particles are squeezed into the microfractures and the tight sealing layer is created in a short time.On the one hand,the transmission of pressure and filtrate is slowed down,and on the other hand,the cementing strength of clay mineral is strengthened.

water-based drilling fluid;microfracture;sealing evaluation;sealing mechanisms;hard-brittle clay shale

TE254＋.4

：A

1005-8907（2012）02-0249-04

2011-07-20；改回日期：2012-01-18。

向朝綱，男，1985年生，在讀碩士研究生，主要從事油氣井工作液力學(xué)方面的研究工作。E-mail：wsxcg123@126.com。

向朝綱，蒲曉林，陳勇.新型封堵劑FDJ-EF封堵特性及其作用機(jī)理［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：249-252. Xiang Chaogang，Pu Xiaolin，Chen Yong.Characteristics of novel sealing agent FDJ-EF and its sealing mechanism ［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：249-252.