羅米娜，艾加偉，陳馥，陳俊斌，羅陶濤

（1 油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2 西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500；3 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

四川盆地川南龍馬溪組儲(chǔ)層硬脆性泥頁(yè)巖微孔隙十分發(fā)育，在鉆井過(guò)程中常常遭遇井壁失穩(wěn)的問(wèn)題[1]。油基鉆井液在頁(yè)巖氣開發(fā)中具有優(yōu)異的防塌潤(rùn)滑性能，但由于油基鉆井液體系中一般含有10%～20% 的水，在大的壓差條件下，鉆井液中的水相會(huì)大量進(jìn)入張開的微縫，引起地層坍塌[2]。因此，進(jìn)一步提高油基鉆井液的封堵能力顯得十分重要。龍馬溪組泥頁(yè)巖儲(chǔ)集空間主要集中在 6～120nm[3]，微裂縫縫寬主要在0.8～2μm[1]。在油基鉆井液中加入納米材料等剛性粒子[4-5]與氧化瀝青等軟性粒子產(chǎn)生相互作用，則有助于封堵微裂縫，起到穩(wěn)定井壁的作用。近年來(lái)，對(duì)鉆井液納米處理劑及其在鉆井液中的應(yīng)用[6-9]相關(guān)報(bào)道比較多，但是對(duì)納米顆粒的封堵性能[10-11]的評(píng)價(jià)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)報(bào)道較少。因此，建立科學(xué)的方法來(lái)評(píng)價(jià)納米顆粒在鉆采過(guò)程中所起的作用是非常有意義的。

目前，對(duì)微裂縫封堵效果評(píng)價(jià)的主要方法有3種：API 濾失量測(cè)定實(shí)驗(yàn)、高溫高壓靜/動(dòng)濾失評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[12]以及低滲人造巖心封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[13-14]。這些方法中，前兩者都是用特定的濾紙來(lái)模擬地層裂縫，不能很好地反映微裂縫和微孔隙的情況；人造巖心模擬則存在模擬成本過(guò)高、對(duì)儀器要求較高、大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)困難等不足。本研究建立了一種實(shí)驗(yàn)室用的簡(jiǎn)便可行的方法來(lái)評(píng)價(jià)微裂縫封堵效果。實(shí)驗(yàn)中采用不同規(guī)格的砂芯漏斗模擬地層微裂縫，對(duì)油基鉆井液中加入納米材料作為剛性封堵劑，并配合以氧化瀝青等軟性粒子的封堵效果進(jìn)行研究，對(duì)納米材料的現(xiàn)場(chǎng)使用提供了必要的數(shù)據(jù)支持。

1 藥品和儀器

疏水納米材料CQ-NZC，自制；白油為5 號(hào)礦物油；鉆井液處理劑包括有機(jī)土、主乳化劑（SP-80）、輔乳化劑（脂肪酸CQ-HWS）、潤(rùn)濕劑（季銨鹽類表面活性劑CQ-WBP）、降濾失劑（氧化瀝青）、生石灰、氯化鈣、重晶石，均為工業(yè)級(jí)，中國(guó)石油川慶鉆采院鉆井液公司提供；去離子水。

JSM-7500F 掃描電子顯微鏡儀，日本電子株式會(huì)社；Fann 35SA 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、Fann 23E 電穩(wěn)定性測(cè)試儀，美國(guó)Fann Instrument 公司；SHZ-D(Ⅲ)真空抽濾機(jī)，鞏義市英峪儀器廠；API 濾失儀、GGS71-B 型高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；A3300IS 數(shù)碼相機(jī)，日本佳能有限公司；砂芯漏斗，G1（孔徑20～30μm），G3（孔徑4.5～9μm），G5（孔徑1.5～2.5μm）

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 納米材料CQ-NZC 形貌表征

選取所需量疏水改性的CQ-NZC放入導(dǎo)電膠中噴金，進(jìn)行SEM（掃描電子顯微鏡）分析，以觀察其微觀形貌和尺寸大小。

2.2 鉆井液的流變性及電穩(wěn)定性測(cè)定

按加入順序：白油425mL、有機(jī)土3%、主乳化劑3%、輔乳化劑1%、潤(rùn)濕劑2%、生石灰2%、鹽水（20% CaCl2）75mL，配制成油包水乳化鉆井液基液500mL?；号浜煤?，加一定量的重晶石，配制成密度為 1.2g/cm3的油基鉆井液（標(biāo)記為0#鉆井液）。在此鉆井液中添加2%氧化瀝青作為1#鉆井液，在1#鉆井液中加入1% CQ-NZC 作為2#鉆井液。

分別在25 ℃下測(cè)定鉆井液老化（120℃下熱滾16h）前后的常規(guī)流變性及破乳電壓。其中破乳電壓是用來(lái)反映油包水乳狀液相對(duì)穩(wěn)定性的參數(shù)，使用Fann 23E電穩(wěn)定性測(cè)試儀對(duì)油包水乳化鉆井液通入電流，當(dāng)乳化鉆井液開始破壞時(shí)的電壓稱為破乳電壓。破乳電壓愈高，說(shuō)明乳狀液愈穩(wěn)定。

2.3 鉆井液體系封堵評(píng)價(jià)

為了更全面地評(píng)價(jià)鉆井液體系的封堵性，本文測(cè)試了API 濾失量、HTHP 濾失量及泥餅的質(zhì)量、砂床實(shí)驗(yàn)浸入深度等，從宏觀上評(píng)價(jià)納米材料CQ-NZC 對(duì)鉆井液封堵性能的影響；同時(shí)，通過(guò)對(duì)泥餅進(jìn)行微觀分析以及砂芯漏斗模擬微裂縫實(shí)驗(yàn)等，從微觀上對(duì)封堵性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析。

2.3.1 油基鉆井液濾失量及泥餅評(píng)價(jià)

按2.2 節(jié)中配制鉆井液樣品0#、1#和2#，對(duì)比考察氧化瀝青和納米材料的加入對(duì)鉆井液濾失量、泥餅微觀結(jié)構(gòu)的影響。由于油基鉆井液泥餅很薄，很難測(cè)定其厚度，故采用泥餅質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)其質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中，泥餅為API 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定中壓濾失濾餅，經(jīng)過(guò)真空度0.05MPa、溫度90℃下恒溫烘干12h 所得。 2.3.2 砂床實(shí)驗(yàn)

砂床實(shí)驗(yàn)[15]是鉆井液體系封堵效果評(píng)價(jià)廣泛采用的方法之一。按照2.2 節(jié)的配液方式配制鉆井液。改變納米材料CQ-NZC 的加量分別為0%、1%和2%。在不加濾紙的濾網(wǎng)上將180cm3的60～80目砂子倒入筒狀可視的鉆井液杯中，搖實(shí)鋪平，再倒入250cm3的試樣漿，將杯蓋擰緊，接通氣源，將壓力調(diào)至0.69MPa，憋壓5min 后，打開放氣閥，氣源進(jìn)入鉆井液杯中，測(cè)量30min 的最大浸入深度。

2.3.3 砂芯漏斗實(shí)驗(yàn)

在地質(zhì)學(xué)上，一般認(rèn)為小于100μm 的裂縫為微裂縫。龍馬溪組的泥頁(yè)巖微裂縫縫寬主要在0.8～2μm，在對(duì)四川其他泥頁(yè)巖儲(chǔ)層分析[16]發(fā)現(xiàn)，泥頁(yè)巖中同時(shí)存在5～100μm 的微裂縫。因此，實(shí)驗(yàn)選用G1（孔徑20～30μm）、G3（孔徑4.5～9μm）、G5（孔徑1.5～2.5μm）共3 種規(guī)格的砂芯漏斗（濾板厚度為4.0mm）來(lái)模擬頁(yè)巖地層微裂縫，通過(guò)對(duì)鉆井液在不同規(guī)格的砂芯漏斗濾板上的浸入程度以及濾板內(nèi)部表面的電鏡照片來(lái)對(duì)比考察油基鉆井液中加入瀝青類封堵材料與加入納米材料后的封堵 性能。

按照2.2 節(jié)的配液方式，配制鉆井液1#、2#樣品，并考察加入的瀝青類封堵劑及納米材料對(duì)鉆井液封堵效果的微觀影響。兩樣品分別通過(guò)型號(hào)分別為G1、G3、G5 的3 種玻砂漏斗，抽濾壓力為0.08MPa ，抽濾時(shí)間為30min。同時(shí)，用數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄所有樣品在濾板上的浸入情況。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置圖如圖1 所示。并選取樣品通過(guò)G3 漏斗后的砂芯作掃描電鏡分析，從微觀上評(píng)價(jià)其封堵情況。

圖1 封堵效果評(píng)價(jià)裝置

3 結(jié)果與討論

3.1 納米材料CQ-NZC 形貌表征

用掃描電鏡對(duì)CQ-NZC 的微觀圖像進(jìn)行觀察，如圖2 所示。CQ-NZC 放大10 萬(wàn)倍和20 萬(wàn)倍后根據(jù)電鏡圖片標(biāo)尺可知，納米顆粒基本低于100nm。顆粒分布比較均勻，呈球狀，表現(xiàn)出一定的團(tuán)聚 現(xiàn)象。

3.2 納米材料對(duì)鉆井液體系性能的影響（表1）

從表1 中數(shù)據(jù)可知，加入納米材料后，鉆井液體系的黏度和切力都有所增加，但是增加的幅度不大。破乳電壓有明顯的提升，說(shuō)明納米材料的加入有助于油基鉆井液體系的穩(wěn)定。

3.3 納米材料封堵性評(píng)價(jià)

3.3.1 濾失量及泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)

鉆井液在加入氧化瀝青和納米材料前后的濾失量及泥餅質(zhì)量的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2 中數(shù)據(jù)可知，加入氧化瀝青后，鉆井液濾失量降低，但是泥餅質(zhì)量并沒(méi)有較大的變化。在鉆井液中同時(shí)加入CQ-NZC 納米材料，濾失量有較大幅度降低，泥餅質(zhì)量也明顯減小，說(shuō)明CQ-NZC的加入對(duì)鉆井液的濾失量及泥餅質(zhì)量都有顯著 影響。

圖2 CQ-NZC 的SEM 圖像

表1 鉆井液的流變性數(shù)據(jù)及電穩(wěn)定性

表2 油基鉆井液的濾失量及泥餅質(zhì)量

為了更好地評(píng)價(jià)泥餅的質(zhì)量，通過(guò)掃描電鏡對(duì)其微觀情況進(jìn)行分析。圖3～圖5 中給出了上述泥餅的截面和表面的電鏡掃描圖片（放大5000 倍）。

從圖3 中可以明顯看出，0#所得泥餅的截面較為疏松，孔隙較多，同時(shí)其表面也存在較多孔隙，且不平整，主要為重晶石和有機(jī)土堆砌而成。因此，其濾失量較大，形成的泥餅質(zhì)量也較大。

圖3 0#鉆井液所得泥餅的SEM 圖

圖4 1#鉆井液所得泥餅的SEM 圖

圖5 2#鉆井液所得泥餅的SEM 圖

由圖4 可知，1#鉆井液所得泥餅從截面來(lái)看，部分區(qū)域膠結(jié)較好，從表面來(lái)看，泥餅表面的堆積更為緊密，質(zhì)量明顯變好。這主要是瀝青類封堵劑在高溫下軟化，起到了一定的堵塞和膠結(jié)作用，但是截面上仍有部分區(qū)域比較疏松?？偟膩?lái)說(shuō)，氧化瀝青的加入使濾失量降低了，但是泥餅仍然較厚，質(zhì)量較大。

根據(jù)圖5 所示，不管是泥餅截面還是表面，都堆積得更為緊密。這主要是因?yàn)镃Q-NZC 納米顆粒的加入，填入了泥餅中一些小的孔隙，CQ-NZC 與氧化瀝青及重晶石的相互作用，使得泥餅更加緊密，濾失量明顯降低，同時(shí)泥餅厚度與質(zhì)量也相應(yīng)減小，泥餅質(zhì)量得到改善。但是，截面仍然有部分小空隙，可能是由于級(jí)配不夠均勻的緣故。

3.3.2 砂床浸入深度

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了添加納米材料CQ-NZC 加入前后，鉆井液的浸入深度，評(píng)價(jià)效果如表3。

通過(guò)對(duì)比可知，加入CQ-NZC 后，老化前后的砂床浸入深度均顯著減小，且隨著納米材料用量的增多呈減小的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，在鉆井液體系中加入CQ-NZC 可以提升其封堵性能。

表3 砂床浸入深度

3.3.3 砂芯漏斗模擬法評(píng)價(jià)封堵性能

為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其封堵性能，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了砂芯漏斗模擬法，就是用一定孔徑的砂芯漏斗來(lái)模擬頁(yè)巖地層微裂縫，然后在一定的壓力下評(píng)價(jià)工作液的封堵性能。

圖6 中列出了2#鉆井液在G3 濾板上的浸入情況，可見(jiàn)其浸入深度達(dá)到2.1mm。其他浸入情況見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)比表4 中的浸入深度可知，由于濾板的厚度有限，對(duì)于孔徑較大的G1 濾板，1#和2#鉆井液均能全部浸入，可見(jiàn)對(duì)20～30μm 的裂縫封堵能力有限。對(duì)比在G3 和G5 濾板上的情況，加入CQ-NZC 的2#鉆井液的浸入深度均小于1#，因此可以認(rèn)為，對(duì)于這類小于10μm 的微裂縫，加入納米材料后具有更好的封堵性能。

為了進(jìn)一步研究納米材料添加對(duì)封堵性能的影響機(jī)理，對(duì)G3 砂芯漏斗的表面（放大5000 倍）及內(nèi)部截面（放大1000 倍）進(jìn)行了電鏡掃描，見(jiàn)圖7和圖8。

鉆井液在通過(guò)砂芯漏斗時(shí)，均在濾板上面形成一層很薄的濾餅。通過(guò)對(duì)圖7 中的兩圖進(jìn)行對(duì)比可知，加入CQ-NZC 以后，濾板表面的顆粒間的空隙明顯變小，更加致密，說(shuō)明CQ-NZC 的加入對(duì)濾板起到了很好的封堵作用。

圖6 2#鉆井液在G3 濾板上的浸入情況

表4 鉆井液在砂芯漏斗濾板上的浸入深度

圖7 砂芯漏斗G3 濾板的表面SEM 圖

圖8 砂芯漏斗G3 濾板的截面SEM 圖

圖8 為對(duì)G3 濾板的截面圖。進(jìn)行對(duì)比可知，鉆井液進(jìn)入濾板后，瀝青類的封堵劑可以將一些孔隙堵住，從而起到一定的封堵作用，而加入CQ-NZC后，納米顆粒與瀝青類封堵劑相互作用，在一定程度上聚結(jié)形成了不同級(jí)配的堵孔粒子，使得封堵效果更好。

4 結(jié) 論

（1）在鉆井液中加入一定量的CQ-NZC 納米材料，可以有效提升其破乳電壓，說(shuō)明納米材料的加入有助于油基鉆井液體系的穩(wěn)定。

（2）通過(guò)對(duì)濾失量、泥餅質(zhì)量及泥餅微觀形態(tài)進(jìn)行分析，CQ-NZC 配合瀝青類封堵劑的使用，可以起到比單獨(dú)使用瀝青類封堵劑更好的降濾失作用及封堵性能。CQ-NZC 與瀝青類封堵劑可以在一定程度上聚結(jié)，形成堵孔粒子，提升鉆井液體系的封堵性能。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用砂芯漏斗可以很好地模擬地層中的微裂縫，鉆井液在不同規(guī)格的砂芯濾板的浸入情況及表面、截面的封堵情況，有利于人們從宏觀上和微觀上分析封堵劑的封堵效果和封堵機(jī)理。

[1] 汪傳磊，李皋，嚴(yán)俊濤，等. 川南硬脆性頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2012，20（30）：8012-8015.

[2] 趙峰，唐洪明，孟英峰，等. 微觀地質(zhì)特征對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性影響與對(duì)策研究[J]. 鉆采工藝，2007，30（6）：16-18.

[3] 陳尚斌，夏筱紅，秦勇，等. 川南富集區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分類[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（5）：760-765.

[4] Agarwal Sushant ， Phuoc Tran X ， Soong Yee ， et al. Nanoparticle-stabilised invert emulsion drilling fluids for deep-hole drilling of oil and gas[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering，2013，91：1641-1649.

[5] 洪歡喜，武衛(wèi)東，盛偉，等. 納米流體制備的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2008，27（12）：1923-1928.

[6] 白小東，蒲曉林，鄭艷. 鉆井液用納米處理劑研究[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（s1）：43-45.

[7] 張婷，白小東，肖丁元，等. 納米材料在鉆井液中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 鉆采工藝，2014，37（2）：89-92.

[8] Amanullah Md，Ashraf M. Al-Tahini，Saudi Arabia，Section Technical Symposium and Exhibition[C]. Alkhobar：Society of Petroleum Engineers，09-11 May，2009.

[9] Shen Min，Resasco Daniel E. Emulsions stabilized by carbon nanotube-silica nanohybrids[J]. Langmuir，2009，25（18）：10843-10851.

[10] Cai Jihua，Chenevert Martin E，Sharma MukulM，et al. Decreasing water invasion into atoka shale using nonmodified silica nanoparticles[J]. SPE Drilling & Completion，2012，27 （1）：103-112.

[11] 付艷，黃進(jìn)軍，武元鵬，等. 鉆井液用納米粒子封堵性能的評(píng)價(jià)[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，15（3）：30-31.

[12] 徐同臺(tái)，盧淑芹，何瑞兵，等. 鉆井液用封堵劑的評(píng)價(jià)方法及影響因素[J]. 鉆井液與完井液，2009，26（2）：60-62.

[13] 王建華，鄢捷年，蘇山林. 硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)新方法[J]. 石油鉆采工藝，2006，28（2）：28-30.

[14] 岳前升，向興金，李中，等. 油基鉆井液的封堵性能研究與應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液，2006，23（5）：40-42.

[15] 牛靜，蘭林. 非滲透處理劑實(shí)驗(yàn)方法的建立及評(píng)價(jià)[J]. 西部探礦工程，2010（4）：47-49.

[16] 鄧虎. 裂縫性泥頁(yè)巖的水化穩(wěn)定性研究及其應(yīng)用[D]. 成都：西南石油大學(xué)，2004.