王偉，趙春花，羅健生，李超，劉剛，耿鐵

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院,河北燕郊065201)

對(duì)于一些層理和微裂縫發(fā)育的硬脆性和破碎性地層，油基鉆井液濾液的侵入會(huì)帶來地層的不穩(wěn)定因素[1-3]。此外，水力壓力通過微裂縫傳遞也會(huì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[4-5]，因此，必須加強(qiáng)油基鉆井液對(duì)微裂縫的封堵性。目前國(guó)內(nèi)外在提高油基鉆井液封堵性方面開展了大量的研究工作。張凡等開發(fā)了吸油樹脂類的油基膨脹封堵劑，具有吸油膨脹和成膜封堵特點(diǎn)，但存在延遲性，不能有效封堵[6]。胡文軍等利用乳化瀝青、樹脂、超細(xì)碳酸鈣等多粒徑材料提高封堵效果，但加量較大，導(dǎo)致流變性偏高，不利于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)[7]。王建華等以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯為原料開發(fā)出納米聚合物封堵劑，但其粒徑在50～300 nm，只對(duì)低滲巖心具有良好的封堵性能[8]。另外，這些封堵材料大多數(shù)沒有化學(xué)活性，分散在油基鉆井液中，當(dāng)鉆井液在地層的微裂縫中發(fā)生濾失時(shí)形成一些固相堵塞，隨之嵌入裂縫中，具有一定物理封堵作用，但僅對(duì)某種尺寸的孔隙有效[9-10]；此外，高溫下這些封堵材料在油基鉆井液中易發(fā)生聚集，無法發(fā)揮原有效果[11]。為此，從提高非均質(zhì)孔隙和裂縫的封堵效果和高溫穩(wěn)定性方面出發(fā)，開展了抗高溫油基鉆井液封堵劑的研制，并對(duì)該封堵劑的封堵性能和封堵機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和分析，并與傳統(tǒng)封堵劑進(jìn)行了對(duì)比，以期提高對(duì)油基鉆井液封堵劑的機(jī)理認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：氧化鈣、氯化鈣，化學(xué)純；取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物，自制； 3#白油、油基封堵劑-1、油基封堵劑-2、油基封堵劑-3，工業(yè)品；磺化瀝青、油溶性碳酸鈣、油溶性二氧化硅、油基鉆井液用主乳化劑（PF-MOEMUL）、輔乳化劑（PF-MOCOAT）、潤(rùn)濕劑（PF-MOWET）、有機(jī)土（PF-MOGEL）、重晶石，工業(yè)品，由天津中海油服化學(xué)有限公司提供。

實(shí) 驗(yàn) 儀 器：Netzsch STA 449F1-F3同 步 熱分析儀，耐弛科學(xué)儀器商貿(mào)有限公司；馬爾文Mastersizer2000激光粒度儀，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；DP90滴點(diǎn)軟化點(diǎn)儀，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；FEI Quanta650FEG掃描電子顯微鏡儀，美國(guó)FEI公司；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，F(xiàn)ANN23E破乳電壓儀，美國(guó)FANN公司；PPT滲透封堵儀，美國(guó)OFITE公司。陶瓷砂盤的孔徑分別為3、5和10 μm。德國(guó)蔡司研究級(jí)數(shù)字透反射偏光顯微鏡Axio scope A1 Pol。

1.2 鉆井液的流變性及電穩(wěn)定性測(cè)定

按順序加入320mL白油、1%PF-MOEMUL 、0.6%PF-MOCOAT、1.5%PF-MOWET、2.5%氧化鈣、2.0%PF-MOGEL、80mL鹽水（25%CaCl2），配制成400mL油包水乳化鉆井液基液?；号渲坪煤螅尤胍欢康闹鼐?，配制成密度為1.5g/cm3的油基鉆井液（標(biāo)記為基漿）。

將油基鉆井液抗高溫封堵劑PF-MOSHIELD、油基封堵劑-1、油基封堵劑-2、油基封堵劑-3分別加入到基漿中，高速攪拌20min后，在150℃滾動(dòng)老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌20min后用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定流變數(shù)據(jù)，用破乳電壓儀測(cè)定破乳電壓。

1.3 鉆井液的封堵性評(píng)價(jià)

為了更準(zhǔn)確地模擬和測(cè)量鉆井液體系在鉆井過程中的封堵性能，筆者選擇利用高溫高壓滲透封堵儀（PPT）評(píng)價(jià)。高溫高壓滲透封堵儀是目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的封堵評(píng)價(jià)設(shè)備，PPT能在存在壓差情況下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆井液如何形成滲透性濾餅以封堵漏失[12]。該滲透封堵儀使用傳統(tǒng)的高溫高壓加熱套模擬地層溫度，鉆井液杯反向放置，壓力從鉆井液杯底部進(jìn)入，濾液從上部收集，過濾介質(zhì)為陶瓷砂盤，壓差最大可以達(dá)到28mPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 封堵劑PF-MOSHIELD的研制

目前國(guó)內(nèi)外油基鉆井液用封堵劑大多數(shù)由乳化瀝青、氧化瀝青、橡膠粉、瀝青樹脂或石墨小球等組成，這些材料大多數(shù)沒有化學(xué)活性，具有一定物理封堵作用；且只針對(duì)某種大小的孔隙有效，當(dāng)存在非均質(zhì)孔隙和裂縫時(shí)，其作用有限；尤其，這些封堵劑高溫下在油基鉆井液中易發(fā)生聚集，從而不能有效封堵[13-15]。因此，從提高廣譜性封堵效果和高溫穩(wěn)定性出發(fā)，要求性能良好的抗高溫油基鉆井液封堵劑必須具備3個(gè)條件：一是封堵劑的抗高溫穩(wěn)定性好，在油基鉆井液中不發(fā)生聚集；二是封堵劑要有吸附基團(tuán)和較長(zhǎng)的碳鏈，高油溶物含量，同時(shí)具備化學(xué)封堵和物理封堵；三是封堵劑的粒徑分布范圍要寬，以利于提高封堵各種不同寬度裂縫的能力?；谏鲜?個(gè)條件，室內(nèi)成功研制出抗高溫油基鉆井液封堵劑PF-MOSHIELD，其主要由采用獨(dú)特的化學(xué)改性劑和生產(chǎn)工藝制備的磺化瀝青、油溶性碳酸鈣、納米二氧化硅和不同烷烴鏈長(zhǎng)取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物（自制）等組成的復(fù)合物。

2.2 封堵劑PF-MOSHIELD的物性表征

2.2.1 熱穩(wěn)定性

抗高溫油基鉆井液封堵劑PF-MOSHIELD的熱穩(wěn)定性可通過熱重分析儀分析。如圖1所示，PF-MOSHIELD的熱分解起始溫度約為378℃，此時(shí)PF-MOSHIELD中的共聚物和磺化瀝青開始分解，殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.69%，表明PF-MOSHIELD的熱穩(wěn)定性好。在435℃附近，熱重曲線近似直線下降，共聚物和磺化瀝青分子中的主鏈開始分解，至600℃附近殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.33%，這些未分解的物質(zhì)多為油溶性碳酸鈣、納米二氧化硅等物質(zhì)，從而表明該物質(zhì)具有較高的熱穩(wěn)定性。

圖1 抗高溫油基鉆井液封堵劑 PF-MOSHIELD的熱失重曲線

2.2.2 在油相中的分散穩(wěn)定性

為了考察高溫老化后的抗高溫油基鉆井液封堵劑PF-MOSHIELD在油相中的分散穩(wěn)定性，選擇以3#白油作為油相，并與傳統(tǒng)的油基封堵劑在油相中的分散穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比。固定每種油基封堵劑的加量為0.5%，在150℃滾動(dòng)老化16 h，冷卻至室溫，高速攪拌20min后轉(zhuǎn)移到試管中靜置觀察。如圖2所示，經(jīng)24 h的靜置，傳統(tǒng)油基封堵劑-1的上清液中幾乎全為油相，固相顆粒完全沉降在底部，而油基封堵劑-2、油基封堵劑-3和PF-MOSHIELD仍然可以保持一定的穩(wěn)定分散性，說明PF-MOSHIELD在油相中具有較好的分散穩(wěn)定性。這主要是由于PF-MOSHIELD中有較多的吸附基團(tuán)和較長(zhǎng)的碳鏈，油溶物含量較高，因此在油相中的分散穩(wěn)定性較好。

圖2 PF-MOSHIELD與傳統(tǒng)封堵劑在3#白油中的分散 穩(wěn)定性（ 加量均為0.5%，在150℃滾動(dòng)16 h后靜置）

利用顯微鏡技術(shù)可以直接觀測(cè)PF-MOSHIELD與傳統(tǒng)封堵劑在3#白油中的分散膠體顆粒的大小和形狀，更為直觀地表征封堵劑在油相中的分散穩(wěn)定性。圖3給出了不同封堵劑在3#白油中在 150℃老化16 h之后的分散情況。可以清晰地看到，油基封堵劑-1在3#白油中分散的膠體顆粒發(fā)生顯著的聚集，從而高溫老化后固相顆粒完全沉降在底部；而油基封堵劑-2和油基封堵劑-3在3#白油中分散的顆粒粒徑比較小且分布比較均勻，所以他們?cè)?#白油中的分散穩(wěn)定性較好，但由于粒徑分布范圍較窄，只能封堵部分微裂縫和孔隙；而高溫老化后，PF-MOSHIELD在3#白油中的分散穩(wěn)定性比較好，粒徑小的顆粒均勻分散，同時(shí)也存在一些粒徑較大的顆粒，且沒有發(fā)生聚集。進(jìn)一步證實(shí)了PF-MOSHIELD在3#白油中的分散穩(wěn)定性較好。

圖3 PF-MOSHIELD與傳統(tǒng)封堵劑在3#白油中在150℃滾動(dòng)老化16 h之后的顯微鏡照片

2.2.3 軟化點(diǎn)和粒徑分布分析

為了進(jìn)一步分析抗高溫油基鉆井液封堵劑的性能，對(duì)比了PF-MOSHIELD與傳統(tǒng)油基封堵劑的軟化點(diǎn)和粒徑分布范圍。軟化點(diǎn)的測(cè)定根據(jù)GB/T 4507—999瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定法（環(huán)球法）的工作原理[16]，利用DP90軟化點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)量油基封堵劑的軟化點(diǎn)，并利用馬爾文2000激光粒度分布儀對(duì)他們的粒徑分布進(jìn)一步測(cè)試，見表1。由表1可知，PF-MOSHIELD的軟化點(diǎn)最高，為260℃，而其它商業(yè)化的封堵劑的軟化點(diǎn)都小于200℃，從而進(jìn)一步證實(shí)了PF-MOSHIELD具有較高的耐高溫性能。PF-MOSHIELD的顆粒粒度分布優(yōu)于傳統(tǒng)的3種油基封堵劑，主要由于PF-MOSHIELD的主要成分是采用獨(dú)特的化學(xué)改性劑和生產(chǎn)工藝制備的磺化瀝青、油溶性碳酸鈣和油溶性二氧化硅和取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物，其粒度分布更廣，從溶解的膠體顆粒到與粉碎的瀝青粒子相當(dāng)大的固體大顆粒，都存在于體系中，顆粒粒度范圍寬，提高了封堵各種不同寬度裂縫的能力。

表1 PF-MOSHIELD與傳統(tǒng)封堵劑的粒徑分布范圍及軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.3 封堵劑PF-MOSHIELD的性能評(píng)價(jià)

2.3.1 對(duì)油基基漿性能的影響

從表2可知，加入不同加量的PF-MOSHILED，經(jīng)過150℃熱滾16 h后，油基鉆井液的黏度和切力都有所增加，但是增加的幅度不大；破乳電壓也有明顯的提高，說明PF-MOSHIELD的加入有助于提高油基鉆井液的電穩(wěn)定性。

2.3.2 對(duì)油基基漿封堵性能的影響

在油基基漿中分別加入不同濃度的抗高溫油基封堵劑PF-MOSHIELD，150℃熱滾16 h后考察PF-MOSHIELD對(duì)封堵效果的影響，測(cè)試溫度為 150℃，壓差為13.79mPa，砂盤孔隙度為5 μm，時(shí)間為60min，結(jié)果見圖4。PF-MOSHIELD的加入對(duì)油基基漿滲透封堵效率的影響如圖5所示。

表2 不同加量的PF-MOSHIELD對(duì)油基 鉆井液流變性和電穩(wěn)定性的影響

圖4 PF-MOSHIELD加量對(duì)油基基漿PPT濾失量的影響（150℃、16 h）

圖5 PF-MOSHIELD對(duì)油基基漿PPT 濾失速率的影響（150℃、16 h）

由圖4可知，在油基基漿中加入2%～3%的PF-MOSHIELD，可明顯減小滲透封堵PPT濾失量，使得基漿的PPT濾失量從22.6mL減少到2mL左右，滲透封堵率大于91%，形成的濾餅較薄并且致密。因此在油基基漿中，PF-MOSHIELD的適宜加量為2%～3%。由圖5可知，加入2%PF-MOSHIELD后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，加入PF-MOSHIELD后油基鉆井液的濾失速率顯著減小。經(jīng)數(shù)學(xué)模型擬合后，加入PF-MOSHIELD的油基鉆井液，在測(cè)試 300min后，其濾失速率小于0.01mL/min，幾乎接近于零。從而表明PF-MOSHIELD能較好地滲入到砂盤中形成“內(nèi)濾餅”，具有較好的封堵效果[3]。

通過掃描電鏡觀察PF-MOSHIELD封堵前后的砂盤內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證實(shí)了其在砂盤內(nèi)部形成了“內(nèi)濾餅”，如圖6所示。由圖6可以看出，未封堵的砂盤呈現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)，而經(jīng)過2%的PF-MOSHIELD封堵后的砂盤切片掃描電鏡圖像，反映出其孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)致密。說明PF-MOSHIELD能在砂盤內(nèi)形成封堵層，能較好地封堵砂盤內(nèi)孔隙，達(dá)到了封堵及承壓的功效。其原因主要是由于 PF-MOSHIELD中可變形的疏水改性的磺化瀝青和自制的軟顆粒取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物侵入到固體顆粒之間的空隙并在壓差下變形，從而在砂盤中形成了“內(nèi)濾餅”。

圖6 砂盤封堵前后截面切片的SEM對(duì)比

分別考察了PF-MOSHIELD對(duì)孔隙度為3、5和10 μm的陶瓷砂盤的封堵效果，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，對(duì)于油基基漿來說，不同滲透率下測(cè)得的PPT濾失量都很大；而加入2%的 PF-MOSHILED，對(duì)應(yīng)的PPT濾失量都顯著降低。說明PF-MOSHIELD能夠封堵多尺度的孔隙，這主要是由于PF-MOSHIELD的粒度分布廣，從溶解的膠體顆粒到與粉碎的瀝青粒子相當(dāng)大的固體大顆粒，都存在于體系中，顆粒粒徑分布范圍寬，大大提高了封堵各種不同寬度裂縫的能力。

圖7 PF-MOSHIELD對(duì)不同孔徑的砂盤的封堵效果

2.3.3 與傳統(tǒng)油基封堵劑封堵性能的對(duì)比

固定相同的加量（2%），考察抗高溫油基鉆井液封堵劑PF-MOSHIELD與傳統(tǒng)油基封堵劑的封堵性能，如圖8所示，測(cè)試溫度150℃，壓差為13.79mPa，砂盤孔隙度為5 μm。

圖8 不同種類的油基封堵劑對(duì)油基 鉆井液PPT濾失量的影響

由圖8可知，加入PF-MOSHIELD的油基鉆井液在150℃熱滾16 h后，其對(duì)應(yīng)的PPT濾失量都顯著小于其它封堵劑對(duì)應(yīng)的PPT濾失量，且其PPT濾失量隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)為對(duì)數(shù)的變化規(guī)律，證明該類封堵劑能夠在砂盤中除了形成“外濾餅”之外，還能形成“內(nèi)濾餅”[3]；而加入其他傳統(tǒng)封堵劑的PPT濾失量隨著時(shí)間呈現(xiàn)線性的關(guān)系，說明傳統(tǒng)的油基封堵劑只能在砂盤表面形成“外濾餅”。這主要是由于傳統(tǒng)的油基封堵劑是隨機(jī)分散在油基鉆井液中的，當(dāng)油基鉆井液在地層的微裂縫中發(fā)生濾失時(shí)，形成鉆井液固相顆粒隨之嵌入到裂縫中。而PF-MOSHIELD中的主要成分為特殊改性的磺化瀝青和取代的苯乙烯丙烯酸酯的共聚物，這兩類物質(zhì)具有較長(zhǎng)的烷基鏈，穩(wěn)定分散在油基鉆井液中形成膠體顆粒，在壓差的作用下發(fā)生變形參與內(nèi)濾餅”的形成，如圖9所示。此外，磺化瀝青中也含有少量的磺酸基團(tuán)，可吸附、包被于帶正電荷的頁(yè)巖破裂端面，形成一層“隔離膜”，因此該類封堵劑能夠增強(qiáng)油基鉆井液對(duì)地層微裂隙的封堵效果，維持井壁穩(wěn)定。

圖9 PF-MOSHIELD在油基鉆井液中的封堵作用機(jī)理示意圖

3 PF-MOSHIELD的應(yīng)用

抗高溫油基封堵劑PF-MOSHIELD在南海西部北部灣油田的WZ6-9、WZ12-1等區(qū)塊的16口井成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該區(qū)塊的地層特性為斷層多、段距長(zhǎng)、微裂縫發(fā)育，坍塌壓力大，極易垮塌。其中在潿洲組泥巖和目的層段流二段，早期使用傳統(tǒng)的油基鉆井液作業(yè)曾發(fā)生井壁失穩(wěn)、起下鉆困難和電測(cè)遇阻等復(fù)雜情況，其主要原因在于早期傳統(tǒng)的油基鉆井液性能不是十分理想，且封堵效果差，難以在泥頁(yè)巖近井壁帶形成良好的封堵層，無法阻止鉆井液濾液進(jìn)入泥頁(yè)巖的微裂縫，從而不能有效阻止泥頁(yè)巖地層孔隙壓力的傳遞。下面以WZ6-9-A16H1井為例，介紹PF-MOSHIELD的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

WZ6-9-A16H1井采用了中海油服研制的PDFMOM油基鉆井液體系，鉆至井深2030、2667、2903m處進(jìn)行的短程起下鉆作業(yè)均順利。其中進(jìn)入流一段即2540m后，鉆遇大套頁(yè)巖，由于在2440～2658m井段層理和微裂縫發(fā)育，補(bǔ)充加入PF-MOSHIELD，維持其在鉆井液中2%的有效含量，鉆至井深3016m中途完鉆循環(huán)，直接起完鉆，整個(gè)作業(yè)過程順利。表3為二開井段的PDF-MOM油基鉆井液性能。由表3可知，鉆進(jìn)期間鉆井液流變性能穩(wěn)定，破乳電壓高，乳化穩(wěn)定性較好，PPT滲透濾失量為1.6～2.4mL；同時(shí)該井的鉆井液作業(yè)順利，未發(fā)現(xiàn)泥巖掉塊，體現(xiàn)了抗高溫油基鉆井液封堵劑PF-MOSHIELD能夠減小泥頁(yè)巖中孔隙壓力傳遞、維持井壁穩(wěn)定和提高作業(yè)時(shí)效。

表3 WZ6-9-A16H1井二開井段PDF-MOM鉆井液性能

4 結(jié)論

1．研發(fā)了一種抗高溫油基鉆井液封堵劑，其熱重分解溫度高達(dá)378℃，軟化點(diǎn)為260℃，具有較好的熱穩(wěn)定性；粒徑分布在1～189.02 μm，粒徑分布范圍寬，提高了封堵各種不同寬度裂縫的能力，且其在油相中的分散穩(wěn)定性較好。

2．與未加入該封堵劑和加入傳統(tǒng)油基封堵劑的油基鉆井液相比，加入PF-MOSHIELD的油基鉆井液的滲透封堵濾失量顯著減小，滲透濾失速率急劇降低，能夠在砂盤內(nèi)部形成“內(nèi)濾餅”，從而較好地封堵砂盤內(nèi)孔隙，達(dá)到封堵及承壓的功效。

3．在南海海域WZ6-9、WZ12-1等區(qū)塊的應(yīng)用表明，添加PF-MOSHIELD的油基鉆井液流變穩(wěn)定，電穩(wěn)定性提高，減少頁(yè)巖中孔隙壓力傳遞效應(yīng)，能夠滿足層理和微裂縫發(fā)育的硬脆性和破碎性地層井壁穩(wěn)定要求。