＊程榮超 王建華 閆麗麗 張繼國(guó) 蘭笛 李穎穎

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 102206 2.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井液公司 北京 100108）

引言

近年中國(guó)非常規(guī)油氣的開采力度不斷加大，隨之而來的是鉆井難度的不斷增大。針對(duì)此問題，由于油基鉆井液[1-2]具有相較于水基鉆井液更好的抑制和潤(rùn)滑能力，導(dǎo)致其使用頻率逐漸增加。但是油基鉆井液通過微裂縫進(jìn)入地層，液相壓力通過微裂縫傳遞會(huì)導(dǎo)致其井壁失穩(wěn)。因此，提高油基鉆井液的封堵性能是解決油基鉆井液井壁失穩(wěn)問題的關(guān)鍵途徑[3-4]。目前油基鉆井液封堵材料[5-6]主要有無機(jī)封堵劑如二氧化硅及其改性物[7]、超細(xì)碳酸鈣、氧化鐵類和鐵基/鈣基改性材料，和有機(jī)封堵劑[8-9]如交聯(lián)聚合物、鋁絡(luò)合物類[10]、瀝青類材料[11]居多。但無機(jī)封堵劑懸浮性差，剛性較強(qiáng)不易變形導(dǎo)致封堵性能較差；有機(jī)封堵劑在高溫條件下易分解導(dǎo)致封堵失效。而高分子樹脂類材料[12-13]作為油基鉆井液封堵劑還有待進(jìn)一步研究，本文基于此研制出一種油基鉆井液用丙烯酸樹脂類封堵劑，能顯著提高油基鉆井液的封堵性，有望改善油基鉆井液的井壁失穩(wěn)問題。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：苯乙烯（ST，純度大于99.0%）、甲基丙烯酸甲酯（MMA，純度99.0%）、丙烯酸十八酯（純度大于98.0%）、過硫酸鉀（K2S2O8，純度大于99.0%）、乳化劑OS（MS-1，純度40.0%）、三烯丙基異氰脲酸酯（TAIC，純度98.0%），所有鉆井液處理劑由長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司提供。

實(shí)驗(yàn)儀器：傅立葉紅外光譜儀：IRTRacer-100，日本島津；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)：ZNN-6型，青島海通達(dá)；泥漿失水量測(cè)定儀：SD-3型，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓失水量測(cè)定儀：GGS71-B型，青島同春石油儀器有限公司；滾子加熱爐：BGRL-45型，青島同春石油儀器有限公司；破乳電壓測(cè)試儀：Fann23D，美國(guó)FANN；中壓砂床濾失儀：FA型，青島膠南分析儀器廠；高溫高壓動(dòng)靜態(tài)封堵儀：HKY型，海安石油科研儀器有限公司。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①封堵劑的制備

取100mL去離子水加入到燒杯中，向其中加入乳化劑OS 1g，在500r/min的攪拌速度下，將MMA 14g、丙烯酸十八酯3g、ST 30g、TAIC 0.08g加入到燒杯中，持續(xù)攪拌30min，形成穩(wěn)定的水包油預(yù)乳液；將預(yù)乳液加入到四口燒瓶中，在80℃下油浴加熱，通入氮?dú)猓郎睾蟮渭舆^硫酸鉀引發(fā)劑（單體總質(zhì)量3%，溶于2.5mL去離子水中）在200r/min攪拌速度下反應(yīng)4h；反應(yīng)完成后，置于烘箱中在105℃下干燥24h，粉碎即得封堵劑產(chǎn)品。

圖1 封堵劑分子結(jié)構(gòu)示意圖

②封堵劑的表征

將封堵劑樣品在105℃真空環(huán)境下烘干后研磨成粉末，使用IRTracer-100型紅外光譜儀，利用KBr壓片法在室溫下測(cè)量其FT-IR光譜，頻率范圍為500cm-1到4000cm-1，分辨率為4cm-1。

③油基鉆井液基漿的配制

首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的CaCl2水溶液80mL，將320mL的5#白油置于高腳杯中，以6000r/min的轉(zhuǎn)速不斷攪拌的條件下，緩慢加入80mL之前配置好的CaCl2水溶液，隨后緩慢加入1.5%的主乳化劑和2%的輔乳化劑。10min后，按順序加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的有機(jī)土和3%的CaO。隨后將攪拌轉(zhuǎn)速提高至9000r/min，持續(xù)攪拌30min，得到油水比為4:1的一份油基鉆井液基漿。

④封堵劑性能評(píng)價(jià)

中壓砂床實(shí)驗(yàn)：按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試的相關(guān)要求，向配制好的油基鉆井液基漿中添加一定濃度的封堵劑，5000r/min轉(zhuǎn)速下攪拌20min制備成相應(yīng)測(cè)試基漿，將需要測(cè)試的基漿加入至滾子加熱爐中在180℃/16h的老化條件下進(jìn)行老化，得到老化后的相應(yīng)測(cè)試基漿。取一定實(shí)驗(yàn)要求目數(shù)范圍內(nèi)的干燥石英砂，倒入至中壓砂床封堵儀的鋼化玻璃圓柱筒中至350mL刻度，多次敲打壓實(shí)后將測(cè)試基漿緩慢倒入至250mL刻度，加壓至0.7MPa后開始計(jì)時(shí)，30min時(shí)對(duì)測(cè)試基漿在砂床中的侵入深度和濾失量進(jìn)行記錄。

高溫高壓靜態(tài)砂床封堵實(shí)驗(yàn)：針對(duì)井下的復(fù)雜條件和油基鉆井液的施工要求，選用高溫高壓動(dòng)靜態(tài)封堵儀模擬井下的漏失情況，選用一定目數(shù)范圍的干燥石英砂填入至仿真模型中，將安裝好的仿真模型接在測(cè)試釜體的下端，然后向釜體中加入老化后的含有不同濃度封堵劑的油基鉆井液基漿，按照操作說明書安裝和封死所有的實(shí)驗(yàn)要求管線和閥門后，按下開始開關(guān)，同時(shí)點(diǎn)擊電腦上的實(shí)驗(yàn)開始，按照實(shí)驗(yàn)流程依次加壓并保持1MPa/10min的加壓速率，最后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

⑤封堵劑對(duì)油基鉆井液基漿流變和濾失性能影響

取4份400mL油基基漿在7000r/min的轉(zhuǎn)速下，分別向其中加入0g、4g、8g、12g的封堵劑，充分?jǐn)嚢?0min。攪拌完成后，在常溫下使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和泥漿失水量測(cè)定儀測(cè)試鉆井液的流變和API濾失性能，記錄數(shù)據(jù)。

常溫流變和API濾失測(cè)試完成后，將剩余的鉆井液分別裝入老化罐中，在200℃/16h條件下滾動(dòng)老化，結(jié)束后取出冷卻至常溫，在7000r/min的轉(zhuǎn)速下，攪拌40min，攪拌完成后使用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、泥漿失水量測(cè)定儀和高溫高壓失水儀（200℃，壓差3.5MPa）測(cè)試?yán)匣蟮牧髯?、API濾失量和高溫高壓濾失量。

2.結(jié)果與討論

(1)封堵劑的結(jié)構(gòu)表征

圖2為封堵劑的紅外光譜圖。694cm-1、758cm-1為單取代苯環(huán)C-H鍵的面外變形峰，1602cm-1為苯環(huán)C=C骨架的彎曲振動(dòng)峰，表明苯乙烯參與反應(yīng)；980cm-1為-COO-的面內(nèi)變形峰，1197cm-1為-C-O-C-的伸縮振動(dòng)峰，1373cm-1為-CH3的對(duì)稱變形振動(dòng)峰，1450cm-1為-CH2-的彎曲振動(dòng)峰，1728cm-1為C=O的伸縮振動(dòng)峰，表明甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸十八酯參與反應(yīng)；2931cm-1為主鏈-CH2-的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)伸縮振動(dòng)峰，紅外譜圖顯示合成材料為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖2 封堵劑的紅外光譜圖

(2)性能評(píng)價(jià)

①中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)

選用20-40目、40-60目和60-80目的石英砂，分別對(duì)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%和3%封堵劑的油基鉆井液劑將進(jìn)行中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3分析可知，隨著砂床粒度的不斷降低，相同封堵劑加量下油基鉆井液對(duì)砂床的侵入深度不斷降低，說明封堵效果逐漸增強(qiáng)。合成的丙烯酸樹脂封堵劑對(duì)三種目數(shù)范圍砂床的侵入深度均較淺，說明封堵劑封堵效果良好且能夠適應(yīng)一定范圍內(nèi)的封堵尺度要求。同時(shí)，隨著封堵劑加量的上升，封堵效果逐漸增強(qiáng)，2%封堵劑加量的油基鉆井液與3%加量的情況時(shí)封堵效果相近，說明2%為封堵劑最優(yōu)加量。

圖3 中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

②高溫高壓靜態(tài)砂床封堵實(shí)驗(yàn)

高溫高壓動(dòng)靜態(tài)封堵儀，選擇20-40目和40-60目的石英砂構(gòu)建仿真模型且安裝好后，向測(cè)試釜體中加入180℃/16h老化后含有2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)封堵劑的油基鉆井液基漿，按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行180℃高溫高壓靜態(tài)封堵實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的突破壓力和對(duì)應(yīng)時(shí)間的漏失量如下表1。

表1 封堵劑承壓能力

由表1可知，兩種不同目數(shù)的砂床仿真模型中，2%加量的封堵劑的漏失量均在60g-70g左右，能夠有效地對(duì)不同目數(shù)范圍的砂床及進(jìn)行封堵。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩種仿真封堵模型突破壓力均為7MPa，說明承壓極限為6MPa。

(3)封堵劑對(duì)鉆井液性能的影響

不同濃度封堵劑對(duì)油基鉆井液基漿性能的影響如表2所示。由表2可見，200℃熱滾16h后，加入不同濃度封堵劑的油基鉆井液的粘度和動(dòng)切力都有所增加，但是增量都比較?。黄迫殡妷夯緵]發(fā)生變化，說明封堵劑可以有效的保持油基鉆井液的電穩(wěn)定性。老化前油基鉆井液基漿的泥漿失水量（FLAPI）為6.4mL，當(dāng)加入了1%封堵劑后，F(xiàn)LAPI減小到4.4mL，表明封堵劑具有優(yōu)異的封堵性能；當(dāng)封堵劑的加量為2%和3%時(shí)，F(xiàn)LAPI分別為2.4mL、2.2mL；加量為3%時(shí)，API濾失量與加量為2%時(shí)的濾失量相差較小，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，封堵劑的最優(yōu)加量為2%；此外老化后，F(xiàn)LAPI都有所增大，但是變化量都很小，表明封堵劑具有優(yōu)異的抗溫能力。

表2 封堵劑對(duì)鉆井液性能的影響

對(duì)老化后的基漿和含不同濃度封堵劑的油基鉆井液進(jìn)行高溫高壓濾失量（200℃，壓差3.5MPa）測(cè)定，如圖4所示，可以很明顯的觀察到當(dāng)封堵劑的加量為1%時(shí)，高溫高壓濾失量從14mL降到10.8mL，隨著封堵劑的濃度增加，濾失量進(jìn)一步減小，表明封堵劑具有優(yōu)異的抗溫、承壓和封堵性能。當(dāng)加量大于2%時(shí)，高溫高壓濾失量變化量很小。

圖4 添加不同濃度封堵劑的油基鉆井液高溫高壓濾失量

3.結(jié)論

（1）采用乳液聚合法，以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸十八酯為單體，合成了一種丙烯酸樹脂類封堵劑。紅外光譜實(shí)驗(yàn)表明單體之間進(jìn)行了反應(yīng)，合成材料為目標(biāo)產(chǎn)物。

（2）中壓砂床封堵實(shí)驗(yàn)和高溫高壓靜態(tài)砂床封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成的封堵劑對(duì)不同粒徑的砂床都具有優(yōu)良的封堵效果，可有效降低濾失量，且承壓能力達(dá)6MPa。

（3）封堵劑對(duì)油基鉆井液的流變性能影響不大，在提高油基鉆井液電穩(wěn)定性的同時(shí)，還顯著降低了濾失量。

（4）封堵劑具有優(yōu)異的抗高溫能力，200℃老化后，仍具有較好的降濾失效果和封堵效果。