＊李茂森 尹雨紅 范勁

（1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司 四川 610051 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 四川 610500）

四川盆地龍馬溪組由于其儲(chǔ)層構(gòu)造復(fù)雜，微裂縫發(fā)育，鉆井液濾液易沿著微裂隙進(jìn)入地層，引起孔隙壓力傳遞以及微裂縫擴(kuò)展，從而導(dǎo)致泥頁(yè)巖易井壁失穩(wěn)。油基鉆井液可避免因泥頁(yè)巖的水化問(wèn)題而造成的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，因此提高油基鉆井液的封堵性可從根本上增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性。目前關(guān)于油基鉆井液封堵性的研究多集中于新型油基封堵劑的研制方面，而在各種封堵劑對(duì)油基鉆井液封堵性和流變性影響的綜合研究上卻鮮有報(bào)道。本文將結(jié)合四川盆地龍馬溪組微裂縫發(fā)育地層的地質(zhì)特征，通過(guò)高溫高壓濾失量測(cè)定、流變性測(cè)試和微觀形貌分析，研究了超細(xì)碳酸鈣、復(fù)合樹脂、成膜封堵劑等7種封堵劑對(duì)油基鉆井液性能的影響，并進(jìn)行了封堵劑的封堵機(jī)理分析。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：膨脹石墨（粒徑50-100μm）；彈性石墨 （粒徑40μm）；磺化瀝青（軟化點(diǎn)120℃）；復(fù)合樹脂（粒徑20-100μm）；超細(xì)碳酸鈣（粒徑20μm）、聚乙二醇（1000分子量）；成膜封堵劑（FDM-1）、有機(jī)土（HFEL）、乳化劑（HFMO）、降濾失劑（HFLO）、氧化鈣，由川慶鉆探鉆井液有限公司提供。

實(shí)驗(yàn)儀器：蔡司體視顯微鏡：V12型，上海百賀儀器科技有限公司；六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：ZNN-D6B型，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓濾失儀：GGS42-2A型，青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司；高溫高壓金屬縫塊封堵儀，自制。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①基漿的配置。量取320mL白油（3#）于高腳杯中，保持12000r/min轉(zhuǎn)速，依次加入6.4g有機(jī)土、12.8g乳化劑、9.6g氧化鈣、9.6g降濾失劑分別高速攪拌5min后，向其中加入80mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%的氯化鈣水溶液以及一定量的重晶石分別持續(xù)攪拌20min，最終得到密度為1.5g/cm3的油基鉆井液基漿。

②鉆井液封堵性測(cè)定。利用實(shí)驗(yàn)室自制金屬縫塊配合使用高溫高壓濾失儀，通過(guò)調(diào)節(jié)縫塊模擬頁(yè)巖地層不同開度的微裂縫，其操作方法與高溫高壓濾失儀的操作方法相同，通過(guò)記錄濾失量以及觀察微裂縫內(nèi)部封堵情況進(jìn)而評(píng)價(jià)出各類封堵劑在油基鉆井液中的封堵性能。

通過(guò)對(duì)各地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖微裂縫發(fā)育特征調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析，以微裂縫開度為80μm作為龍馬溪組微裂縫發(fā)育地層油基鉆井液封堵材料封堵效果的研究對(duì)象。

③鉆井液流變性測(cè)定。將同一濃度的不同種類封堵劑加入基漿中，高速攪拌20min，用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定加入不同種類封堵劑鉆井液老化前后的流變數(shù)據(jù)。

④微觀作用機(jī)理分析。用體式顯微鏡放大90倍觀察加入封堵劑前后微裂縫內(nèi)部的微觀封堵形態(tài)，分析各類封堵劑的封堵作用機(jī)理。

2.結(jié)果與討論

(1)單一封堵劑對(duì)油基鉆井液性能的影響

①對(duì)油基鉆井液封堵性的影響。目前常用的封堵性能評(píng)價(jià)方法尚且不能有效對(duì)微裂縫進(jìn)行封堵評(píng)價(jià)。為了更好地評(píng)價(jià)各類封堵劑對(duì)微裂縫的封堵效果，實(shí)驗(yàn)室自行研制了高溫高壓金屬縫塊封堵儀，在溫度為150℃，壓差為3.5MPa，裂縫寬度為80μm條件下，分別測(cè)試加入7種封堵劑的鉆井液封堵微裂縫的性能，濾失量結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 剛性及石墨類封堵劑對(duì)油基鉆井液封堵性的影響

由圖1可知，3種剛性及石墨類封堵劑的加入均對(duì)油基鉆井液封堵性產(chǎn)生影響，其中膨脹石墨的封堵效果最好，瞬時(shí)濾失量在2mL左右，總濾失量?jī)H有3mL，說(shuō)明膨脹石墨可通過(guò)架橋及石墨本身的彈性對(duì)微裂縫實(shí)現(xiàn)有效封堵。

由圖2可知，與油基基漿對(duì)比，加入可變形類油基封堵劑的鉆井液高溫高壓濾失量均明顯下降，總濾失量均小于6mL，后20min內(nèi)的濾失量幾乎沒有變化，說(shuō)明可變形類油基封堵劑通過(guò)自身顆粒的高溫軟化變形能在較短時(shí)間內(nèi)在微裂縫內(nèi)形成致密封堵層。

圖2 可變形類封堵劑對(duì)油基鉆井液封堵性的影響

由圖3可知，聚乙二醇對(duì)油基鉆井液的濾失量降低率僅有39%，其原因?yàn)榫垡叶疾蝗苡谟停虼瞬]有到達(dá)其“濁點(diǎn)”后膠體顆粒析出的過(guò)程，這相當(dāng)于聚乙二醇在油基鉆井液中是直接參與了物理封堵，因此對(duì)微裂縫的封堵效果差。

圖3 其它封堵劑對(duì)油基鉆井液封堵性的影響

②對(duì)油基鉆井液流變性的影響。對(duì)封堵效果較好的封堵劑進(jìn)行流變性測(cè)定，將濃度為3%的不同種類封堵劑加入基漿中，高速攪拌20min，測(cè)試加入不同種類封堵劑鉆井液老化前后的流變數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同封堵劑對(duì)鉆井液流變性的影響

由表1可以看出，向油基基漿中加入總濃度為3%的各類的封堵材料后，除加入膨脹石墨的鉆井液的流變性參數(shù)有明顯上升外，其余封堵劑加入后對(duì)鉆井液流變性能影響程度不大，其中成膜封堵劑對(duì)鉆井液流變性的影響最小。

(2)復(fù)配封堵劑對(duì)油基鉆井液性能的影響

結(jié)合以上各類封堵劑對(duì)油基鉆井液的封堵性及流變性的影響測(cè)試，選出對(duì)微裂縫封堵效果最好的復(fù)合樹脂以及對(duì)油基鉆井液流變性影響最小的成膜封堵劑，將兩種封堵單劑按一定比例進(jìn)行復(fù)配，評(píng)價(jià)其復(fù)配后鉆井液的性能，并確定出最佳復(fù)配比例。

①對(duì)油基鉆井液封堵性的影響。向油基基漿中加入總濃度為3%的復(fù)配封堵劑，分別測(cè)試不同比例下復(fù)配封堵劑對(duì)微裂縫的封堵性能，測(cè)試溫度為150℃，壓差為3.5MPa，微裂縫寬度為80μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 復(fù)配封堵劑對(duì)油基鉆井液封堵性的影響

由圖4可以看出，復(fù)配后的封堵劑對(duì)油基鉆井液封堵性的影響較大，前5min內(nèi)便能在微裂縫內(nèi)形成有效封堵層，總濾失降低率達(dá)到80%左右，與單一封堵劑相對(duì)比，復(fù)配封堵劑封堵效果均強(qiáng)于單一封堵劑，其中復(fù)合樹脂和成膜封堵劑的復(fù)配比值為2:1和1:1時(shí)封堵效果最好。

②對(duì)油基鉆井液流變性的影響。將封堵效果較好復(fù)配比例的封堵劑加入基漿中，高速攪拌20min，進(jìn)行流變性測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 封堵劑復(fù)配后流變性評(píng)價(jià)

由表2可以看出，復(fù)合樹脂和成膜封堵劑的復(fù)配比例為2:1時(shí)的鉆井液流變性參數(shù)有略微上升，復(fù)配比例為1:1時(shí)對(duì)鉆井液流變性能影響較小。

因此，基于流變性評(píng)價(jià)以及封堵性評(píng)價(jià)結(jié)果，確定出復(fù)合樹脂和成膜封堵劑復(fù)配比例為1:1時(shí)為最佳復(fù)配比。

(3)封堵劑作用機(jī)理分析

①單一封堵劑作用機(jī)理分析。為了進(jìn)一步研究封堵劑的封堵效果以及作用機(jī)理，拆卸金屬縫塊從宏觀觀察裂縫內(nèi)部的封堵情況，并利用顯微鏡技術(shù)放大90倍對(duì)微裂縫內(nèi)部截面進(jìn)行了微觀研究。從宏觀和微觀角度對(duì)比分析了油基基漿、復(fù)合樹脂和成膜封堵劑對(duì)微裂縫的封堵效果，見表3。

表3 微裂縫封堵效果圖

通過(guò)表3中的微裂縫封堵宏觀對(duì)比圖可以看出，與基漿在微裂縫的封堵情況不同的是加入復(fù)合樹脂和成膜封堵劑后的鉆井液均能在微裂縫內(nèi)部形成一條完整的封堵帶。從裂縫內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，復(fù)合樹脂經(jīng)高溫軟化后進(jìn)入微裂縫后層層堵塞，樹脂顆粒遍布微裂縫內(nèi)部整個(gè)區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微裂縫的致密封堵；成膜封堵劑則主要堆積在微裂縫后端，在熱壓差下膠粒之間相互交聯(lián)、堆積在微裂縫內(nèi)部形成有效封堵層。

②復(fù)配封堵劑作用機(jī)理分析。從裂縫內(nèi)部宏觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，加入復(fù)配封堵劑的鉆井液在微裂縫中所形成的封堵帶與單一封堵劑相比更為緊密，使用體式顯微鏡繼續(xù)放大觀察其微觀形態(tài)后發(fā)現(xiàn)，復(fù)配封堵劑在微裂縫中形成了多條封堵帶層層封堵，其中復(fù)合樹脂封堵劑通過(guò)高溫軟化變形對(duì)微裂縫進(jìn)行初步架橋，成膜封堵劑則在壓差作用下對(duì)孔隙繼續(xù)進(jìn)行填充隨后在溫度影響下鏈接成膜將顆粒進(jìn)一步膠結(jié)在一起，從而形成一個(gè)較為致密的整體。

圖5 加入復(fù)配比例1:1封堵后微裂縫內(nèi)部微宏觀圖（微觀×90倍）

3.結(jié)論

（1）膨脹石墨、復(fù)合樹脂和成膜封堵劑對(duì)微裂縫的封堵效果較優(yōu)，均在裂縫內(nèi)部形成了一條完整的封堵帶，封堵效果好；成膜封堵劑對(duì)油基鉆井液流變性的影響最小。（2）復(fù)合樹脂和成膜封堵劑總濃度為3%，復(fù)配比例為1:1時(shí)，既能有效封堵微裂縫又能保證對(duì)基漿流變性能產(chǎn)生較小影響。（3）復(fù)合樹脂和成膜封堵劑復(fù)配封堵可通過(guò)兩者協(xié)同作用，復(fù)合樹脂高溫軟化變形架橋，成膜封堵劑形成的膠膜將顆粒膠結(jié)在一起，從而在微裂縫內(nèi)部形成一個(gè)致密的整體。