膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系

劉偉， 柳娜， 張小平（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，西安710018）

劉偉等.膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：11-16.

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膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系

劉偉1， 2， 柳娜1， 3， 張小平1， 2
（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，西安710018）

劉偉等.膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：11-16.

摘要針對油基防漏堵漏鉆井液技術難題，研究出一種具有三維網絡交聯結構或者微孔結構的膨脹型堵漏劑，其可選擇性地吸收油水混合體系中的油，具有溫度敏感延時膨脹特性，并具有一定的抗壓以及成膜能力，在90 ℃的1 h吸油率大于120%，體積膨脹率大于40%。同時優選出了可使體系熱滾后破乳電壓升高的乳化劑G326，可使體系高溫高壓濾失量降低至4 mL以下的降濾失劑G328，優選出G327和G338封堵劑以及顆粒較粗的GFD-M和GFD-C，構建了膨脹型油基防漏堵漏體系，分別形成了堵漏和防漏鉆井液配方。其中堵漏配方1～5 mm縫板實驗承壓可達7.0 MPa，防滲漏配方API砂床侵入深度降低率大于95%。該體系在四川頁巖氣水平井現場應用結果顯示：堵漏配方現場堵漏作業一次成功率大于60%，防漏配方在試驗井段2.10～2.45 g/cm3高密度條件下，油基鉆井液總滲漏量控制在10 m3以內，封堵防漏效果良好。

關鍵詞膨脹型堵漏劑；油基鉆井液防漏堵漏體系；封堵性能；頁巖氣水平井

Control and Prevent Oil Base Mud Loss with Expandable Plugging Agents

LIU Wei1, 2, LIU Na1, 3, ZHANG Xiaoping1, 2

(1. National Key Laboratory of Low Permeability Oil Field Exploration and Development, Research Institute of Drilling and Production Technology, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Ltd., Xi’an Shaanxi 710018,China; 2. Research Institute of Drilling and Production Technology, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Ltd., Xi’an Shaanxi 710018,China; 3. Research Institute of Petroleum Exploration, CNPC Changqing Oilfield Company, Xi’an Shaanxi 710018,China)

Abstract An oil base mud loss prevention fluid (LCM mud) was formulated through optimization of additives and expandable plugging agents. Compatibility, plugging capacity and pressure containment of the LCM mud were evaluated through laboratory experiments. The LCM mud showed good rheology and high electrical stability in laboratory experiments. In experiments with the LCM mud on 1-5 mm simulated fractures, the pressure containment of the LCM mud was 7.0 MPa. Depths of invasion of the LCM mud into API sand beds were reduced by 95% or higher. In a horizontal shale gas well operation, more than 60% of the mud losses were controlled at the first try. Volumes of high density (2.10-2.45 g/cm3) oil base mud lost were controlled within 10 m3, demonstrating that this LCM mud satisfied the needs for mud loss control in field operations.

Key words Expandable lost circulation material; LCM mud for loss control and prevention of oil base drilling fluid; Plugging performance; Horizontal shale gas well

近期，川渝地區的金秋-梓潼井區的致密氣井以及富順-永川井區、長寧-威遠井區的頁巖氣水平井在使用油基鉆井液的過程中都出現過不同程度的漏失現象[1-10]。中國目前在水基鉆井液專用堵漏劑及封堵技術研發與應用方面做了大量研究，取得較多成果[11-15]，但在油基鉆井液專用堵漏劑及封堵技術研發與應用方面成果較少[16-18]。常用的水基鉆井液堵漏劑一般為親水性吸水膨脹材料，在油基鉆井液體系中無法發揮很好的防漏堵漏效果，因此井漏問題已經成為制約油基鉆井液大規模應用的瓶頸之一。筆者通過室內研究，自主研發出一種油基鉆井液用膨脹型封堵劑，在此基礎上優選出其他關鍵處理劑和封堵劑，構建出一套膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系，并針對不同漏失類型形成2組防漏堵漏配方，現場應用顯示，該體系封堵防漏效果良好。

1　膨脹型堵漏劑G337的研制

油基鉆井液用膨脹型堵漏劑G337主要成分為吸油膨脹性聚合物。該聚合物屬于特殊功能高分子材料，其主要是利用親油性的單體作為聚合物的基本單元，經過適度交聯后，得到具有三維網絡交聯結構或者微孔結構的低交聯度聚合物。由于聚合物的單體具有很強的親油性，使得聚合物分子中存在著大量的親油基團，這些基團與油品分子之間的相互作用力推動了聚合物對油品的吸收作用。因此吸油膨脹性聚合物是一種自溶脹型的吸油材料。研發合成的吸油膨脹聚合物G337具有良好的延時吸油膨脹性能，并具有一定的抗壓性能以及成膜能力。

1.1 G337的吸油率和膨脹率

G337對醇類和水幾乎不吸收，可有選擇性地吸收油水混合體系中的油，并具有溫度敏感延時膨脹特性，常溫下吸油十分緩慢，隨著溫度的升高吸油膨脹速度加快。此特點有利于堵漏劑G337在地面配制堵漏漿階段幾乎不膨脹，入井后在地層溫度作用下再吸油膨脹。

室內評價了90 ℃下G337吸油效率和膨脹率性能，結果見圖1和圖2。

圖1　90 ℃下堵漏劑G337樣品的吸油率實驗

由圖1和圖2可知， 對于不同油品，G337的吸油率略有不同；在90 ℃下對白油和柴油的1 h吸油率均可達120%以上，膨脹率穩定在40%左右。說明油基鉆井液用膨脹型堵漏劑G337在一定溫度下具有延時膨脹性能，并可在不同類型油基鉆井液中使用。

圖2　90 ℃下堵漏劑G337樣品的膨脹率實驗

1.2 G337與油基鉆井液配伍性及砂床評價

通過API砂床實驗評價堵漏劑G337與油基鉆井液的配伍性能以及封堵性能。實驗使用密度為1.30 g/cm3的白油基鉆井液作為基漿，砂子粒徑為0.425～0.85 mm，結果見表1。由表1可以看出，G337在油基鉆井液中有良好的配伍性能，加量達到100 kg/m3時，流變性受到的影響不大，在10 kg/m3加量下，10 min侵入深度僅為0.4 cm，說明研發出的G337與油基鉆井液配伍性良好，砂床評價實驗顯示封堵性能優。

表1　G337在油基鉆井液中配伍性及堵漏性能砂床室內評價實驗

2　油基鉆井液基漿處理劑優選

由于堵漏材料比表面積大，吸附消耗油基鉆井液乳化劑的能力強，開展了油基防漏堵漏鉆井液用乳化劑的優選實驗。降濾失劑的性能對防漏堵漏體系的封堵性能具有重要意義[19]， 因此也對降濾失劑進行了針對性優選，優選出具有良好降濾失性能的降濾失劑，使研發的油基防漏堵漏鉆井液體系具有較高的封堵性能。

2.1 乳化劑

采用乳化電壓法來優選乳化劑。取280 mL 3#白油、120 mL2%CaO（23%CaCl2水） ，在25 ℃、高速攪拌下，加入3%乳化劑樣品乳化30 min，在滾子爐中（180 ℃）滾動放置16 h，用Fann-23C型電穩定儀測其破乳電壓，測試溫度為50 ℃，實驗結果如圖3所示。

圖3　乳化劑優選實驗（加量為3%）

由圖3可知，當乳化劑加量為3%時，乳化劑G326可使乳液體系的破乳電壓較快增加，體系熱滾后的破乳電壓增高，達到1 200 V。因此，選用乳化劑G326作為油基防漏堵漏基漿用乳化劑。

2.2 降濾失劑

采用同上配方對不同的降濾失劑進行優選（見圖4）， 結果表明， 當降濾失劑加量為2%時， 降濾失劑G328可使體系的高溫高壓濾失量降低至4 mL以下， 有效提高油基鉆井液封堵初值， 因此選用降濾失劑G328作為油基防漏堵漏基漿用降濾失劑。

圖4　降濾失劑優選實驗（120 ℃）

2.3 封堵劑

采用API砂床實驗評價常用封堵劑產品在油基鉆井液中的封堵性能。使用密度為1.30 g/cm3的白油基鉆井液體系作為基漿，砂子粒徑為0.425～0.85 mm，封堵劑加量為80 kg/m3，實驗壓力為0.69 MPa，測試時間為10 min，結果見圖5。圖5結果表明，FLC2000、G327和G338這3種處理劑在油基鉆井液中封堵性能較好，FLC2000產品為進口產品，價格昂貴，所以使用G327和G338作為油基防漏堵漏鉆井液用封堵劑；GFD-M和GFD-C因為顆粒較粗所以侵入深度較大，但可用于較寬裂縫的堵漏配方。

圖5　封堵劑優選實驗

3　膨脹型油基防漏堵漏體系評價實驗

3.1 體系的建立及其配伍性實驗

通過對乳化劑、降濾失劑的優化實驗以及前期技術成果積累，構建出了膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系，其基本配方如下。

0#（基漿） 基礎油+（2.0%～3.0%）乳化劑G326+ （20%～30%）鹽水+堿度調節劑+2.0%降濾失劑G328+（2.0%～3.0%）有機土G330+加重材料

1#0#+（0～0.5%）纖維類堵漏材料XFD-1+（0 ～2.0%）纖維類堵漏材料XFD-2+（0～1.0%）G327+（0.5%～2.0%）G337+（0～2.0%）石墨類堵漏材料G338+（0～3.0%）RFD-1（粒徑為0.045 ～2.00 mm）+（0～1.5%）RFD-2（粒徑為10～45 μm）+（0～1.0%）GFD-F+（0～2.0%）GFD-M+（0～5.0%）GFD-C

該體系密度為0.90～2.45 g/cm3，抗溫能力大于150 ℃，破乳電壓大于400 V； 塑性黏度為8～35 mPa¨s，φ6讀值為3～13；油水比為70∶30 ～90∶10，高溫高壓濾失量小于5 mL。

對膨脹型油基防漏堵漏體系進行流變性能和電穩定性評價實驗，結果見圖6、圖7。圖6、圖7表明，在堵漏材料總加量為10%條件下，不同密度膨脹型油基防漏堵漏體系表觀黏度增加不大，說明該體系流變性能良好；隨著堵漏劑濃度的增大，體系的破乳電壓有下降的趨勢，堵漏材料加量為10%時，體系破乳電壓仍然維持在400 V以上，乳化性能較穩定。

圖6　膨脹型油基鉆井液防漏堵漏體系流變性能評價

圖7　膨脹型油基鉆井液防漏堵漏體系乳化穩定性能評價

3.2 油基防漏堵漏鉆井液配方構成及其封堵性能評價

在以上研究的基礎上，通過條件實驗分別形成了油基堵漏鉆井液和油基防滲漏鉆井液基本配方。

2#（油基堵漏鉆井液） 0#+（0～0.5%）XFD-1+ 2.0%XFD-2+（1.0%～2.0%）G337+（1.0%～2.0%）G338+（1.0%～3.0%）RFD-1（粒徑為0.045～2.00 mm）+（0～1.5%）GFD-F+（0～2.0%）GFD-M+（0～6.0%）GFD-C

3#（油基防漏鉆井液） 0#+（0～1.0%）XFD-2+ （0.5%～1.0%）G327+（0～0.5%）G337+（0～1.0%）

G338+（0～1.5%）RFD-2（粒徑為10～45 μm）

3.2.1 油基堵漏鉆井液封堵性能評價

采用QD型堵漏儀評價了油基堵漏鉆井液基本配方的堵漏性能以及承壓能力，結果見圖8。1 mm縫板惰性封堵劑承壓實驗配方（LCM-01#）：4 L基漿+5%堵漏劑；3 mm縫板惰性封堵劑承壓實驗配方（LCM-02#）：4 L基漿+7%堵漏劑；5 mm縫板惰性封堵劑承壓實驗配方（LCM-03#）： 4 L基漿+14%堵漏劑。圖8表明，配制出的油基堵漏鉆井液室內1～5 mm縫板實驗承壓能力好，均能達到7.0 MPa；1～3 mm縫板實驗配方總漏失量控制在30 mL以內，5 mm縫板實驗配方總漏失量相比較大，控制在300 mL以內。

圖8　油基堵漏鉆井液縫板承壓堵漏實驗

3.2.2 油基防漏鉆井液封堵性能評價

采用API砂床實驗方法評價油基防漏基本配方的封堵性能。油基防漏堵漏鉆井液基漿體系，密度為1.30 g/cm3；砂子粒徑為0.425～0.85 mm；實驗壓力為0.69 MPa；封堵劑加量為50 kg/m3；測試時間為10 min。實驗結果見表2。由表2可知，在50 kg/m3封堵劑加量下，油基防漏堵漏鉆井液配方10 min侵入深度僅為0.15 cm，侵入深度降低率達到97%。砂床評價實驗顯示油基防滲漏鉆井液封堵性能好。

表2　油基防漏配方砂床室內評價實驗

4　現場應用

4.1 長寧X-1井

長寧X-1井為平臺第一口井，三開鉆遇地層破裂壓力低，鉆井液密度設計過高，發生漏失。該井鉆至井深2 227.73 m時，按設計要求將鉆井液密度從1.80 g/cm3提高至2.05 g/cm3，發生漏失，平均漏速為2.34 m3/h。多次隨鉆堵漏無效后，按油基堵漏鉆井液配方配25 m3堵漏漿，下光鉆桿泵替12.5 m3油基堵漏鉆井液，起鉆至井深1 898.26 m，關井擠堵，憋壓7.4 MPa，穩壓7.0～7.2 MPa，2 h。卸壓后井漿密度從2.05 g/cm3提高到2.10 g/cm3；無漏失。

4.2 長寧X-2井

長寧X-2井完鉆后井筒鉆井液密度較高，地層密度窗口窄，雙扶通井時環空循環阻力增加，造成龍馬溪組井段被壓漏。通井下鉆至井深3 624.55 m發生漏失，平均漏速為9.7 m3/h，將鉆井液密度由1.91 g/cm3降至1.83 g/cm3后無明顯效果，按油基鉆井液堵漏配方分2次處理井漿后提密度至1.85 g/cm3，漏速降為零。

4.3 威X-1井

油基防漏配方在威遠區塊威X-1井油基鉆井液施工井段進行了現場試驗。現場油基防漏鉆井液密度達2.10～2.45 g/cm3，封堵劑加量為0.8%，塑性黏度為54～61 mPa¨s，動切力為16～17 Pa，破乳電壓為1 580～1 600 V，高溫高壓濾失量為2 mL，鉆井液性能優良。威X-1井整個油基鉆井液施工井段鉆井液漏失量控制在10 m3以內，表現出良好的封堵防漏效果。

5　結論

1.自主研發的膨脹型堵漏劑G337可適用于白油基、柴油基和合成基鉆井液體系。室內評價顯示，90 ℃下，堵漏劑G337的1 h吸油率大于120%，體積膨脹率大于40%，與油基鉆井液配伍性能良好，可用于配制膨脹型油基防漏堵漏鉆井液。

2.以膨脹型堵漏劑G337為核心處理劑，輔以優選出的乳化劑、降濾失劑以及一系列封堵劑等，構建出了膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系，并且分別形成堵漏配方和防漏配方。其中堵漏配方進行1～5 mm縫板實驗，承壓可達7.0 MPa，防滲漏配方API砂床侵入深度降低率大于95%，滿足現場油基防漏堵漏鉆井液技術要求。

3.膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系現場應用3口井，初步證明該體系可封堵高密度下微孔性或微裂縫型滲漏，配合工程措施可有效封堵由地層裂縫引起的中型漏失。膨脹型油基防漏堵漏鉆井液體系能顯著提高地層承壓能力，降低油基鉆井液使用成本，為油基鉆井液技術大規模推廣應用提供技術支持。

4.高濃度堵漏劑堵漏配方的流變性、電穩定性、承壓能力等性能以及油基鉆井液漏速較高的大型漏失堵漏工藝還需繼續研究攻關。

參 考 文 獻

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收稿日期（2015-10-9；HGF=1506M9；編輯 馬倩蕓）

作者簡介：第一劉偉， 工程師， 碩士， 1979年生， 主要從事鉆完井液研究工作。電話（029）86594935；E-mail：gcy_ liuw@cnpc.com.cn。

基金項目：川慶鉆探工程有限公司科技項目“油基鉆井液膨脹型封堵劑研發與應用”（CQ2014B-6-1-3）的部分研究內容。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.003

中圖分類號：TE282

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0011-06