逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF

黃治中，李稱心，王　鋒，王　鵬，鄭義平，張德蓮

（1.中國(guó)石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油青海油田公司勘探事業(yè)部，甘肅敦煌 736200）

逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF

黃治中1，李稱心1，王鋒2，王鵬1，鄭義平1，張德蓮1

（1.中國(guó)石油西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油青海油田公司勘探事業(yè)部，甘肅敦煌 736200）

黃治中等.逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：50-53.

研制出了一種逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF，分析了其作用機(jī)理，對(duì)其潤(rùn)滑性和封堵性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XZ-RF具有很好的潤(rùn)滑能力，1%的加量即可將膨潤(rùn)土漿摩阻系數(shù)降低60%，當(dāng)XZ-RF加量為3%時(shí)，可將膨潤(rùn)土漿摩阻系數(shù)降低80%以上，且XZ-RF在聚合物鉆井液能表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性；XZ-RF具有好的抗溫、抗鹽封堵能力，可將膨潤(rùn)土加重漿160 ℃高溫高壓濾失量降低65.8%，將欠飽和鹽水加重漿120 ℃高溫高壓濾失量降低86.8%。XZ-RF在新疆油田2口預(yù)探井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，均取得了較好的效果，而且該產(chǎn)品無熒光，具有更大的應(yīng)用范圍。

井壁穩(wěn)定；鉆井液添加劑；潤(rùn)滑性；封堵性；凝膠彈性體

目前廣泛使用的封堵型防塌劑主要有瀝青類產(chǎn)品，其應(yīng)用極大地改善了鉆井液的防塌能力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著不足。由于瀝青類產(chǎn)品具有不同的軟化點(diǎn)，受溫度的影響大，在深井、超深井中應(yīng)用時(shí)，如果瀝青軟化點(diǎn)過低則其封堵效果較差。此外，由于瀝青類產(chǎn)品熒光級(jí)別高，不適用于新探區(qū)的鉆探［1-2］。研究了一種鉆井液用逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF，同現(xiàn)有產(chǎn)品相比，XZ-RF無熒光、抗溫達(dá)160 ℃、抗鹽達(dá)飽和，并具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑和封堵功能，因此其應(yīng)用范圍更廣。

1　XZ-RF的作用機(jī)理

1.1 XZ-RF的合成

XZ-RF是一種逆乳化聚合物凝膠，通過逆乳化聚合方式制成。在白油中加入一定量的乳化劑Ⅰ、乳化劑Ⅱ，攪拌均勻后即得連續(xù)相；在去離子水中加入一定量的單體Ⅰ、單體Ⅱ和交聯(lián)劑，用NaOH調(diào)節(jié)pH 值至一定值，即得分散相；將分散相緩慢加入連續(xù)相中乳化30 min，即得逆乳化乳液。將乳液通氮?dú)獬酰尤胙趸€原類引發(fā)劑，在常溫狀態(tài)下反應(yīng)2～4 h，老化24 h后加入乳化劑Ⅰ，分散均勻后得乳白色乳液，即為逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF。

1.2 潤(rùn)滑封堵作用機(jī)理

XZ-RF是一種逆乳化聚合物凝膠，凝膠顆粒具有彈性和可變形性，同時(shí)該處理劑分子結(jié)構(gòu)中還含有強(qiáng)吸附基團(tuán)，因此，XZ-RF防塌機(jī)理主要有兩點(diǎn)：一是凝膠顆粒的彈性和變形特點(diǎn)，使其可以封堵地層不同形狀和尺寸的孔喉，從而對(duì)地層微裂縫或孔隙實(shí)現(xiàn)有效封堵；二是XZ-RF分子結(jié)構(gòu)中的吸附基團(tuán)對(duì)泥頁巖吸附力強(qiáng)，可使封堵劑牢固吸附在泥頁巖表面，形成吸附層，起到憎水作用，阻止濾液的侵入［3］。

此外，XZ-RF乳液的連續(xù)相是一種非極性介質(zhì)，具有液體潤(rùn)滑劑的所有特征，可以在金屬、巖石表面形成吸附膜，使鉆柱與井壁巖石接觸產(chǎn)生的固-固摩擦改變?yōu)橛湍ぶg的摩擦，或者通過表面活性劑的非極性端還可再吸附一層油膜，使鉆具與巖石之間的摩擦力大大降低，從而減少轉(zhuǎn)盤扭矩和起下鉆摩阻。

2　XZ-RF的性能評(píng)價(jià)

2.1 潤(rùn)滑性

1）膨潤(rùn)土漿潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)。在400 mL蒸餾水中加入1.2 g碳酸鈉、16 g鈉膨潤(rùn)土，高速攪拌20 min，密閉容器中養(yǎng)護(hù)24 h，即得含土量為4%的基漿。在基漿中加入不同量的XZ-RF，高速攪拌5 min混合均勻，然后在密閉容器中養(yǎng)護(hù)2～24 h，即得測(cè)試樣漿。在極壓潤(rùn)滑儀上測(cè)定基漿和測(cè)試漿的摩阻系數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1　在基漿中加入不同加量XZ-RF的潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

結(jié)果表明，潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF具有較強(qiáng)的潤(rùn)滑能力，隨著加量的增大，潤(rùn)滑性越好。1%的加量即可將摩阻系數(shù)降低60%；當(dāng)XZ-RF加量為3%時(shí)，可將摩阻系數(shù)降低80%以上，繼續(xù)增加XZ-RF的加量，摩阻系數(shù)降低率變化不大。

2） 不同鉆井液的潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)。用聚合物鉆井液、聚磺鉆井液和鉀鈣基聚磺鉆井液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，配方如下。

聚合物鉆井液4.0%膨潤(rùn)土+0.2%FA367+0.3 %MAN101+0.5%NH4PAN

聚磺鉆井液聚合物鉆井液+1.5%SMP-1+ 1.2%SPNH

鉀鈣基聚磺鉆井液4.0%膨潤(rùn)土+0.2% FA367+0.5%MAN101+6%KCl+0.1%CaO+0.8% NH4PAN+2.5%SMP-1+2%SPNH

按上述3個(gè)配方將鉆井液配好后，用EP極壓潤(rùn)滑儀分別測(cè)量加入3%XZ-RF前后的摩阻系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在各類鉆井液中加入3%XZ-RF后，聚合物鉆井液、聚磺鉆井液和鉀鈣基聚磺鉆井液的摩阻系數(shù)降低率分別為66.04%、66.13%和70.67%。由此表明，XZ-RF在不同的水基鉆井液中均能表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性。

表2　不同鉆井液加入3%XZ-RF前后的摩阻系數(shù)

3）不同密度鉆井液的潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)。分別在不同密度的鉆井液中加入3.0%XZ-RF，測(cè)得摩阻系數(shù)分別為0.14、0.21、0.27和0.32，與基漿的摩阻系數(shù)相比明顯降低。結(jié)果見表3。

表3　不同密度鉆井液的摩阻系數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆井液的密度越高，其摩阻系數(shù)越高，鉆井液中加入XZ-RF后，其摩阻系數(shù)降低率雖然有所下降，但仍可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

2.2封堵性［3-5］

1）膨潤(rùn)土加重漿封堵性。在400 mL蒸餾水中加入1.2 g碳酸鈉、24 g鈉膨潤(rùn)土，高速攪拌20 min后養(yǎng)護(hù)24 h，即得6%膨潤(rùn)土漿。加入80%重晶石，高速攪拌30 min，即得膨潤(rùn)土加重漿。加入5%XZ-RF，高速攪拌5 min，密閉容器中養(yǎng)護(hù)2～24 h，即得測(cè)試樣漿。濾失量測(cè)定結(jié)果表明：XZ-RF具有較強(qiáng)的封堵能力。加量5%即可將膨潤(rùn)土加重漿120 ℃高溫高壓濾失量從124 mL降到46 mL，降幅為62.9%；140 ℃高溫高壓濾失量從134 mL降到54 mL，降幅為59.7%；160 ℃高溫高壓濾失量從187 mL降到64 mL，降幅達(dá)65.8%。可見XZ-RF即使在160 ℃下仍具有較強(qiáng)的封堵能力。

2）聚合物加重漿封堵性。如表4所示，在淡水聚合物加重漿中與磺化瀝青相比，XZ-RF的封堵能力不占優(yōu)勢(shì)。

表4　淡水聚合物加重漿封堵性評(píng)價(jià)

3）鉀鹽聚磺加重漿封堵性。在鉀鹽聚磺加重漿中與磺化瀝青進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。結(jié)果顯示：在鉀鹽聚磺加重漿中加入磺化瀝青后，120 ℃和160 ℃的高溫高壓濾失量都沒有降低；而XZ-RF能將鉀鹽聚磺加重漿的120 ℃高溫高壓濾失量從56 mL降到14 mL，降幅高達(dá)75%； 160 ℃高溫高壓濾失量從98 mL降到60 mL，降幅還能保持38.8%。表明XZ-RF具有較強(qiáng)的抗鹽和抗溫能力。

4）欠飽和鹽水加重漿封堵性。如表6所示，在欠飽和鹽水加重漿中與磺化瀝青相比，XZ-RF的封堵能力依然優(yōu)異，表明XZ-RF具有較強(qiáng)的抗鹽和抗溫能力。

表5　鉀鹽聚磺加重漿封堵性評(píng)價(jià)

表6　欠飽和鹽水加重漿封堵性評(píng)價(jià)

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在新疆油田阜19井和美4井2口預(yù)探井上進(jìn)行了應(yīng)用。試驗(yàn)期間，井下正常，無阻卡現(xiàn)象，滿足了安全、高效鉆井的要求，應(yīng)用效果顯著［6-8］。

阜19井是一口預(yù)探井，完鉆井深為3 150 m。該井三疊系（2 250～2 800 m）克拉瑪依組、燒房溝組、韭菜園組泥巖易垮塌，尤其在韭菜園組鉆井中振動(dòng)篩上時(shí)有掉塊出現(xiàn)。鉆井液中保持K+含量大于30 000 mg/L、并加入XZ-RF以強(qiáng)化鉆井液封堵能力，技術(shù)措施實(shí)施后，順利完成了該井段的施工。在2 500～2 950 m井段鉆進(jìn)過程中共用了2 t XZ-RF。首次處理鉆井液時(shí)加入0.6 t XZ-RF，加量為0.3%，潤(rùn)滑、封堵效果良好，API濾失量由處理前的8 mL降低到4.5 mL，摩阻系數(shù)由0.069 9降低到0.043 7。

美4井位于新疆維吾爾自治區(qū)福海縣境內(nèi)，是一口預(yù)探井，完鉆井深為3 655 m。XZ-RF在二開井段和三開井段進(jìn)行了應(yīng)用。三開使用鉀鈣基聚磺鉆井液，在井深3 015 m處理鉆井液時(shí)加入1 t XZRF，API濾失量由當(dāng)時(shí)的5.5 mL降低到5 mL，摩阻系數(shù)由0.061 1降低到0.052 4，表現(xiàn)出了較好的潤(rùn)滑、封堵性能。

二開使用聚磺鉆井液，在2 050～2 732 m井段進(jìn)行了試驗(yàn)。首次處理鉆井液時(shí)加入1 t XZ-RF，潤(rùn)滑、封堵效果良好，API濾失量由當(dāng)時(shí)的7 mL降低到4.5 mL，滑動(dòng)摩阻系數(shù)由0.052 4降低到0.034 9。

4　結(jié)論

1.逆乳化凝膠潤(rùn)滑封堵劑XZ-RF具有很好的潤(rùn)滑能力，1%的加量即可將膨潤(rùn)土漿摩阻系數(shù)降低60%。

2.XZ-RF具有優(yōu)良的抗溫、抗鹽封堵能力，可將膨潤(rùn)土加重漿160 ℃高溫高壓濾失量降低65.8%，將欠飽和鹽水加重漿120 ℃高溫高壓濾失量降低86.8%。

3.XZ-RF是一種無熒光、抗溫、抗鹽具有潤(rùn)滑和封堵功能的鉆井液處理劑，同現(xiàn)有產(chǎn)品相比，由于該產(chǎn)品無熒光，其應(yīng)用范圍更廣。

［1］邱正松，王偉吉，董兵強(qiáng)，等. 微納米封堵技術(shù)研究及應(yīng)用［J］，鉆井液與完井液，2015，32（2）：6-9.

QIU Zhengsong，WANG Weiji，DONG Bingqiang，et al. Investigation and application micro-nano sealing technolgoy［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015，32（2）：6-9.

［2］王偉吉，邱正松，鐘漢毅，等. 頁巖儲(chǔ)層溫敏型P（NIPAm-co-AA）/nano-SiO2復(fù)合封堵劑的制備及特性［J］.石油學(xué)報(bào)，2015，36（3）：378-384.

WANG Weiji， QIU Zhengsong， ZHONG Hanyi， et al.Preparation and properties of thermosensitive poly（NIPAmco-AA）/nano-SiO2composite blocking agent for shale gasreservoir［J］. Acta Petrolei Sinica， 2015，36（3）： 378-384.

［3］王建華，李建男，閆麗麗，等. 油基鉆井液用納米聚合物封堵劑的研制［J］. 鉆井液與完井液，2013，30（6）：5-8.

WANG Jianhua，LI Jiannan，YAN Lili，et al. The development and performance evaluation of plungging agent for oil-base drilling fluids［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（6）：5-8.

［4］徐進(jìn)進(jìn)，閔潔，田太洲. 一種陰- 非離子型反應(yīng)性乳化劑在乳液聚合中的應(yīng)用［J］. 膠體與聚合物，2014（1）：10-13.

XU Jinjin， MIN Jie， TIAN Taizhou. Application of a reactive emulsifier with anionic and nonionic groups in emulsion polymerization［J］. Chinese Journal of Colloid & Polymer，2014（1）：10-13.

［5］盧華生，李仲曉. 基于反應(yīng)型乳化劑的含吡啶基團(tuán)聚合物乳液的制備［J］. 中國(guó)印刷與包裝研究，2013（1）：55-60.

LU Huasheng， LI Zhongxiao. Preparation of polymer emulsion including pyridine group based on reactive surfactant［J］.China Printing and Packaging Study，2013（1）：55-60.

［6］樊慧明，王道軒，劉建安. 反應(yīng)型乳化劑在苯丙乳液表面施膠劑合成中的應(yīng)用［J］. 紙和造紙，2012，31（12）：35-38.

FAN Huiming，WANG Daoxuan，LIU Jianan. Application of active emulsifier on synthesis of styrenearylic emulsion surface sizing agent ［J］. Paper and Paper Making， 2012，31（12）：35-38.

［7］袁野，蔡記華，王濟(jì)君，等 . 納米二氧化硅改善鉆井液濾失性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］. 石油鉆采工藝， 2013， 35（3）：30-33.

YUAN Ye，CAI Jihua，WAN Jijun， et al. Experimental study on improving filtration properties of drilling fluid using silica nano-particles［J］. Oil Drilling & Production Technology，2013，35（3）：30-33.

［8］石秉忠，胡旭輝，高書陽，等. 硬脆性泥頁巖微裂縫封堵可視化模擬試驗(yàn)與評(píng)價(jià)［J］. 石油鉆探技術(shù)，2014，44（3）：32-37.

SHI Bingzhong，HU Xuhui，GAO Shuyang，et al.Visualization sealing simulation test and evaluation of hard brittle shale microfracture［J］. Petroleum Drilling Techniques， 2014，44（3）：32-37.

An Invert Emulsion Gel Lubricating Plugging Agent XZ-RF

HUANG Zhizhong1， LI Chenxin1， WANG Feng2， WANG Peng1， ZHENG Yiping1， ZHANG Delian1
（1.Drilling Engineering Technology Research Institute of CNPC Xibu Drilling Engineering Company Ltd.， Karamay， Xinjiang 834000； 2.The Exploration Branch of PetroChina Qinghai Oilfield Company， Dunhuang， Gansu 736200）

An invert emulsion gel lubricating plugging agent， XZ-RF has been developed. Evaluation of XZ-RF showed that it had good lubricating ability； addition of 1% XZ-RF reduced the friction coefficient of bentonite mud by 60%， and 3% of XZ-RF reduced the friction coefficient of bentonite mud by more than 80%. XZ-RF showed good lubricating performance in polymer drilling fluid. XZ-RF also showed good plugging performance. A weighted bentonite mud treated with XZ-RF had HTHP filter loss reduced by 65.8% at 160 ℃. An under-saturated weighted brine mud treated with XZ-RF had HTHP filter loss reduced by 86.8% at 120 ℃. XZ-RF is a drilling fluid additive free of fluorescence， it has been successfully used in drilling 2 exploratory wells in Xinjiang Oilfield.

Borehole wall stabilization； Drilling fluid additive； Lubricity； Plugging ability； Gel elastomer

TE254.4

A

1001-5620（2016）05-0050-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.010

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“高溫高密度鉆井液與可排放海水基鉆井液成套技術(shù)研發(fā)”（2013E-3802）資助。

黃治中，高級(jí)工程師，1963年生，1983年畢業(yè)于四川大學(xué)，現(xiàn)在主要從事鉆井液完井液研究和應(yīng)用工作。電話（0990）6883046；E-mail：huangzhzh@cnpc.com.cn。

（2016-5-6；HGF=1604N7；編輯王小娜）