納米鉆井液提高地層承壓能力實驗

任保友 蒲曉林 曹成 馬川

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室

21世紀以來，微納米孔喉頁巖非常規油氣資源在能源格局中地位愈發重要，由于地層中微納米孔隙存在導致鉆井液濾失，進一步導致地層微裂紋開張，水力壓力向更深處傳播擴散，致使井漏。頁巖含大量納米級孔隙，由于其尺寸微小，常規處理劑不能完全封堵，壓差作用下，通過加入納米材料在儲層近井壁處快速形成致密的封堵帶，可阻止外來固相、液相侵入儲層深部傷害地層，納米粒子可以與地層相互作用，從內部至外部逐漸堵塞孔隙［1-2］。把混入鉆井液中的防漏材料有針對性地強力推向漏失井壁巖石的孔、洞、隙和裂縫（包括誘導性裂縫）中，對漏失通道進行充填壓實，可實現防漏堵漏。鉆井液中的固相顆粒封堵漏失層孔隙喉道的機制是由于固相顆粒侵入以后，增大了固相顆粒于孔壁的附著面積，在物理法的射流作用下使得固相顆粒封堵孔隙喉道更為有效［3-4］。

M.E.Chenevert［1］和 T.Sensoу［5］利用納米 SiO2對頁巖進行了封堵性實驗，實驗結果表明納米SiO2能夠有效降低頁巖滲透率。2012年，Zakaraia M［6］等人在實驗室將納米石墨、納米碳酸鈣與鉆井液混合來阻止濾失，增強井眼穩定，實驗發現高濃度的石墨混合水基鉆井液承壓能力增加11.5 MPa，濾失量減少70%。袁野等［7］評價了不同溫度下納米二氧化硅對鉆井液濾失性的改善效果，結果表明：納米二氧化硅可以有效降低淡水基漿和膨潤土基漿在升溫過程中的濾失量，納米二氧化硅基漿的降濾失幅度一直保持較高水平，最高可達78%。我國地質學家發現頁巖氣主要存在于20～500 nm的頁巖層空隙中，致密油主要存在于50～900 nm的空隙中［8］。據統計發現致密儲層中納米級孔隙占到總孔隙的85%以上［9］，因此，針對一些頁巖中微裂紋孔隙等封堵問題，選取納米級別封堵劑進行封堵。

現階段科研工作中缺乏評價承壓能力的相應儀器，本實驗使用巖心壓裂裝置和低滲透人造巖心模擬地層封堵承壓評價，雖然實驗模擬的成本較高，重復操作困難，但能夠精確反映巖石內部微裂縫、微孔隙壓力變化情況，更貼近現場檢驗標準，有利于從宏觀到微觀觀察封堵情況，是一套比較完整、科學的承壓能力評價手段。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

親水納米材料氧化鋅TZP-50，納米氧化鋁TAP-A26，納米二氧化硅TSP-H10，納米二氧化硅水性分散乳液TSD-H15M，納米材料專用分散劑TDLND2，南京天行新材料有限公司；GJ-2型高速攪拌機，青島恒泰達機電設備有限公司；API濾失儀，ZNN-D68型旋轉黏度計，青島懌澤機電科技有限公司；SD3型API失水儀，青島膠南分析儀器廠；HODIBA/LA—950A激光粒度儀，日本。實驗室自制壓裂測試裝置YLCS-1，如圖1所示。

圖1 小型壓裂裝置結構示意圖Fig. 1 Schematic structure of a small-size fracturing device

1.2 實驗步驟

根據國家行業標準 JGJ/T98—2010［10］《砌筑砂漿配比設計規程》，利用水、水泥以及石英砂制作人造巖心。從分散劑最優加量以及材料本身性質觀察微觀尺寸，測定納米材料的粒度分散情況。使用激光粒度儀器選取粒徑最小且穩定最佳的幾種材料加入鉆井液，測試不同納米材料對鉆井液的流變性、降濾失性、承壓能力等。

2 結果與討論

2.1 納米材料分散效果與優選

納米材料粒徑非常小，比表面積極大，如果不經過表面處理就直接加入到鉆井液中，其必然會出現團聚現象或者吸附鉆井液中的大量處理劑到納米材料表面導致鉆井液的性能變壞［11］。在分散劑作用下，同時超聲環境輔助，當超聲振動傳遞到液體中，由于聲強很大，液體局部出現拉應力而產生負壓，激發很強的空化效應，能對大部分化學反應起到促進作用，見表1。由表1可看出：分散劑TDL-ND2用量在6%時分散效果最佳。從粒徑分布得知，TZP-50平均粒徑達3.6 μm以上；TAP-A26平均粒徑達0.3 μm，分布較為集中；TSP-H10平均粒徑可達7 μm；分散效果最好的是TSD-H15M分散液，顆粒粒徑都小于100 nm并穩定分布在80 nm左右。

表1 分散劑的加量對納米材料的分散影響Table 1 Effect of the dosage of dispersant on the nano dispersion

2.2 鉆井液封堵和性能評價

經過對比，納米材料添加至5%之后濾失量才有較明顯的下降（見表2），對比不同納米材料加量下鉆井液性能。0#鉆井液：3%膨潤土+2%SMP-2+1%CMC-LV；1#：0#+5%TZP-50+6%TDLND2；2#：0#+5%TSP-H10+6%TDL-ND2；3#：0#+40%TSD-H15M（有效含量6%）+1%TDL-ND2；4#：3#+3%TAP-A26+3%TZP-50+6%TDL-ND2。

表2 不同單體的添加對鉆井液性能評價Table 2 Effect of different monomers on the performance of drilling fiuids

從表2可見，加入納米材料后都有一定程度降低濾失能力，從4#鉆井液配方看出納米材料濃度增加和材料復配降低濾失量為7.4 mL，能抑制濾液滲流，加入納米材料后對鉆井液的潤滑性有很大的影響，有效促進鉆井液流變性改善，在濾失過程中納米粒子更好地填充濾餅，使濾餅更加致密的同時，在失水濾餅表面能夠形成納米膜，最終有效地預防濾液對井壁周圍地層的入侵，不管是在降濾失還是封堵方面均具有較強的優勢。

2.3 提高地層承壓能力測試

2.3.1 操作方法 將巖樣安裝在夾持器上，兩端固定，關緊泵壓閥門與夾持器兩端缸套，確保數據采集軟件與傳感器連接正常，在控制面板上輸入“設定圍壓”2 MPa與“設定驅替壓”30 MPa，設定2 mL/min的注入速率進入巖心內孔，點擊“開始記錄”，待恒定流量注入巖心，巖心破裂后，停止向巖心泵入液體，結束完成后停止試驗，卸去驅替壓與圍壓，保存數據。

為了減少納米材料被鉆井液其他添加劑黏附或包被，影響評價效果，只對納米添加劑的種類、加量進行研究，然后再對鉆井液效果最好的幾組進行對比，配方如下：5#：3%預水化膨潤土；6#：5#+3%TSP-H10+6%TDL-ND2；7#：5#+3%TAP-A26+6%TDL-ND2；8#：5#+30%TSD-H15M（有效含量4.5%）；9#：5#+3%TZP-50+6%TDL-ND2；10#：9#+3%乳化瀝青；11#：9#+5%微米聚酯顆粒；12#：9#+3%乳化瀝青+5%微米聚酯顆粒。經過實驗觀察，不同顆粒級配對鉆井液性能影響不大，但對巖石的漏失壓力影響顯著（見表3、圖2）。

表3 不同納米鉆井液性能及承壓試驗結果Table 3 Performance and pressure test results of different nanodrilling fiuids

圖2 單封堵劑對巖心壓裂過程中的壓力曲線Fig. 2 Pressure curve in the process of core fracturing with single blocking agent

2.3.2 單封堵劑評價 從實驗結果看，5#、6#、7#、8#、9#對應的巖心承壓能力依次是，13.35 MPa、16.02 MPa、14.11 MPa、14.81 MPa、16.55 MPa，9# 鉆井液最有利于提升漏失壓力。任何一種納米鉆井液壓力曲線上升斜率要高于5#，并且壓力上升階段呈鋸齒狀，說明納米鉆井液隨著鉆井液的泵入，有阻止壓力傳遞作用，密封空間里壓力上升得更快。對于存在孔隙微裂縫的巖石，近井筒壓力增大時，剛形成的封堵層力學平衡受到破壞，導致封堵層位移發生失穩，而壓力也向更深層傳遞，當封堵層達到一定深度，壓力上升到一定程度不再上升，導致儲層時刻保持著一種壓力動態變化最終達到平衡，這也是壓力上升曲線呈鋸齒狀的原因，是鉆井液向儲層不斷入侵的一個過程。從工程意義上講，封堵時形成體積較大的封堵層能夠使封堵層更加穩定，封堵層不易發生結構破壞失穩，承壓能力也越高。但是封堵層的體積大意味著需要封堵材料的量也越大［12］，因此對于強化井筒要控制好壓力上升過程中波動，不能使封堵層位移延伸得過快，減小泵壓排量能進一步提升井筒承壓能力。

2.3.3 復配封堵劑評價 根據實驗結果，鉆井液中加入不同材料在壓裂過程中破壞形式也不同，顆粒級配與其他封堵材料的配合使用對巖心的承壓能力有一定影響，10#納米材料與變形材料對巖心的漏失壓力比9#單獨使用納米材料作用下稍有提升，提升1.21 MPa，見表 4。

表4 不同組合對納米鉆井液性能及承壓試驗結果Table 4 Effect of different combinations on the performance and pressure test results of nano-drilling fiuid

從表4可以看出，對11#實驗加入微米尺寸300～400目的聚酯剛性顆粒，提升井筒承壓2.42 MPa，經過反復試驗，在這一尺寸范圍內微米顆粒提升承壓幅度最大，加入微米顆粒與不加之前最大區別就是鋸齒狀壓力波動明顯減少（圖3），說明巖心中出現微裂紋后迅速能被鉆井液中的固相材料填充，提高抗壓抗剪切強度阻止裂縫的擴展，從而出現了相對較穩定且平滑的壓力曲線。此外，從12#實驗得出納米材料與微米材料、乳化瀝青配合能顯著提高巖心的漏失壓力，相比9#提升了4.75 MPa，壓力曲線在上升的過程要早于其他2種情況，并且具有承受一定的重啟壓力的能力。

圖3 復配封堵劑對巖心壓裂過程中的壓力曲線Fig. 3 Pressure curve in the process of core fracturing with compound blocking agent

2.3.4 理想封堵情況下巖心承壓能力對比 納米顆粒能對巖石孔隙進行有效封堵，但由于納米顆粒在鉆井液條件下會改變性質，納米粒子的比表面積大，活性強，與其他物質發生反應，容易聚集成大顆粒而不能進入孔隙［13-14］，甚至會妨礙致密濾餅的形成。做了以下實驗證實納米材料能完善巖石中的微裂縫和孔隙等缺陷結構，對其進行更完善彌補，能在井筒地層孔喉或縫隙口處形成理想致密封堵層而提高井筒承壓能力。為了降低鉆井液對納米材料的影響，使封堵劑徹底進入儲層，提前對巖心進行預處理，將TSP-H10、TSD-H15M、TZP-50不同純納米分散漿液壓進巖心（有效含量1%，含量過高會阻止后續新鉆井液侵入巖心，過高還會使納米漿凝結堵住巖心口），穩壓一定時間，然后重新加載對應6#、8#、9#鉆井液，觀察預處理后的承壓狀況，與6#、8#、9#對比是否有所提升，結果見表5、圖4。

表5 理想封堵情況下巖心承壓能力對比Table 5 Comparison of core pressure bearing capacitу under ideal blocking condition

圖4 理想狀況封堵劑對巖心壓裂過程中的壓力曲線Fig. 4 Pressure curve in the process of core fracturing with ideal blocking agent

實驗結果表明，處理后的巖心在理想狀況下較明顯提升了巖心承壓能力，從壓力曲線上升趨勢更快、斜率更大得出濾失量在一定程度上降低，一方面說明形成的濾餅致密，濾餅剛性增加，緩沖壓力減小，有效反映新鉆井液的侵入量減少，導致提前達到漏失壓力時間點（都在2000 s左右）［15-16］；另一方面對比說明鉆井液對納米顆粒分散會有影響，實驗證明理想情況下納米材料充分進入了巖石微孔隙，納米粒子對漏失通道進行填充，使巖石密實度和強度增強，完善井壁。理想狀況下的重啟壓力臺階不再大幅度上升，因為預處理提前彌補巖石內部缺陷，所以壓力曲線上升階段比較平滑，沒有壓力波動。

3 結論與建議

（1）在鉆井液中加入封堵材料以修復地層巖石孔隙缺陷進行有效封堵，促使致密濾餅形成，有效阻止鉆井液進入地層，納米材料的添加能提升井筒承壓能力，保護井壁穩定，是切合實際并可行的。

（2）YLCS-1壓裂測試裝置的研制為封堵劑的優選、鉆井液性能的評價及防漏工藝的評價提供了一種科學、有效的試驗評價方法，為相關科研和發展低滲致密油氣藏提供了科學依據。

（3）通過預處理巖心實驗對比可得，鉆井液對納米材料的理想作用有所抑制，不能達到最理想狀態，在鉆井液條件下使納米材料的分散最理想化，繼續降低納米粒子在鉆井液條件下的團聚和吸附，還待解決。

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