納米封堵效果評價方法研究

劉振東 李 卉 周守菊 黃維安

1. 中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院, 山東 東營 257000; 2. 中國石油大學(華東石油工程學院), 山東 青島 257061

0 前言

1 高溫高壓濾失評價實驗

1.1 配制基漿

1.2 配制鉆井液

1.3 實驗結果

高溫(120 ℃)高壓濾失量的測定結果見表1。

表1 高溫(120 ℃)高壓濾失量的測定結果 單位:mL

從表1可以看出:基漿中加入納米顆粒前后的高溫高壓濾失量變化不大,并沒有反映出納米材料的封堵效果。納米二氧化硅粒徑非常小,為納米級,而使用的高溫高壓濾紙的孔隙直徑在20 μm左右,無法阻擋納米顆粒通過濾紙,因此導致加入納米顆粒后高溫高壓濾失量變化不大。而在納米顆粒的基礎上,在基漿中再加入微米級封堵顆粒,則高溫高壓濾失量變化比較明顯。有學者也指出需要先用微米級的封堵材料填充濾紙孔隙形成的外泥餅，才能體現出納米顆粒的封堵效果[1],這與本實驗結果是一致的。

為了避免高溫對膠乳瀝青等處理劑封堵性能的影響,在常溫高壓下進一步驗證,測定結果見表2。

表2 常溫高壓濾失量的測定結果 單位:mL

從表2可以明顯看到,因為濾紙介質孔隙大小的原因,利用常溫高壓濾失量評價實驗評價納米顆粒的封堵效果不明顯。而在加入微米級顆粒并對固相的粒度分布進行調整后,封堵效果才表現出來。因此,在現有的高溫高壓濾失實驗方法下,對納米顆粒封堵性的評價效果非常有限。

2 聲波傳遞速率評價實驗

劉清一生南征北戰，歷經坎坷，屢遭挫折，卻終身勁直與慷慨。尤為難能可貴的是，應“造舟松花江招諸部”之急，跋山涉水，風雪無阻，飽經風霜，歷經艱險，十五年間，以謫戍之身四次統率彪師千里迢迢地到人跡罕至的塞外絕域造船運糧，直至花甲之年仍不辭勞苦，供亦失哈等人往奴兒干輸送人員物資之用，為明廷經營黑龍江流域，為奴兒干都司的鞏固與各衛所等地方建制的進一步發展，為祖國東北邊陲的開發建設，為加強各族之間政治、經濟、文化的聯系及多民族國家的統一和發展，都做出了不可磨滅的貢獻。

表3 聲波在不同溶液中浸泡不同時間后在巖屑中的傳遞速率

浸泡時間/h膨潤土基漿中傳播速率/(m·s-1)加入2 納米碳酸鈣的膨潤土基漿中傳播速率/(m·s-1)加入10 納米二氧化硅分散液的膨潤土基漿中傳播速率/(m·s-1)04 9235 1035 8124 8524 9634 1294 6934 7784 863243 8045 0203 7634 6364 6074 2024 3973 9645 293483 6183 8963 6353 9454 5934 5874 4964 7364 632

3 電鏡成像評價實驗

3.1 配制鉆井液

按實驗室鉆井液配制的基本要求,配制鉆井液如下:

3.2 實驗結果

用掃描電鏡對泥餅進行測定,結果見圖1～2。

圖1 基漿A泥餅掃描電鏡圖像(3 000倍)

圖2 體系B泥餅掃描電鏡圖像(3 000倍)

從圖1～2的實驗結果來看,體系B的濾餅相對基漿A顯得更加致密,有納米顆粒充填在濾餅上,清楚直觀地反映了納米顆粒對濾餅孔隙的封堵效果。但是,掃描電鏡評價方法不能定量地分析封堵的作用程度,而且與選取的分析對象有很大關系,受人為干預的因素較大,不利于對納米顆粒進行定量分析和比較。

4 高壓滲透性失水評價實驗

4.1 實驗方法

1)按配方配制基漿,高速攪拌20 min,在室溫下放置16 h。

2)壓制濾餅。按照鉆井液高溫高壓濾失量測試程序,在高壓(常溫)下完成操作,得到濾餅。

3)高壓滲透性失水量測定。按上述步驟得到的濾餅,進行高壓滲透性失水量測定。

4.2 實驗結果

表4 高壓滲透性失水實驗

配方流變性高壓滲透性失水/mL基漿25/1410/50/09.6基漿+3 納米粒子分散液21/117.5/50/09.4基漿+5 納米粒子分散液19/107/3.50/08基漿+8 納米粒子分散液20/108/40/07.2基漿+10 納米粒子分散液23.5/139/50/05基漿+12 納米粒子分散液17/96.5/30/06.8基漿+15 納米粒子分散液21.5/128.5/40/07.4

從表4實驗結果來看,高壓滲透性失水在評價納米顆粒封堵效果時,隨著納米顆粒的加量變化,滲透性失水有所變化,能在一定程度上反映出封堵作用,因此,該方法是很好的借鑒,可在此基礎上,利用微米級封堵材料對濾餅進行填充,然后再進行滲透性失水實驗,用于納米顆粒封堵效果的評價[1]。

5 壓力傳遞評價實驗

5.1 納米分散液壓力傳遞評價實驗

對納米二氧化硅、疏水改性的納米二氧化硅進行了壓力傳遞實驗,用以比較納米二氧化硅的封堵作用效果。實驗流體為兩種納米材料分散在水中形成的分散液。實驗結果見圖3。

圖3 納米二氧化硅分散液壓力傳遞評價實驗結果

5.2 封堵鉆井液壓力傳遞評價實驗

通過壓力傳遞實驗比較膨潤土基漿、基漿+納米微球、基漿+LPF-1、基漿+石墨的封堵作用效果。實驗流體為上述配方形成的封堵鉆井液。實驗結果見圖4。

圖4 基漿+納米材料壓力傳遞評價實驗結果

圖4的測試結果表明,所測試的封堵鉆井液與泥頁巖作用后可有效阻緩壓力傳遞作用,傳遞1 MPa壓差所需時間較空白巖樣大幅增加。特別是加入納米微球形成的鉆井液,使傳遞1 MPa壓差所需時間延長20倍左右,其封堵效果在所測試的封堵材料中最好。

實驗結果說明,鉆井液壓力傳遞實驗所得出的不同類型封堵劑對泥頁巖巖心的封堵規律,與使用濾紙過濾介質的封堵規律不完全一致;采用壓力傳遞實驗,能反映出鉆井液基漿中加入納米封堵劑后的封堵效果,使用該方法進行評價,可靠性較高。

6 結論

1)納米材料相對于高溫高壓用濾紙的孔隙直徑要小得多,因此納米顆粒可通過濾紙,導致高溫高壓濾失實驗對納米封堵性的評價效果非常有限。

2)聲波傳遞速率評價實驗在一定程度上能夠體現納米顆粒的封堵效果,但是該方法可靠性差,只能定性比較納米顆粒封堵效果。

3)掃描電鏡圖像能清楚直觀地反映納米顆粒對濾餅孔隙的封堵效果。但是它不能定量地分析封堵的作用程度,而且受人為干預的因素較大。

4)高壓滲透性失水能在一定程度上反映納米顆粒封堵效果。

5)采用壓力傳遞實驗能較好地反映出納米顆粒的封堵效果,可靠性較高。