裂縫性氣藏成膜堵氣鉆井液體系室內(nèi)評(píng)價(jià)研究

朱杰 熊漢橋 吳若寧 王啟任 孫運(yùn)昌

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

塔里木油田順南區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育。該區(qū)塊在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)了典型的氣液置換氣侵，井漏溢流頻發(fā)，鉆井施工難度大。目前國(guó)內(nèi)主要采用隨鉆堵漏技術(shù)解決氣侵問(wèn)題，但該技術(shù)目前無(wú)法封堵裂縫開(kāi)度小于0.1 mm的微裂縫。筆者針對(duì)順南區(qū)塊儲(chǔ)層特征，制作了有效裂縫開(kāi)度為0.01～0.1 mm的微裂縫巖心模型，采用物理+化學(xué)成膜封堵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微裂縫的快速封堵。

1 物理+化學(xué)成膜技術(shù)機(jī)理

新型封縫堵氣技術(shù)是物理封堵技術(shù)和化學(xué)成膜技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。物理封堵可形成骨架和封堵層，化學(xué)成膜技術(shù)可將封堵層中的顆粒用化學(xué)膜粘合起來(lái)，提高濾餅致密性，從而有效解決氣液置換問(wèn)題。傳統(tǒng)封縫堵氣和新型成膜封縫堵氣示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)封縫堵氣示意圖Fig.1 Sketch of traditional fracture plugging for gas cut prevention

圖2 物理+化學(xué)成膜封縫堵氣示意圖Fig.2 Sketch of physical+chemical film plugging for gas cut prevention

通過(guò)電鏡掃描分析了由原始鉆井液+成膜劑所形成的濾餅致密性，如圖3、圖4所示。圖3為原鉆井液體系所形成的濾餅電鏡掃描圖片，圖4是原鉆井液+成膜劑體系所形成的濾餅電鏡掃描圖片。從圖3可明顯看出，該體系所形成的濾餅表面疏松多孔，與圖4對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，成膜劑對(duì)黏土顆粒和孔隙空間進(jìn)行了填充和膠結(jié)，所形成的濾餅更加致密，且無(wú)明顯的孔洞。因此，加入成膜劑的鉆井液比原鉆井液所形成的封堵層更加致密，可以有效防止鉆井液及其濾液侵入油氣層。

圖3 原始鉆井液體系形成的濾餅電鏡掃描圖Fig.3 SEM of filter cake formed from the original drilling fluid system

圖4 原始鉆井液+成膜劑體系形成的濾餅電鏡掃描圖Fig.4 SEM of filter cake formed from original drilling fluid+film forming agent system

2 封縫堵氣效果評(píng)價(jià)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 微裂縫巖心模型制作與有效開(kāi)度確定

選取尺寸為?25 mm×50 mm 的圓柱形巖心進(jìn)行人工造縫，首先將巖心壓裂成2 部分，在巖心裂縫的表面放置預(yù)定厚度的金屬墊片，然后將2 部分巖心固定在一起，形成一定開(kāi)度的微裂縫，之后將人工造縫巖心放入巖心實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)20 MPa的圍壓固定巖心，形成一定的裂縫開(kāi)度。依據(jù)以下公式［1-2］，確定其有效開(kāi)度

式中，e為裂縫開(kāi)度，μm；D為裂縫間距，μm；Kf為裂縫滲透率，10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)室制作了0.01、0.05、0.1 mm開(kāi)度的微裂縫巖心。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與步驟

根據(jù)封縫堵氣評(píng)價(jià)特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了封縫堵氣評(píng)價(jià)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 封縫堵氣評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 Selection test on film forming agents

封縫堵氣評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)完成對(duì)微裂縫的封堵以及對(duì)封堵層進(jìn)行正向承壓實(shí)驗(yàn)，確定不同封堵材料的封堵效果；(2)進(jìn)行反向承壓實(shí)驗(yàn)；(3)測(cè)量封堵層被突破后的滲透率。具體操作步驟［3］如下：(1)將制作好的巖心模型放入巖心夾持器，保持圍壓20 MPa，用封堵體系正向封堵，壓力從 1 MPa 逐漸增加到 10 MPa，每次加壓 1 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間為 5 min，測(cè)量其濾失量，增加壓力到10 MPa后，穩(wěn)壓30 min，測(cè)量其濾失量。(2)反向承壓測(cè)試。圍壓保持不變，緩慢加壓，每增加 0.5 MPa則穩(wěn)壓 1 min，直至壓穿。(3)保持步驟(2)各項(xiàng)參數(shù)不變，打開(kāi)氣體流量計(jì)閥門(mén)，關(guān)閉通氣閥門(mén)，測(cè)量封堵層被突破后的滲透率。

正向承壓實(shí)驗(yàn)承壓能力越高濾失量越小，說(shuō)明封堵層越致密，井筒中鉆井液及其濾液越難侵入儲(chǔ)層；反向承壓實(shí)驗(yàn)壓力值越高，說(shuō)明儲(chǔ)層氣體侵入井筒阻力越大，封堵效果也越好。

3 成膜封堵鉆井液體系室內(nèi)研究

3.1 成膜劑優(yōu)選

成膜劑是一種兩性高分子材料，在鉆井液中形成膠束狀，可在巖石裂縫或?yàn)V餅裂縫表面快速附著，并與鉆井液中其他固相顆粒配合形成致密且均勻的封堵層，在鉆遇壓力衰竭地層、裂縫發(fā)育地層及高滲透地層時(shí)具有顯著的隨鉆防漏堵漏作用［4-6］。

目前國(guó)內(nèi)成膜劑的種類(lèi)主要包括美國(guó)的FCL2000、北京奧凱立BST系列、CMJ系列以及CY-1。將不同種類(lèi)成膜劑加入“2%膨潤(rùn)土漿+1%PACLV增黏劑”體系中 ，進(jìn)行中壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)漏失量及砂床侵入深度優(yōu)選最佳成膜劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成膜劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)Table 1 Optimum selection of film forming agents

由表1可知，加入2%～3%CY-1的鉆井液性能明顯最優(yōu)，砂床漏失量為0 mL且侵入深度僅為15 mm。

3.2 橋堵粒子優(yōu)選

根據(jù)成膜劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用2%膨潤(rùn)土+2%CY-1成膜劑+1%PAC-LV增黏劑作為基漿，分別加入不同的封堵粒子，在裂縫開(kāi)度為0.01、0.05、0.1 mm巖心中進(jìn)行封縫堵氣承壓實(shí)驗(yàn)，根據(jù)承壓能力以及漏失量?jī)?yōu)選橋堵粒子，見(jiàn)表2。由表2可知，納米碳酸鈣和納米二氧化硅作為封堵粒子效果最佳，納米碳酸鈣最優(yōu)加量為3%，封堵0.1 mm縫最大反向承壓為4 MPa，納米二氧化硅最優(yōu)加量為 1%，0.01 mm 縫最大承壓 1.7 MPa，0.1 mm 縫最大承壓為2.25 MPa；2500目超細(xì)碳酸鈣次之，最優(yōu)加量為 1%，封堵 0.1 mm 縫最大承壓為 3.5 MPa，但0.01 mm縫和 0.05 mm縫的封堵效果較差；1500目超細(xì)碳酸鈣封堵效果最差。

表2 橋堵粒子優(yōu)選實(shí)驗(yàn)Table 2 Selection test on bridging particles

3.3 封堵劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)

根據(jù)橋堵粒子優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇納米碳酸鈣和納米二氧化硅進(jìn)行封堵劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)。如表3所示，1%納米二氧化硅+2%納米碳酸鈣復(fù)配后的封堵粒子封堵效果最優(yōu)，對(duì)0.01、0.05、0.1 mm縫的封堵效果都達(dá)到最優(yōu)，濾失量均為0 mL，且反向承壓最大。

表3 封堵劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)Table 3 Combination test on plugging agents

3.4 封縫堵氣鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)條件：200 ℃高溫?zé)釢L16 h。原鉆井液體系配方：膨潤(rùn)土漿+0.4%KAPM+3%SPNH+3%SMP+2%FT-1+1%PAC-LV+重晶石；封縫堵氣鉆井液體系配方：膨潤(rùn)土漿+0.4%KAPM+3%SPNH+3%SMP+2%FT-1+1%PAC-LV+2%CY-1+1%納米二氧化硅+2%納米碳酸鈣+重晶石。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，封縫堵氣鉆井液與原配方鉆井液相比：高溫高壓濾失量明顯降低，說(shuō)明該鉆井液體系封縫堵氣效果良好；經(jīng)過(guò)200 ℃高溫?zé)釢L16 h后，鉆井液流變性、濾失性能變化不大，說(shuō)明該鉆井液體系耐溫性能良好；經(jīng)測(cè)試地層巖屑滾動(dòng)回收率達(dá)91.08%，說(shuō)明了鉆井液抑制性能良好；封縫堵氣鉆井液體系與原配方鉆井液體系形成的濾餅黏滯系數(shù)均為0.268 0，說(shuō)明加入封堵材料沒(méi)有改變鉆井液潤(rùn)滑性能。綜上所述，封堵材料與鉆井液體系配伍性良好。

表4 封縫堵氣鉆井液體系性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)Table 4 Property evaluation test on the drilling fluid system with the property of fracture plugging for gas cut prevention

3.5 酸溶率實(shí)驗(yàn)

目前，大多數(shù)酸溶率實(shí)驗(yàn)都是將某種堵漏劑或幾種堵漏劑混合物作為實(shí)驗(yàn)樣本，而地層酸溶作業(yè)對(duì)象是鉆完井液形成的濾餅，因此，本次酸溶率實(shí)驗(yàn)樣品采用鉆井液中壓失水所形成的濾餅烘干研磨后的粉末。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 濾餅酸溶率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of filter cake acid solubility

由表5可知，原鉆井液體系形成的濾餅酸溶率平均為13.4%，封縫堵氣鉆井液體系形成的濾餅酸溶率約為24.9%，其濾餅酸溶率遠(yuǎn)高于原鉆井液體系，平均酸溶率提高了約86%。

4 結(jié)論

(1)成膜劑具有快速成膜的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)封堵技術(shù)相結(jié)合，不僅呈現(xiàn)出傳統(tǒng)技術(shù)高承壓特點(diǎn)，也體現(xiàn)出化學(xué)成膜技術(shù)快速形成致密濾餅的優(yōu)點(diǎn)，滿足微裂縫發(fā)育、氣侵情況嚴(yán)重的高壓儲(chǔ)層鉆井開(kāi)發(fā)需求。

(2)成膜劑與納米顆粒材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)階段對(duì)極微小裂縫(＜0.1 mm)的有效封堵，但是裂縫越小，封縫堵氣難度越大，極易出現(xiàn)“封門(mén)”，只能采取過(guò)平衡或近平衡鉆井技術(shù)進(jìn)行作業(yè)。

(3)經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，封縫堵氣鉆井液體系可達(dá)到塔中區(qū)塊微裂縫發(fā)育地層使用要求，且各方面性能都優(yōu)于原鉆井液體系。

(4)具備高承壓能力的濾餅意味著需要高酸溶率，才能在不損害儲(chǔ)層滲透率或不增加開(kāi)采成本的前提下順利解堵，而現(xiàn)有的鉆井液體系的濾餅酸溶率均無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。