膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系

刘伟， 柳娜， 张小平（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，西安710018；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安710018）

刘伟等.膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：11-16.



膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系

刘伟1， 2， 柳娜1， 3， 张小平1， 2
（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，西安710018；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安710018）

刘伟等.膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：11-16.

摘要针对油基防漏堵漏钻井液技术难题，研究出一种具有三维网络交联结构或者微孔结构的膨胀型堵漏剂，其可选择性地吸收油水混合体系中的油，具有温度敏感延时膨胀特性，并具有一定的抗压以及成膜能力，在90 ℃的1 h吸油率大于120%，体积膨胀率大于40%。同时优选出了可使体系热滚后破乳电压升高的乳化剂G326，可使体系高温高压滤失量降低至4 mL以下的降滤失剂G328，优选出G327和G338封堵剂以及颗粒较粗的GFD-M和GFD-C，构建了膨胀型油基防漏堵漏体系，分别形成了堵漏和防漏钻井液配方。其中堵漏配方1～5 mm缝板实验承压可达7.0 MPa，防渗漏配方API砂床侵入深度降低率大于95%。该体系在四川页岩气水平井现场应用结果显示：堵漏配方现场堵漏作业一次成功率大于60%，防漏配方在试验井段2.10～2.45 g/cm3高密度条件下，油基钻井液总渗漏量控制在10 m3以内，封堵防漏效果良好。

关键词膨胀型堵漏剂；油基钻井液防漏堵漏体系；封堵性能；页岩气水平井

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，川渝地区的金秋-梓潼井区的致密气井以及富顺-永川井区、长宁-威远井区的页岩气水平井在使用油基钻井液的过程中都出现过不同程度的漏失现象[1-10]。中国目前在水基钻井液专用堵漏剂及封堵技术研发与应用方面做了大量研究，取得较多成果[11-15]，但在油基钻井液专用堵漏剂及封堵技术研发与应用方面成果较少[16-18]。常用的水基钻井液堵漏剂一般为亲水性吸水膨胀材料，在油基钻井液体系中无法发挥很好的防漏堵漏效果，因此井漏问题已经成为制约油基钻井液大规模应用的瓶颈之一。笔者通过室内研究，自主研发出一种油基钻井液用膨胀型封堵剂，在此基础上优选出其他关键处理剂和封堵剂，构建出一套膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系，并针对不同漏失类型形成2组防漏堵漏配方，现场应用显示，该体系封堵防漏效果良好。

1　膨胀型堵漏剂G337的研制

油基钻井液用膨胀型堵漏剂G337主要成分为吸油膨胀性聚合物。该聚合物属于特殊功能高分子材料，其主要是利用亲油性的单体作为聚合物的基本单元，经过适度交联后，得到具有三维网络交联结构或者微孔结构的低交联度聚合物。由于聚合物的单体具有很强的亲油性，使得聚合物分子中存在着大量的亲油基团，这些基团与油品分子之间的相互作用力推动了聚合物对油品的吸收作用。因此吸油膨胀性聚合物是一种自溶胀型的吸油材料。研发合成的吸油膨胀聚合物G337具有良好的延时吸油膨胀性能，并具有一定的抗压性能以及成膜能力。

1.1 G337的吸油率和膨胀率

G337对醇类和水几乎不吸收，可有选择性地吸收油水混合体系中的油，并具有温度敏感延时膨胀特性，常温下吸油十分缓慢，随着温度的升高吸油膨胀速度加快。此特点有利于堵漏剂G337在地面配制堵漏浆阶段几乎不膨胀，入井后在地层温度作用下再吸油膨胀。

室内评价了90 ℃下G337吸油效率和膨胀率性能，结果见图1和图2。

图1　90 ℃下堵漏剂G337样品的吸油率实验

由图1和图2可知， 对于不同油品，G337的吸油率略有不同；在90 ℃下对白油和柴油的1 h吸油率均可达120%以上，膨胀率稳定在40%左右。说明油基钻井液用膨胀型堵漏剂G337在一定温度下具有延时膨胀性能，并可在不同类型油基钻井液中使用。

图2　90 ℃下堵漏剂G337样品的膨胀率实验

1.2 G337与油基钻井液配伍性及砂床评价

通过API砂床实验评价堵漏剂G337与油基钻井液的配伍性能以及封堵性能。实验使用密度为1.30 g/cm3的白油基钻井液作为基浆，砂子粒径为0.425～0.85 mm，结果见表1。由表1可以看出，G337在油基钻井液中有良好的配伍性能，加量达到100 kg/m3时，流变性受到的影响不大，在10 kg/m3加量下，10 min侵入深度仅为0.4 cm，说明研发出的G337与油基钻井液配伍性良好，砂床评价实验显示封堵性能优。

表1　G337在油基钻井液中配伍性及堵漏性能砂床室内评价实验

2　油基钻井液基浆处理剂优选

由于堵漏材料比表面积大，吸附消耗油基钻井液乳化剂的能力强，开展了油基防漏堵漏钻井液用乳化剂的优选实验。降滤失剂的性能对防漏堵漏体系的封堵性能具有重要意义[19]， 因此也对降滤失剂进行了针对性优选，优选出具有良好降滤失性能的降滤失剂，使研发的油基防漏堵漏钻井液体系具有较高的封堵性能。

2.1 乳化剂

采用乳化电压法来优选乳化剂。取280 mL 3#白油、120 mL2%CaO（23%CaCl2水） ，在25 ℃、高速搅拌下，加入3%乳化剂样品乳化30 min，在滚子炉中（180 ℃）滚动放置16 h，用Fann-23C型电稳定仪测其破乳电压，测试温度为50 ℃，实验结果如图3所示。

图3　乳化剂优选实验（加量为3%）

由图3可知，当乳化剂加量为3%时，乳化剂G326可使乳液体系的破乳电压较快增加，体系热滚后的破乳电压增高，达到1 200 V。因此，选用乳化剂G326作为油基防漏堵漏基浆用乳化剂。

2.2 降滤失剂

采用同上配方对不同的降滤失剂进行优选（见图4）， 结果表明， 当降滤失剂加量为2%时， 降滤失剂G328可使体系的高温高压滤失量降低至4 mL以下， 有效提高油基钻井液封堵初值， 因此选用降滤失剂G328作为油基防漏堵漏基浆用降滤失剂。

图4　降滤失剂优选实验（120 ℃）

2.3 封堵剂

采用API砂床实验评价常用封堵剂产品在油基钻井液中的封堵性能。使用密度为1.30 g/cm3的白油基钻井液体系作为基浆，砂子粒径为0.425～0.85 mm，封堵剂加量为80 kg/m3，实验压力为0.69 MPa，测试时间为10 min，结果见图5。图5结果表明，FLC2000、G327和G338这3种处理剂在油基钻井液中封堵性能较好，FLC2000产品为进口产品，价格昂贵，所以使用G327和G338作为油基防漏堵漏钻井液用封堵剂；GFD-M和GFD-C因为颗粒较粗所以侵入深度较大，但可用于较宽裂缝的堵漏配方。

图5　封堵剂优选实验

3　膨胀型油基防漏堵漏体系评价实验

3.1 体系的建立及其配伍性实验

通过对乳化剂、降滤失剂的优化实验以及前期技术成果积累，构建出了膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系，其基本配方如下。

0#（基浆） 基础油+（2.0%～3.0%）乳化剂G326+ （20%～30%）盐水+碱度调节剂+2.0%降滤失剂G328+（2.0%～3.0%）有机土G330+加重材料

1#0#+（0～0.5%）纤维类堵漏材料XFD-1+（0 ～2.0%）纤维类堵漏材料XFD-2+（0～1.0%）G327+（0.5%～2.0%）G337+（0～2.0%）石墨类堵漏材料G338+（0～3.0%）RFD-1（粒径为0.045 ～2.00 mm）+（0～1.5%）RFD-2（粒径为10～45 μm）+（0～1.0%）GFD-F+（0～2.0%）GFD-M+（0～5.0%）GFD-C

该体系密度为0.90～2.45 g/cm3，抗温能力大于150 ℃，破乳电压大于400 V； 塑性黏度为8～35 mPa¨s，φ6读值为3～13；油水比为70∶30 ～90∶10，高温高压滤失量小于5 mL。

对膨胀型油基防漏堵漏体系进行流变性能和电稳定性评价实验，结果见图6、图7。图6、图7表明，在堵漏材料总加量为10%条件下，不同密度膨胀型油基防漏堵漏体系表观黏度增加不大，说明该体系流变性能良好；随着堵漏剂浓度的增大，体系的破乳电压有下降的趋势，堵漏材料加量为10%时，体系破乳电压仍然维持在400 V以上，乳化性能较稳定。

图6　膨胀型油基钻井液防漏堵漏体系流变性能评价

图7　膨胀型油基钻井液防漏堵漏体系乳化稳定性能评价

3.2 油基防漏堵漏钻井液配方构成及其封堵性能评价

在以上研究的基础上，通过条件实验分别形成了油基堵漏钻井液和油基防渗漏钻井液基本配方。

2#（油基堵漏钻井液） 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（粒径为0.045～2.00 mm）+（0～1.5%）GFD-F+（0～2.0%）GFD-M+（0～6.0%）GFD-C

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

G338+（0～1.5%）RFD-2（粒径为10～45 μm）

3.2.1 油基堵漏钻井液封堵性能评价

采用QD型堵漏仪评价了油基堵漏钻井液基本配方的堵漏性能以及承压能力，结果见图8。1 mm缝板惰性封堵剂承压实验配方（LCM-01#）：4 L基浆+5%堵漏剂；3 mm缝板惰性封堵剂承压实验配方（LCM-02#）：4 L基浆+7%堵漏剂；5 mm缝板惰性封堵剂承压实验配方（LCM-03#）： 4 L基浆+14%堵漏剂。图8表明，配制出的油基堵漏钻井液室内1～5 mm缝板实验承压能力好，均能达到7.0 MPa；1～3 mm缝板实验配方总漏失量控制在30 mL以内，5 mm缝板实验配方总漏失量相比较大，控制在300 mL以内。

图8　油基堵漏钻井液缝板承压堵漏实验

3.2.2 油基防漏钻井液封堵性能评价

采用API砂床实验方法评价油基防漏基本配方的封堵性能。油基防漏堵漏钻井液基浆体系，密度为1.30 g/cm3；砂子粒径为0.425～0.85 mm；实验压力为0.69 MPa；封堵剂加量为50 kg/m3；测试时间为10 min。实验结果见表2。由表2可知，在50 kg/m3封堵剂加量下，油基防漏堵漏钻井液配方10 min侵入深度仅为0.15 cm，侵入深度降低率达到97%。砂床评价实验显示油基防渗漏钻井液封堵性能好。

表2　油基防漏配方砂床室内评价实验

4　现场应用

4.1 长宁X-1井

长宁X-1井为平台第一口井，三开钻遇地层破裂压力低，钻井液密度设计过高，发生漏失。该井钻至井深2 227.73 m时，按设计要求将钻井液密度从1.80 g/cm3提高至2.05 g/cm3，发生漏失，平均漏速为2.34 m3/h。多次随钻堵漏无效后，按油基堵漏钻井液配方配25 m3堵漏浆，下光钻杆泵替12.5 m3油基堵漏钻井液，起钻至井深1 898.26 m，关井挤堵，憋压7.4 MPa，稳压7.0～7.2 MPa，2 h。卸压后井浆密度从2.05 g/cm3提高到2.10 g/cm3；无漏失。

4.2 长宁X-2井

长宁X-2井完钻后井筒钻井液密度较高，地层密度窗口窄，双扶通井时环空循环阻力增加，造成龙马溪组井段被压漏。通井下钻至井深3 624.55 m发生漏失，平均漏速为9.7 m3/h，将钻井液密度由1.91 g/cm3降至1.83 g/cm3后无明显效果，按油基钻井液堵漏配方分2次处理井浆后提密度至1.85 g/cm3，漏速降为零。

4.3 威X-1井

油基防漏配方在威远区块威X-1井油基钻井液施工井段进行了现场试验。现场油基防漏钻井液密度达2.10～2.45 g/cm3，封堵剂加量为0.8%，塑性黏度为54～61 mPa¨s，动切力为16～17 Pa，破乳电压为1 580～1 600 V，高温高压滤失量为2 mL，钻井液性能优良。威X-1井整个油基钻井液施工井段钻井液漏失量控制在10 m3以内，表现出良好的封堵防漏效果。

5　结论

1.自主研发的膨胀型堵漏剂G337可适用于白油基、柴油基和合成基钻井液体系。室内评价显示，90 ℃下，堵漏剂G337的1 h吸油率大于120%，体积膨胀率大于40%，与油基钻井液配伍性能良好，可用于配制膨胀型油基防漏堵漏钻井液。

2.以膨胀型堵漏剂G337为核心处理剂，辅以优选出的乳化剂、降滤失剂以及一系列封堵剂等，构建出了膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系，并且分别形成堵漏配方和防漏配方。其中堵漏配方进行1～5 mm缝板实验，承压可达7.0 MPa，防渗漏配方API砂床侵入深度降低率大于95%，满足现场油基防漏堵漏钻井液技术要求。

3.膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系现场应用3口井，初步证明该体系可封堵高密度下微孔性或微裂缝型渗漏，配合工程措施可有效封堵由地层裂缝引起的中型漏失。膨胀型油基防漏堵漏钻井液体系能显著提高地层承压能力，降低油基钻井液使用成本，为油基钻井液技术大规模推广应用提供技术支持。

4.高浓度堵漏剂堵漏配方的流变性、电稳定性、承压能力等性能以及油基钻井液漏速较高的大型漏失堵漏工艺还需继续研究攻关。

参 考 文 献

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收稿日期（2015-10-9；HGF=1506M9；编辑 马倩芸）

作者简介：第一刘伟， 工程师， 硕士， 1979年生， 主要从事钻完井液研究工作。电话（029）86594935；E-mail：gcy_ liuw@cnpc.com.cn。

基金项目：川庆钻探工程有限公司科技项目“油基钻井液膨胀型封堵剂研发与应用”（CQ2014B-6-1-3）的部分研究内容。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.003

中图分类号：TE282

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0011-06