胶结型强封堵防塌剂的研制与性能评价*

余加水，尤志良，付超胜，敖 天，蒋官澄，谢春林，孔德昌

（1.中国石油西部钻探工程有限公司钻井液分公司，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大港油田石油工程研究院，天津 300280；3.油气资源与探测国家重点实验室（中国石油大学（北京）），石油工程教育部重点实验室（中国石油大学（北京）），北京 102249）

0 前言

新疆准噶尔盆地南缘地区具有优良的生油气条件，勘探潜力巨大，是油气资源的有利接替区，现已发现多个含油气构造和油气聚集带。在钻井过程中，由于存在巨厚砾岩层、高陡地层发育、客观存在地应力的各向异性、多套压力系统共存，同时因为构造运动造成地层破碎易垮塌、漏失，井眼复杂，严重制约了钻井速度［1］。

随着钻井过程的进行，地层条件越来越复杂，地层呈现破碎性、孔缝发育和水敏性增强等特点，使用水基钻井液封堵会导致地层岩石水化膨胀，应力状态改变，引发井壁失稳和井漏。而采用常规的油基钻井液封堵技术也难以解决破碎性地层引起的承压能力弱、孔缝发育等问题，导致油井大量掉块与井塌、继而卡钻等严重事故。因此，研发一种具有胶结破碎性地层、强封堵孔缝性地层、强化井眼、提高井壁岩石强度的油基钻井液封堵剂是解决该问题的关键［2］。

为了更好地解决准噶尔盆地南缘地区复杂破碎地层极易引起的井漏和井壁失稳问题，必须使用具有封堵性能的油基钻井液提高地层的承压能力，以保护井壁稳定。国内外钻井工作者对于提高地层承压能力已经做了大量的研究和实践，在封堵理论尚未形成前，现场的工程师主要通过经验封堵的方法进行堵漏，以固井水泥、桥塞材料、石灰、膨润土等混合物为主要的封堵材料。目前，国内外关于提高地层承压能力的机理中，比较具有代表性的有变形多级粒子充填理论、理想充填理论、“应力笼”理论和理想的笼状结构体理论［3-7］。变形多级粒子填充理论给出了漏失层近井地带的屏蔽堵塞机理，主要针对低孔低渗透漏失，不适用于高孔高渗或恶性漏失漏层，且要求粒子尺寸与漏失孔缝严格匹配［8］。理想充填理论能解决较宽孔缝分布的尺寸问题，但要求暂堵剂颗粒尺寸必须在一个合适的范围内，且与漏失孔缝尺寸严格匹配［9］。“应力笼”理论作用机理是通过适当对井壁施压、形成微小裂缝，钻井液中合适的封堵材料迅速进入裂缝，并在开口附近形成桥塞；形成的桥塞渗透率必须足够低，能阻隔液柱压力传递，产生能封堵裂缝、阻止裂缝进一步扩大、防止压力传递到裂缝末端、提高井眼周向应力的“应力笼”效应，起到防漏封堵效果［10］。理想的笼状结构体理论具有高封堵效率和高承压能力，但也存在一定的缺点，包括对笼状体包络材料的特殊要求，以及实际状态与理想状态下的笼具有不完善性［11］。因此，基于现有的承压堵漏理论存在的不足，考虑以仿生钻井液理论为指导，通过模仿自然界动植物的结构、功能、原理等，形成一套仿生强封堵理论，并研究一种以仿生强封堵理论为基础的油基钻井液强封堵防塌剂。

贝壳由有机相和无机相组成，其中无机相为占95%以上的CaCO3，其他部分为有机质。贝壳通过有机质与无机纳米颗粒的胶结形成独特的多层复合结构，其中无机相形成棱柱层能提高贝壳的支撑能力和强度，有机质形成的珍珠层和角质层能提高贝壳的韧性及结构强度。因此，笔者认为贝壳的多层复合结构对于提高准噶尔盆地南缘地区复杂破碎性地层的承压能力具有较好的应用与发展前景。本文通过模仿贝壳的多层复合结构与组成，研究了一种适用于油基钻井液的两亲型高分子树脂纳米胶结型强封堵防塌剂XZ-OSD。通过扫描电镜和红外光谱表征了XZ-OSD 的结构，评价了其热稳定性、降滤失效果和封堵性，并分析了封堵机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

XZ-OSD，主要材料为丙烯酸及其部分衍生物合成的丙烯酸树脂，自制；氢氧化钠、主乳化剂Span80、辅乳化剂烷基苯磺酸钠（ABS）、有机土、CaO 等钻井液添加剂均为工业品；3 号白油，工业级，北京英海庆工业润滑油有限公司；纳基膨润土、Na2CO3，工业级，北京伊诺凯科技有限公司。

SU8010冷场发射扫描电镜，株式会社日立制作所；TGA/DSC 1同步热分析仪，瑞士梅特勒-托利多公司；SD6 标准API 压滤机、GGS71 高温高压（HTHP）失水仪，青岛同春石油仪器有限公司；JHMD-Ⅲ岩心动态污染驱替仪，荆州市现代石油科技发展有限公司。

1.2 实验部分

（1）微观结构分析

将XZ-OSD 样品粉末使用乙醇分散超声处理后，滴在玻璃片上，烘干后进行喷金处理，然后用扫描电镜观察其微观结构。

（2）热稳定性分析

将XZ-OSD 磨碎成粉，使用TG-DSC 联用分析仪测定热失重曲线（TG 曲线），分析热稳定性能。升温速率为10℃/min，氮气保护，测试温度范围为30数400℃。

（3）降滤失效果评价

①油基钻井液基浆的制备:将270 mL 3 号白油、30 mL 蒸馏水、3% Span80、1%ABS、1%有机土和2%CaO 混合配成油基钻井液基浆，评价基浆和基浆+1%XZ-OSD的API和HTHP降滤失效果。②API 滤失量测试:对新制备的钻井液或150℃老化16 h 后的钻井液进行API 滤失量测试。随后将250 mL 左右的液体倒入配有标准滤纸的标准API 压滤机。在0.7 MPa压力下滤失30 min，记录滤液体积。③高温高压（HTHP）滤失量测试:将油基钻井液加入高温高压失水仪中，并配以滤纸，在3.5 MPa、150℃的条件下滤失30 min，记录滤液体积。

（4）封堵率的测定

将300 mL 4%的钠基膨润土基浆（6 L 自来水+4%纳 基膨润土+2‰ Na2CO3，搅拌24 h）与1%XZ-OSD混合配制堵漏浆，使用岩心动态污染驱替仪进行封堵实验，测试正向封堵率和反向封堵率，封堵温度为60℃，驱替压力为3.5 MPa，封堵时间125 min。

（5）堵漏能力评价

将240 mL 柴油与60 mL CaCl2溶液（30%）混合，随后加入3%Span80、2%ABS、2%CaO、0数6%XZ-OSD，配制堵漏浆。通过高温高压失水仪和砂床（20数40 目）评价XZ-OSD 对渗透性漏失的封堵能力。将100 g砂床置于钻井液杯底部，再将150 mL堵漏浆加入钻井液杯中，测试堵漏浆在180℃和3.5 MPa下的HTHP滤失量，滤失30 min，记录滤液体积。

2 结果与讨论

2.1 胶结型强封堵剂的封堵机理

XZ-OSD 颗粒进入破碎地层后，一方面通过XZ-OSD的纳米颗粒进入地层不同尺寸的孔隙和裂缝中起到桥塞、封堵作用，同时颗粒遇油膨胀，依靠膨胀性能提高漏层内壁的压力和摩擦力，有效提高漏层岩石的承压能力；另一方面，XZ-OSD颗粒通过聚合物链上的羟基等与地层岩石胶结形成类似贝壳的多节点“蜂窝”胶结层状结构，封堵地层并提高地层承压能力和稳定性，从而避免井漏和井塌等井下复杂情况。

2.2 胶结型强封堵剂的结构

XZ-OSD的结构中既含有亲水性基团铵基和羧基，又含亲油性基团酯基和苯环，但亲油基团多于亲水基团，因此，XZ-OSD属于更亲油的两亲型聚合物。在油基钻井液中，XZ-OSD 粒子在油水界面排列，粒子更亲油，大部分颗粒处于油相中，导致油水界面弯曲，使水分散在油中，乳液更加稳定，滤失量降低；同时XZ-OSD粒子在界面上排列，空间上阻隔分散相碰撞聚并，增加乳液稳定性。由XZ-OSD 样品的扫描电镜照片（见图1）可见，XZ-OSD的形态为纳米级球状，外观圆滑，粗糙度小，主要粒径分布在50数200 nm之间。

图1 XZ-OSD的扫描电镜照片

由XZ-OSD 产物的红外光谱图（见图2）可见，1724.13 cm-1处为酯羰基C=O 的伸缩振动峰，1234.21 cm-1处有C—O—C 存在，表明含有酯基；725.24 cm-1处为苯环的振动峰，表明合成产物符合设计要求。

图2 XZ-OSD的红外光谱图

2.3 性能评价

2.3.1 热稳定性

胶结型封堵剂XZ-OSD 的热重分析结果如图3所示。XZ-OSD 在30数250℃出现4.42%的质量损失，这是单体中残留的水分挥发所致。在温度达到250℃后，质量损失速度增加，250数330℃之间的质量损失为15.66%，表明XZ-OSD 在250℃开始热分解。XZ-OSD在250℃以内具有较好的热稳定性，能满足钻井使用。

图3 封堵剂XZ-OSD的热失重曲线

2.3.2 降滤失效果

对胶结型纳米封堵防塌剂XZ-OSD进行降滤失效果评价，分别测试了基浆、基浆＋1%XZ-OSD 热滚前的API 滤失量和基浆、基浆＋1% XZ-OSD 150℃热滚16 h 后的HTHP 滤失量。在加入1%XZ-OSD 后，热滚前API 滤失量由未加时的3.6 mL降至1.0 mL，API 滤失降低率达72.22%；150℃热滚16 h后的HTHP滤失量由未加时的14.0 mL降至2.6 mL，HTHP滤失降低率达81.43%，降滤失效果明显。

2.3.3 封堵效果

采用4 块不同的岩心，使用岩心动态污染驱替仪对XZ-OSD 进行封堵实验。基浆、基浆+1%XZ-OSD 的正反向封堵率如表1 所示。加入1%XZ-OSD后，正向封堵率由未加XZ-OSD前的21.2%增至82.5%，增加2.89 倍；反向封堵率由未加XZ-OSD 前的58.4%增至80.3%，增加0.4 倍。相对于基浆，封堵液的封堵率有了大幅度的提升，说明XZ-OSD的封堵性能良好。

表1 XZ-OSD对基浆封堵率的影响

2.3.4 堵漏性能

使用高温高压漏失仪进行砂床堵漏实验，测试了基浆、基浆+5% XZ-OSD 和基浆+6% XZ-OSD 3种堵漏浆在180℃热滚16 h 前后的HTHP 滤失量。由表2可见，加入XZ-OSD后，180℃热滚后的HTHP滤失量从未加时的全漏降至9 mL 或2 mL，降滤失效果高达96.0%、98.7%，说明封堵剂XZ-OSD 的封堵效果好，抗温性能良好，可抗180℃。

表2 XZ-OSD对基浆堵漏性能的影响

3 结论

两亲型高分子树脂纳米胶结型强封堵防塌剂XZ-OSD 粒子在油水界面上排列，大部分位于油相中，通过空间阻隔分散相碰撞聚并，使水分散在油中，增加乳液稳定性，降低滤失量。XZ-OSD的热稳定性较好，分解温度为250℃。XZ-OSD具有良好的封堵效果和抗温性，1%XZ-OSD可有效提高岩石的正向封堵率2.89 倍和反向封堵率0.4 倍；在堵漏浆中加入6%XZ-OSD，180℃热滚16 h 后的滤失量仅为2 mL。