六种成膜封堵剂的室内实验优选与评价

王建伟

（中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江157021）

0 引言

我国正处于快速工业化的进程之中，随着经济发展对矿产资源需求的不断增长，强化第二深度空间的找矿勘探，延长老矿山寿命，深部找矿已成为矿产勘查领域内继隐伏矿勘查之后又一主要勘查对象［1-2］。深部找矿离不开岩心钻探工程，而深部钻探工程对钻探设备和工艺均提出了更高的要求［3］。随着孔深的不断增加，钻遇的地层更加复杂，由于冲洗液的渗漏，更易发生孔壁不稳定的问题，冲洗液设计对于复杂地质条件的深孔钻探显得尤为重要［4-5］。成膜封堵剂可以使冲洗液在孔壁表面形成一层隔离膜，有效阻止冲洗液及其滤液进入地层，从而有效地防止地层的水化膨胀，封堵地层裂隙，防止孔壁坍塌，提高地层承压能力［6-7］。为更好地服务于深部钻探工程，了解掌握冲洗液的封堵性能和抗温性能，对目前所使用的6 种封堵剂进行了室内实验评价，以期为现场应用提供相关数据和技术指导。

1 室内实验

1.1 材料与仪器

材料：膨润土、1 号成膜封堵剂（大港油田）、2 号成膜封堵剂（大港油田）、3 号超低渗透封堵剂（冀东油田钻采院）、4 号成膜封堵剂JYW-1（中国石油钻井工程院）、5 号成膜封堵剂JYW-2（中国石油钻井工程院）、6 号成膜封堵剂CMJ-2（中国石油钻井工程院）、Na2CO3（北京世纪红星化工有限责任公司）、KCl（国药集团化学试剂有限公司）、SMP-1（磺甲基酚醛树脂）、XC 聚合物（黄原胶）。

仪器：SD 型多联中压滤失仪、FA 型可视中压砂床滤失仪、变频四轴搅拌机、直读式ZNN-D6S 型六速旋转粘度计、滚子加热炉。

1.2 实验思路

在基浆中分别加入6 种成膜封堵剂，开展砂床滤失量、API 滤失量实验，进行封堵剂评价与筛选，优选出封堵性能最好的封堵剂，然后在含有XC 聚合物的冲洗液中加入优选封堵剂重复以上实验，验证优选封堵剂在不同体系冲洗液中是否具备同样的封堵性能，同时利用常温及抗温实验研究优选封堵剂对冲洗液流变性能的影响，评价其能否满足深部找矿的需求。

1.3 实验方法

1.3.1 冲洗液的配制

基浆：3%膨润土+0.15% Na2CO3，搅拌、常温老化24 h。

含有XC 聚合物的冲洗液：3%膨润土+0.15%Na2CO3+0.2% XC+3% SMP+3% KCl，搅拌、常温老化24 h。

1.3.2 API 滤失量实验

利用SD 型多联中压滤失仪测定冲洗液在室温、0.69 MPa 条件下30 min 时的失水量。

1.3.3 流变性能实验

利用直读式ZNN-D6S 型六速旋转粘度计进行测定。

1.3.4 砂床实验

利用FA 型可视中压砂床滤失仪观测滤液的渗滤过程。

1.3.5 抗温实验

将添加有封堵剂的冲洗液分别利用滚子炉加热到100 ℃后，测定其流变性能是否发生改变。

2 结果与分析

2.1 封堵剂的优选

将2%的各封堵剂分别加入到基浆中，进行砂床实验、API 静滤失实验，优选封堵性能较好的封堵剂。实验结果表明（图1 和图2）：加入1 号封堵剂的冲洗液砂床侵入量和API 滤失量均较大；加入2 号和4 号封堵剂的冲洗液砂床侵入量最小，API 滤失量却相对较大；加入3 号和5 号封堵剂的冲洗液砂床侵入量较大，API 滤失量却最小，说明砂床侵入量与API 滤失量没有直接的对应关系。一般情况下地层的孔隙是非均质的，而实验中API 滤失量采用孔隙均匀的滤纸作为隔离介质，不能准确反映地层的实际情况［8-9］，但可视式中压砂床实验可以更好地模拟地层情况，评价冲洗液在近孔内地层中形成的泥饼渗透性的高低，更能准确地反映冲洗液在孔内的滤失情况，所以经综合分析判断，优选出2 号和4号封堵剂作进一步评价。

图1 基浆中加入2%封堵剂后砂床实验结果Fig.1 Sand bed test results of the basic drilling fluid after adding 2% plugging agent

2.2 优选封堵剂在基浆中不同加量时的封堵效果

将优选出的封堵剂以不同加量加入到基浆中，进行砂床实验，观察封堵效果。实验结果（表1 和图3）表明：当基浆中加入0%～2%的2 号和4 号封堵剂时，冲洗液30 min 砂床侵入量随封堵剂增加而减小，而当2 号和4 号封堵剂加量＞2%时，冲洗液30 min 砂床侵入量随封堵剂增加而增加，说明2 号和4号成膜封堵剂在基浆中的最优加量为2%。

2.3 优选封堵剂在含有XC 聚合物冲洗液中的封堵效果

图2 基浆中加入2%封堵剂后API 滤失量实验结果Fig.2 Results of API filtration rate of the basic drilling fluid after adding 2% plugging agent

表1 基浆中加入不同用量的优选封堵剂后砂床实验结果Table 1 Sand bed test results of the basic drilling fluid after adding different amount of the optimized plugging agent

图3 基浆中加入不同用量的优选封堵剂后30 min 砂床侵入量变化曲线Fig.3 Variation curve of sand bed invasion of the basic drilling fluid 30 minutes after adding different amount of the optimized plugging agent

将优选封堵剂以不同加量加入到含有XC 聚合物的冲洗液中，检验其是否具有同样的封堵性能。实验结果表明（图4 和图5）：在含有XC 聚合物的冲洗液中加入不同加量的2 号和4 号封堵剂后，API 失水量改变较小，但冲洗液砂床侵入量显著降低，尤其是在2%～3%加量时，冲洗液砂床侵入量减少近一半，证明2 号和4 号封堵剂在含有XC 聚合物的冲洗液中同样具有良好的封堵性能；同时，含有XC 聚合物的冲洗液与基浆砂床实验结果（图1 和图4）对比表明，当基浆中加入不同处理剂时，可以改变冲洗液的封堵性能，即冲洗液的封堵性与处理剂有关。

图4 含有XC 聚合物的冲洗液中加入优选封堵剂后砂床实验结果Fig.4 Sand bed test results of the drilling fluid with XC polymer after adding the optimal plugging agent

图5 含有XC 聚合物的冲洗液中加入优选封堵剂后API 滤失量实验结果Fig.5 Results of API filtration rate of the drilling fluid with XC polymer after adding the optimal plugging agent

2.4 优选封堵剂对冲洗液流变性能的影响

2.4.1 常温条件下优选封堵剂对冲洗液流变性能的影响

常温下优选封堵剂对基浆和含有XC 聚合物的冲洗液流变性能的影响如表2 和表3 所示，结果表明：基浆或含有XC 聚合物的冲洗液中加入不同用量的2 号封堵剂时，其流变性能改变较小，但加入不同用量的4 号封堵剂时，粘度随用量的增加而增大，切力变化明显，动塑比有所下降，证明携带岩屑的能力略有下降。

表2 常温下优选封堵剂对基浆性能的影响Table 2 Effect of the optimal plugging agent on the properties of the basic drilling fluid at normal temperature

表3 常温下优选封堵剂对含有XC 聚合物的冲洗液性能的影响Table 3 Effect of the optimal plugging agents on the properties of the drilling fluid with XC polymer at normal temperature

2.4.2 高温条件下优选封堵剂对冲洗液性能的影响

深部钻探时，地层温度会增加，高温会使处理剂的功能失效，使冲洗液的滤失造壁性能发生变化［10-15］，所以为保证深部钻探时封堵剂的封堵性能，对优选出的封堵剂进行抗温性实验具有重要意义。实验结果表明（表4 和表5），100 ℃温度下不同体系的冲洗液流变性能有一定程度下降，但变化不大，说明2 号和4 号封堵剂有较好的抗温性能，可满足深部勘探对冲洗液抗温性能的要求。

2.5 膨润土含量对冲洗液封堵性能的影响

如前所述，冲洗液加入处理剂后可以提高冲洗液的封堵性。为了检验膨润土含量对冲洗液封堵性能的影响，将6 种封堵剂加入到由6%膨润土配制的基浆中进行砂床实验，并将其与3%膨润土基浆进行对比，实验结果表明（图6）：膨润土含量增加可以提高冲洗液的封堵性能，这主要是因为膨润土含量增大可以快速形成泥饼封堵地层孔隙。但是一般情况下，这样做会给冲洗液的流变性能带来不利影响，形成的泥饼也较厚，会造成压差卡钻的风险，所以在配制时膨润土的含量应适当，使封堵性和流变性都处在一个较好范围内。同时实验结果再次证明，2 号和4 号封堵剂砂床侵入量最小，他们具有较好的封堵性能。

表4 100 ℃高温下优选封堵剂对基浆性能的影响Table 4 Effect of the optimal plugging agent on the properties of the basic drilling fluid at 100℃high temperature

表5 100 ℃高温下优选封堵剂对含XC 聚合物的冲洗液性能的影响Table 5 Effect of the optimal plugging agent on the properties of the polymer drilling fluid with XC at 100℃high temperature

图6 6%膨润土基浆中加入封堵剂后砂床实验结果Fig.6 Sand bed test results of 6% bentonite drilling fluid added with the plugging agent

3 结论

（1）在相同冲洗液配方条件下，利用砂床法测得的滤失量（侵入量）和API 测得的滤失量结果差别较大，几乎无规律可循，这说明冲洗液砂床滤失量（侵入量）与API 滤失量没有直接对应关系。砂床实验是评价冲洗液封堵性能好坏的重要依据。

（2）砂床实验及抗温实验表明：2 号和4 号成膜封堵剂在6 种成膜封堵剂中封堵性能最好，且最优加量均为2%；它们在100 ℃时抗温性能较好，可以满足深部勘探对冲洗液体系抗温性能的要求。

（3）冲洗液中膨润土含量及处理剂是影响冲洗液封堵性能的2 个因素：膨润土含量越高，冲洗液封堵性能越好，加入聚合物、降滤失剂等处理剂可以提高冲洗液的封堵性能。