油基钻井液随钻堵漏材料的研究与应用

刘瑞，于培志

油基钻井液随钻堵漏材料的研究与应用

刘瑞，于培志*

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

针对油基钻井液发生漏失处理困难的问题，研发了一种改性矿物纤维油基钻井液随钻防漏堵漏材料PSIFIBER，并对其进行了性能评价。实验结果表明：PSIFIBER纤维堵漏材料在油基钻井液中分散性好，配伍性良好，对油基钻井液性能影响小，耐温性能佳，具有较强的封堵性效果，砂床实验侵入深度为10 mm。使用该堵漏剂与刚性堵漏剂、弹性封堵剂复配，可有效解决油基钻井液漏失问题，对1～3 mm裂隙具有好的封堵效果，形成了油基钻井液随钻防漏堵漏技术，并在果勒303H井进行了现场应用，效果良好，成功解决了果勒303H井的漏失难题，恢复了正常钻进。

随钻堵漏材料；改性矿物纤维；油基钻井液；应用

随着油气资源勘探开发范围的扩大，钻探难度逐步提升，对钻井液技术提出了更高的要求，与水基钻井液相比，油基钻井液抑制性强，润滑性好，得到了越来越广泛的应用[1-3]。但是油基钻井液漏失问题较为突出，且其成本昂贵，一旦发生漏失，将造成巨大经济损失。国内外学者研究发现，由天然或者诱导裂缝引起的漏失问题占比高达90%，而油基钻井液通过孔隙或微裂隙渗入地层后，其组分中的表面活性物质会降低岩石强度，继而产生诱导裂缝，进一步扩大漏失规模[4-7]。目前，针对油基钻井液漏失问题，缺乏高效的防漏堵漏及时措施，解决油基钻井液漏失问题已经成为众多学者的研究重点。但常规随钻堵漏材料在油基钻井液中分散性差，配伍性差，难以形成高质量泥饼，长时间循环甚至会影响油基钻井液性能，增加堵漏难度[8]。从防漏堵漏的角度出发，开发了一种改性矿物纤维材料PSIFIBER，并在油基钻井液中对其进行了性能评价，结果表明PSIFIBER配伍性好，耐高温，封堵效果好，能够解决油基钻井液渗透性与裂缝性漏失问题。该随钻防漏堵漏材料在果勒303H井取得了良好的应用效果，解决了果勒303H井的漏失难题，恢复了正常钻进，可在油基钻井液防漏堵漏方面进行推广应用。

1 PSIFIBER的制备与特点

通过电加热的方式将天然矿物原料加热至熔融状态，经过不同的成纤方式形成矿物纤维材料。向盛有乙醇的三口烧瓶中加入一定比例的去离子水、氨水与以制备的纤维材料，搅拌混合均匀。在匀速搅拌状态下，使用恒压漏斗将硅氧烷类改性剂缓慢滴加到混合溶液中，恒温加热至45 ℃，充分反应一段时间。取丙烯酸类试剂按适当比例加入乙醇中，并缓慢滴加至反应溶液中，55 ℃恒温充分反应，取出纤维材料烘干，得到随钻堵漏材料PSIFIBER。

PSIFIBER纤维堵漏材料具有以下性能特点：

1）分散性好。经过表面改性的PSIFIBER纤维堵漏材料能够在油基钻井液中良好的分散，不会出现沉淀聚集现象，表现出优异的封堵效果。

2）抗拉强度高，韧性强。PSIFIBER纤维堵漏材料具备良好的抗拉强度与韧性，不易断裂，“拉筋”作用强，与颗粒材料复配可形成高强度致密封堵层。

3）配伍性好。PSIFIBER纤维堵漏材料对油基钻井液性能影响小，加入PSIFIBER纤维堵漏材料的油基钻井液体系流变性、电稳定性基本无变化。

4）抗温性能优异。PSIFIBER纤维堵漏材料由天然矿物熔融后成纤制得，具有优异的耐温性能，200 ℃老化后仍具备良好的封堵效果。

2 性能评价

2.1 成分分析

经过化学分析，PSIFIBER纤维堵漏材料的主要成分为SiO2，含量约为54%～57%，SiO2形成的骨架结构使PSIFIBER纤维机械强度优异；Al2O3含量约为40%～43%，提高PSIFIBER纤维的耐温性能；其余成分为CaO、MgO、ZrO2等氧化物。

2.2 封堵评价

研发制备过程中，通过不同的机械工艺，形成了3种不同规格的PSIFIBER纤维堵漏材料，具体参数如表1所示，对3中纤维进行了封堵性能进行了评价。 通过前期实验优选，形成了一套油基钻井液封堵实验配方A：柴油+3%主乳化剂+1%乳化剂+1%润湿剂+4%降滤失剂+2%有机土+2%CaO+重晶石（钻井液密度加重到1.6 g·cm-3），油水质量比80∶20（柴油∶25%CaCl2水溶液）。

表1 不同规格PSIFIBER纤维参数

分别将3种不同的PSIFIBER纤维堵漏材料以3%的比例加入上述油基钻井液体系A中，120 ℃老化16 h后利用无渗透滤失仪进行砂床侵入实验，实验中使用20～40目（830～380 μm）石英砂，结果如表2。分析结果可知，在0.69 MPa的压力下，老化后体系A 30 min砂床侵入深度为130 mm，而加入3种不同型号PSIFIBER纤维堵漏材料的钻井液体系最终侵入深度分别为10、18、12 mm，说明PSIFIBER纤维堵漏材料具有优异的封堵效果，可有效减少渗透性滤失。由于加入PSIFIBER-1时最终侵入深度最小，后续实验选取PSIFIBER-1进行。

表2 不同规格PSIFIBER纤维封堵评价

2.3 配伍性评价

随钻堵漏材料与钻井液体系配伍性差，不仅无法达到防漏堵漏的目的，还会严重影响钻井液性能，增加其他井下复杂情况发生的风险。在油基钻井液体系A中加入3% PSIFIBER-1形成配方B，120 ℃老化16 h后，测定钻井液体系各项性能，以评价PSIFIBER纤维堵漏材料与油基钻井液的配伍性，结果如表3所示。

表3 PSIFIBER-1配伍性实验

由表3可知，加入PSIFIBER-1对油基钻井液体系流变性影响很小，破乳电压值略有降低，同时能够有效降低钻井液高温高压滤失量，说明PSIFIBER纤维堵漏材料与油基钻井液体系配伍性良好，可形成致密的泥饼，表现出优异的降滤失效果。

2.4 分散性评价

若堵漏材料无法在油基钻井液中良好分散，将对堵漏效果以及钻井液性能造成严重影响，同时堵漏材料沉淀聚集也会增加仪器堵塞、卡钻等复杂情况的风险。取10 g 样品加入100 mL柴油中，充分搅拌后倒入量筒中，定时测量量筒上部样品沉降高度，以评价其在柴油中的分散性能，结果见表3。由表4可知，常规纤维堵漏材料在柴油中分散性极差，6 h后基本完全沉降，堆积在量筒底部，而PSIFIBER-1在柴油中能够良好分散，12 h沉降量仅为8 mm，分散性能远优于常规纤维堵漏材料。

表4 堵漏材料在柴油中的分散性实验

2.5 抗温性能评价

常规果壳类、植物纤维类随钻堵漏材料抗温性能差，在深井高温环境下容易碳化，强度降低，失去封堵能力。在油基钻井液体系A中加入3% PSIFIBER-1，分别在120、140、160、180、200 ℃下老化16 h后，进行砂床实验，测量钻井液侵入深度，结果如表5所示，体系A在160 ℃下老化16 h后，30 min砂床侵入量已经超过200 mm，而加入PSIFIBER-1后，200 ℃下老化16 h后30 min砂床侵入量仅为24 mm，说明PSIFIBER纤维堵漏材料抗温性能优异，在高温下仍具备良好的封堵效果，非常适合用于高温深井的防漏堵漏应用。

表5 PSIFIBER抗温性能评价

3 油基钻井液强封堵体系的构建

大量室内研究与实际应用均已证实：在随钻堵漏作业过程中单一类型堵漏材料常常难以达到理想的效果，需将多种类型材料进行复配使用。不同的堵漏材料之间存在着显著的协同作用，颗粒之间相互结合，形成致密稳定的封堵层，能够有效减少漏失，并提高漏失地层承压能力[9-10]。其中，刚性颗粒在裂隙中与其尺寸相匹配的位置架桥，充当封堵层骨架；弹性变形材料在压力作用下产生形变进入封堵层骨架，膨胀后进一步充填骨架；纤维材料具有极强的“拉筋”作用，与刚性颗粒、弹性变形材料协同作用，形成致密的高强度封堵网络，达到堵漏的目的[11-12]。碳酸钙颗粒来源广泛，价格低廉，且能够酸溶解堵，是堵漏作业常用的刚性架桥颗粒；弹性石墨是一种新型石墨材料，耐高温，高弹性，具有良好的压缩率和回复率。选用上述两种随钻堵漏材料与PSIFIBER纤维堵漏材料进行复配，构建了油基钻井液强封堵体系配方。利用QD-A型堵漏材料试验仪评价了配方针对不同宽度裂隙的封堵效果，实验结果如表5所示，具体配方如下：

配方1：油基钻井液体系A+3% 刚性碳酸钙颗粒（200～300目）（75～48 μm）+4% PSIFIBER-1+2%弹性石墨

配方2：油基钻井液体系A +3%刚性碳酸钙颗粒（80～100目）（180～150μm）+3%刚性碳酸钙颗粒（120～150目）（120～106 μm）+6% PSIFIBER-1 +2%弹性石墨

配方3：油基钻井液体系A +2%刚性碳酸钙颗粒（80～100目）（180～150μm）+3%刚性碳酸钙颗粒（120～150目）（120～106 μm）+3%刚性碳酸钙颗粒（200～300目）（75～48 μm）+6% PSIFIBER-1 +4%弹性石墨由表5可知，配方1、配方2、配方3能够有效封堵1～3 mm宽度的裂隙，构架了强封堵油基钻井液体系，应用过程中可根据实际情况合理调整各随钻堵漏材料的加量。

表6 不同宽度裂缝封堵效果

4 现场应用

4.1 果勒303H井漏失概况

果勒303H井位于新疆沙雅县盖孜库木乡境内，是位于塔里木盆地北部坳陷阿满过渡带中部的一口评价井，位于果勒区块F15断裂带。该井三开采用油基钻井液钻进，从5 795.47 m钻进至6 903 m期间，在志留系以及奥陶系桑塔木组多次发生漏失，现场采用常规随钻堵漏材料进行随钻堵漏61次，承压堵漏4次，效果均不佳，累计漏失油基钻井液超过1 100 m3，造成巨大的经济损失，且常规堵漏材料在油基钻井液中分散性差，容易聚集，造成定向仪器封堵，无法传输信号，严重影响正常钻进施工。

4.2 果勒303H井堵漏难点与堵漏措施

结合前期堵漏施工作业，分析认为果勒303H井主要存在以下堵漏施工难点：

1）常规堵漏材料与现场油基钻井液配伍性差，常规堵漏材料多在水基钻井液中使用，在油基钻井液中封堵效果差，长时间循环过后甚至会影响油基钻井液性能，造成更为严重的复杂情况。

2）漏失地层对于压力敏感，同时裂隙网络发育，裂隙尺寸较小，对堵漏材料粒径选择要求高：粒径选择过大造成“封门”现象，堵漏材料难以进去地层；粒径选择过小，压力波动时裂隙张开变大，造成堵漏材料流失。

3）地层承压能力低，在承压堵漏过程中极易出现人工“造缝”现象，诱发更多更深的裂缝，给堵漏施工带来更大的困难。

4）漏失井段长，从5 795.47 m钻进至6 903 m井下一直存在漏失，关键漏点难以判断，漏失井段长达1 107.53 m，裸眼井段容积达51 m3，堵漏浆配方优化选择难度大。

鉴于果勒303H井存在上述堵漏难点，堵漏措施以随钻堵漏为主，避免承压堵漏，以免压裂地层，造成更大的漏失。现场配置储备足够量的随钻堵漏浆，发生漏失时以段塞堵漏浆的形式泵入井中，达到堵漏目的。为防止堵漏材料在钻井液循环过程中被振动筛筛除，应根据现场实际工况合理调整振动筛筛网目数。钻进过程中坚持防漏为主的理念，根据实际情况定时补充混入堵漏浆。

4.2 应用效果

果勒303H井在筛除前期随钻堵漏材料后，更换定向仪器与钻具组合，下钻至井底6 903 m，循环将钻井液密度从1.32 g·cm-3逐步下调至1.30 g·cm-3，未见漏失。2020年9月29日，钻进至6 914.35 m时发生漏失，排量25 L·s-1，漏速约为5 m3·h-1，降低排量至20 L·s-1，漏速约1.8 m³·h-1。根据前期堵漏经验与实际井况，采用段塞堵漏浆配方为：井浆+2%刚性碳酸钙颗粒（80～100目）（180～150μm）+3%刚性碳酸钙颗粒（200～300目）（75～48 μm）+6%PSIFIBER-1+3%弹性石墨，共计泵入100 m3，段塞堵漏浆返出水眼后，逐步提升排量至23 L·s-1，无漏失，堵漏成功。现场取样测定井浆与段塞堵漏浆性能，结果如表6所示，可见加入随钻堵漏材料后，钻井液体系黏度切力有所增大，破乳电压值略有降低，但仍在400 V以上，说明使用的随钻堵漏材料与现场井浆配伍性良好。经过堵漏施工，果勒303H井恢复了正常钻进，钻进至6 918 m过程中，逐步提升排量至24.6 L·s-1，未发生漏失，定向仪器钻进过程中工作正常。

表7 井浆与堵漏浆性能对比

2020年10月5日，果勒303H井下钻至7 185 m，循环钻井液过程中发生漏失，排量25 L·s-1时漏速最大10.2 m³·h-1，降低排量至20 L·s-1，漏速仍为10.2 m³·h-1，再次降低排量至15 L·s-1，漏速为1.2 m³·h-1。现场迅速采取措施，采用堵漏配方：井浆+2%刚性碳酸钙颗粒（80～100目）（180～150μm）+3%刚性碳酸钙颗粒（120～150 目）（120～106 μm）+3%刚性碳酸钙颗粒（200～300目）（75～48 μm）+6% PSIFIBER-1+4%弹性石墨，共计泵入段塞堵漏浆30 m3，段塞堵漏浆返出水眼进入环空上返后，漏速逐渐下降至0.6 m³·h-1，逐步缓慢提升排量至21 L·s-1，无漏失，堵漏成功。

坚持防漏为主的理念，PSIFIBER纤维堵漏材料与刚性颗粒、弹性材料复配形成的随钻堵漏体系在果勒303H井进行了应用，表现出优异的封堵效果，成功解决了该井的漏失难题。果勒303H井三开井段后续钻进过程中钻井顺利，无重大恶性漏失问题。

5 结 论

1）研发制备了一种改性矿物纤维随钻堵漏材料PSIFIBER，并对其进行了性能评价，结果表明：PSIFIBER纤维堵漏材料纤维直径与粒径分布合理，在油基钻井液中分散性好，抗200 ℃高温；配伍性好，对油基钻井液体系性能影响小；封堵效果强，30 min砂床侵入深度为10 mm。

2）使用PSIFIBER纤维堵漏材料与刚性架桥颗粒、弹性变形颗粒复配，构建了强封堵油基钻井液体系，缝板实验表明，该体系能够有效封堵1～3 mm裂隙，可解决油基钻井液裂缝性漏失问题。

3）PSIFIBER纤维堵漏材料在果勒303H井进行了现场应用，取得的良好的应用效果，解决了果勒303H井长期存在的漏失难题，恢复了正常钻进，降低了经济损失。PSIFIBER纤维堵漏材料有望在类似油基钻井液的防漏堵漏作业中推广应用。

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Study and Application of Lost Circulation MaterialWhile Drilling for Oil Based Drilling Fluid

,*

（School of Engineering and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083,China）

In order to solve the problem of lost circulation for oil-based drilling fluid, a modified mineral fiber lost circulation material (LCM) PSIFIBER was developed, and its performance was evaluated. The experimental results showed that the PSIFIBER LCM had good dispersibility and compatibility in oil-based drilling fluid and had little influence on oil-based drilling fluid performance. The PSIFIBER LCM had good temperature resistance and strong plugging effect, and penetrated into a sand bed for 11mm. The combination of PSIFIBER LCM, rigid plugging agent and elastic plugging agent can effectively solve the problem of drilling fluid loss, and has a good sealing effect on the fractures of 1 ～3 mm. The oil-based drilling fluid lost circulation prevention and plugging technology while drilling was formed, and it has been applied in Guole 303H well with good effect. The lost circulation problem of Guole 303H well has been successfully solved and normal drilling has been resumed.

Lost circulation material; Modified mineral fiber; Oil-based drilling fluid; Application

国家自然科学基金面上项目，绳索取心钻杆内壁结垢机理与控制方法（项目编号：41772388）。

2021-04-14

刘瑞（1997-），男，硕士在读，山东枣庄人，研究方向：钻井液工艺及堵漏技术。

于培志（1962-），男，教授，博士。

TE1; TE3

A

1004-0935（2021）06-0784-05