新型封堵剂FDJ-EF封堵特性及其作用机理

向朝纲，蒲晓林，陈勇

（西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500）

新型封堵剂FDJ-EF封堵特性及其作用机理

向朝纲，蒲晓林，陈勇

（西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500）

封堵近井壁微裂缝是避免硬脆性泥页岩地层井壁失稳的有效手段之一。在分析各类型水基钻井液防塌封堵剂的基础上，优化研制出一种新型热塑性聚酯类封堵剂FDJ-EF；通过具有模拟微裂缝金属缝板的高温高压封堵仪，评价FDJ-EF的封堵效果，证明其在较宽的温度范围（80～140℃）内具有优异的封堵性能，且其封堵能力强于目前常用的防塌封堵剂（聚乙二醇、乳化石蜡、乳化沥青）；通过荧光光度计分析，FDJ-EF无荧光显示；通过封堵特征微观观察及粒度分布测量等实验手段，探讨了FDJ-EF的封堵机理。结果表明，其封堵机理主要为：在软化温度范围内，FDJ-EF封堵粒子在压差作用下软化变形，与其他固相颗粒一同挤入微裂缝内，在短时间内形成致密的封堵层，一方面阻碍了压力和滤液传递，一方面增强了黏土矿物的胶结强度。

水基钻井液；微裂缝；封堵评价；封堵机理；硬脆性泥页岩

硬脆性泥页岩在钻井过程中易产生井壁失稳类复杂问题［1-2］。此类地层具有裂缝相互交错、裂隙分布密集、固体颗粒胶结性差等结构特征，以及不易水化分散和膨胀等理化性能［3-5］。钻遇该类地层时，一方面，钻井液液柱压力扩散进入近井壁地带，引起近井壁处应力二次分布；另一方面，滤液在复杂外力作用下通过渗流或渗吸等方式进入地层，并与黏土矿物相互作用引起整体强度降低［6-7］。

钻井实践表明，防塌钻井液技术中采用快速、高效的封堵剂形成致密封堵层，以阻止流体进入地层通道是防塌技术的关键［8-12］。目前，国内外针对硬脆性泥页岩地层的钻井液防塌封堵理论及相应的技术进行了大量研究，并取得了一定成绩，但由于长裸眼井段中的裂缝、层理、裂隙复杂及钻井荧光级别要求，传统水基钻井液防塌封堵剂很难满足要求。为此，笔者从水基钻井液封堵剂特征出发，通过大量室内实验，筛选了一种新型的热塑性聚酯类封堵剂FDJ-EF，对封堵效果进行了评价，并对其微观封堵规律及封堵机理进行了研究。

1 FDJ-EF性能

室内性能评价实验中使用的产品为筛选的新型热塑性聚酯类封堵剂FDJ-EF，软化温度范围为80～140℃。对照试样为目前常用的乳化沥青、乳化石蜡及聚合醇类防塌封堵剂。

1.1 封堵效果

通过具有模拟微裂缝金属缝板的高温高压封堵仪评价FDJ-EF，以及对照试样在不同温度和压力下对微裂缝的封堵效果（本实验固定金属缝板微裂缝的宽度为20 μm，深度为5 mm）。

1.1.1 不同温度下的封堵效果

配制4%优质膨润土基浆，预先水化24 h后加入3%FDJ-EF，并进行充分搅拌，在温度100℃的条件下老化16 h，然后用高温高压封堵仪进行微裂缝封堵评价。在实验压差为 3.5 MPa的条件下，分别测量70，100，130，160℃时不同时间的总滤失量，结果如图1所示。

图1 不同温度下的滤失曲线

由图1可见，相同实验压差、不同温度条件下，添加FDJ-EF的水基钻井液封堵20 μm微裂缝的能力不一样。当温度为70，160℃时，滤失速率（即单位时间的滤失量）随时间增加而缓慢降低，30 min滤失量偏大，但仍具有一定的封堵效果。当温度处于软化温度范围时，滤失速率下降最快，在10 min内几乎降到0，总滤失量小。

这说明FDJ-EF的封堵能力与软化温度有关，在软化温度范围之外，封堵剂未被软化或过度软化，使得封堵效果变差；在软化温度范围之内，随着时间的增加，更多的封堵粒子变软，在压差作用下变形，随膨润土粒子一起挤入裂缝，形成低渗透封堵带，隔绝了滤液流动的渠道，具有极好的封堵效果。

1.1.2 不同压力下的封堵效果

实验条件同上，在实验温度为130℃的条件下，分别测量压差为1.4，2.1，2.8，3.5 MPa时不同时间的总滤失量，结果如图2所示。

图2 不同压力下的滤失曲线

由图2可见，同一温度条件下，滤失速率随压差的变化而变化。2.1 MPa时的滤失速率随时间降低的速度小于1.4 MPa时的滤失速率，随着压差继续增大，滤失速率随时间降低的速度不断增加。这说明当压差继续增大时，软化粒子的变形率增大，更多粒子快速挤入微裂缝封堵孔隙，形成更加致密的封堵带，直至形成渗透率为0的封堵带。总的来说，不同压差下总滤失量相差不大，在10 min内滤失速率都几乎为0，说明FDJ-EF在不同压差下均具有好的封堵效果。

1.1.3 封堵效果对比

使用4%预先水化的优质膨润土浆，分别在相同实验条件下，将FDJ-EF与目前常用封堵剂的封堵效果进行对比，如图3所示。

由图3a可以看出，随着温度的升高，含不同封堵剂的钻井液体系在3.5 MPa条件下，30 min滤失量呈现出相同的变化趋势，即先减小再增加；但含FDJ-EF钻井液体系的总滤失量变化幅度小，在每一温度条件下滤失量均较低，各对照封堵剂的总滤失量不但高，且当温度增加到130℃后，其滤失量急剧增加。由图3b可以看出，相同温度条件下，不同封堵剂的封堵效果差别较大，FDJ-EF和乳化沥青的30 min滤失量随压力增加变化幅度小，乳化石蜡和聚乙二醇的30 min滤失量随压力增加变化加大。因此，在高温条件下，乳化石蜡和聚乙二醇均失去封堵性能，且压力越大，其滤失速率越快，总滤失量不断增大。

1.2 荧光分析

钻井液中处理剂的荧光强度较高，必然影响到地质录井的准确性。因此，对钻井液处理剂进行荧光分析具有重要意义［13］。

图3 各类封堵剂的滤失量

用无荧光显示的环己烷配制78.1 mg/L的FDJ-EF单剂有机溶液，对照组为预处理的相同质量浓度的乳化沥青溶液和蒸馏水。采用荧光分光光度计观察各组的荧光显示情况（激发波长为254 nm，扫描发射波长为300～600 nm），结果如图4所示。

实验结果表明，78.1 mg/L的FDJ-EF溶液的荧光光谱与蒸馏水几乎一样，而相同质量浓度的乳化沥青的荧光级别远高于FDJ-EF溶液。这说明新型封堵剂FEJ-EF无生荧基团，在钻井过程中不会干扰地质录井，是一种适用于各种生产井和探井的钻井液处理剂。

图4 各类封堵剂荧光光谱

2 FDJ-EF封堵作用机理

2.1 微观封堵效果

为了探索FDJ-EF对硬脆性泥页岩地层微裂缝的作用机理，利用蔡司体视显微镜观察4%基浆+3%FDJEF在130℃封堵裂缝的微观封堵特性。图5和图6分别为FDJ-EF封堵模拟裂缝金属缝板局部及内部放大后的效果图（分别放大20，40倍）。

图5 微裂缝口封堵效果

图6 裂缝内部封堵效果

由图5可以看出，在封堵过程中，FDJ-EF和黏土颗粒团聚成可压缩的团状物，同时对微裂缝进行架桥封堵，因处于温度软化范围，FDJ-EF软化变形，在压差作用下，FDJ-EF很容易挤入封堵层微小孔隙中，致密性大幅增加，从而增大渗流阻力，提高封堵效果。如图6所示，在裂缝内部前段形成了致密低渗的封堵层，压实程度高，致密性强，封堵效果极好。

2.2 粒度分析

利用激光粒度仪分析FDJ-EF浆液的固相粒度分布，探索其封堵机理，结果如图7所示，浆液配方为：4%基浆+3%FDJ-EF。

由图7可知，FDJ-EF浆液的固相粒度累积分布曲线较陡，粒度中值d50约为35.21 μm，小于13.50 μm左右的颗粒才占10%左右，大于20 μm的颗粒占80%左右。尽管固相颗粒粒径不满足d90充填原则［14］，但此粒径分布对20 μm微裂缝的封堵效果还是非常好，说明FDJ-EF在高温高压下能够软化变形进入微裂缝，同黏土颗粒架桥封堵失水通道，在压差作用下不断被压实，微小的失水通道又被软化变形后的粒子完全封闭，使滤失量大幅降低，封堵效果极佳。

图7 FDJ-EF浆液固相粒度分布

3 结论

1）FDJ-EF是一种不溶于水但高度分散于水，在较宽的温度和压力范围，可变软变形的新型热塑性聚酯类水基钻井液封堵剂，具有好的封堵效果，且无荧光显示，可广泛应用于复杂地层的钻井作业。

2）FDJ-EF的封堵能力与软化温度有关，在软化温度范围之内封堵粒子软化，在压差作用下变形随其他固相颗粒粒子一起挤入裂缝，形成低渗透封堵带，阻碍压力和滤液扩散，增强黏土矿物胶结强度，有利于井壁稳定。

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（编辑 赵卫红）

Characteristics of novel sealing agent FDJ-EF and its sealing mechanism

Xiang Chaogang,Pu Xiaolin,Chen Yong
(College of Petroleum Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Sealing of the microfractures near wellbore is one of effective measures of preventing sidewall instability in hard-brittle clay shale formation.A novel thermoplastic sealing agent FDJ-EF was developed on the basis of the evaluation of various antisloughing sealing agents for water-based drilling fluid.It is proved that the sealing agent FDJ-EF has the most significant blocking function within a wide temperature range(80-140℃)through the analysis of FDJ-EF sealing effect with HTHP sealing instrument, which can model the microfactures in hard-brittle clay shale formation.The sealing capacity is better than the common antisloughing sealing agents now,such as polyethylene glycol,emulsified wax and emulsified bitumen.FDJ-EF has not fluorescent display through the analysis of fluorophotometer.The sealing mechanisms of novel sealing agent were studied through the experiments including microstructures observation and particle size distribution measuring.It is concluded that main sealing mechanisms within softening temperature range are that FDJ-EF sealing particles,deformed by softening under pressure difference, and other particles are squeezed into the microfractures and the tight sealing layer is created in a short time.On the one hand,the transmission of pressure and filtrate is slowed down,and on the other hand,the cementing strength of clay mineral is strengthened.

water-based drilling fluid;microfracture;sealing evaluation;sealing mechanisms;hard-brittle clay shale

TE254＋.4

：A

1005-8907（2012）02-0249-04

2011-07-20；改回日期：2012-01-18。

向朝纲，男，1985年生，在读硕士研究生，主要从事油气井工作液力学方面的研究工作。E-mail：wsxcg123@126.com。

向朝纲，蒲晓林，陈勇.新型封堵剂FDJ-EF封堵特性及其作用机理［J］.断块油气田，2012，19（2）：249-252. Xiang Chaogang，Pu Xiaolin，Chen Yong.Characteristics of novel sealing agent FDJ-EF and its sealing mechanism ［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：249-252.