新型屏蔽暂堵剂ZDJ室内性能评价

郭丽梅， 薛锦华， 陈曦（.天津科技大学化工与材料学院，天津300457；.天津现代职业技术学院，天津300350）

郭丽梅等.新型屏蔽暂堵剂ZDJ室内性能评价[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：37-41,47.



新型屏蔽暂堵剂ZDJ室内性能评价

郭丽梅1， 薛锦华1， 陈曦2
（1.天津科技大学化工与材料学院，天津300457；2.天津现代职业技术学院，天津300350）

郭丽梅等.新型屏蔽暂堵剂ZDJ室内性能评价[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：37-41,47.

摘要针对传统保护油气层技术和弹性体屏蔽剂的不足，合成了一种具有壳核结构的新型屏蔽暂堵剂ZDJ,该屏蔽暂堵剂利用其可变形特点嵌入孔喉表面，起到保护油气层作用，不需要其粒径与地层孔喉直径及分布准确匹配。新型屏蔽暂堵剂由一定量的AM、AMPS、DMC、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和无机试剂A，通过自由基聚合法合成，中间黑色部分为刚性核，边缘透明部分为弹性体。其性能评价结果表明，当无机试剂A质量分数为50%时，ZDJ封堵性能最佳；0.5% ZDJ的砂层侵入深度为2.3～5.9 cm，API滤失量为8.5 mL；将ZDJ、磺化沥青和LV-CMC进行复配，当3者比例为4.5∶1.5∶1.0时，钻井液封堵性和降滤失性达到最佳，1.0%复配体系的砂层侵入深度为0.6～2.7 cm，API滤失量为6.1 mL，200×10-3～300×10-3µm2人造岩心渗透率暂堵率为99.2%，渗透率恢复率为99.3%；说明ZDJ、磺化沥青和LV-CMC具有较好的协同增效作用，能有效阻止钻井液流体和固相颗粒侵入油气储层孔隙，到达保护油气储层目的。

关键词钻井完井液；防止地层损害；屏蔽暂堵剂；砂层封堵；协同增效

Laboratory Evaluation of a New Temporary Plugging Agent ZDJ

GUO Limei, XUE Jinhua, CHEN Xi
(1.Tianjin University of Science & Technology,Institute of Chemical Engineering & Materials Science,Tianjin 300457, China; 2.Tianjin Modern Vocational Technology College, Tianjin 300350,China)

Abstract A new temporary plugging agent, ZDJ, was produced to overcome the deficiencies of conventional reservoir protection technology and elastic sealing agents. ZDJ has a core-shell structure, and good deformability enabling it to be adhered on to the interior surface of pore throats, thus protecting reservoir from being damaged. This technology does not necessitate the accurate compatibility of additive’s particle sizes with diameters of pore throats. ZDJ is produced with AM, AMPS, DMC, N, N’-Methylene bis-acrylamide and an inorganic agent A, using radical polymerization.The black part at the center is a rigid core, and the transparent part at the brim is an elastic mass. The evaluation indicates that ZDJ shows the optimum plugging performance at 50% (mass fraction) of A. Sand beds plugged with 0.5% ZDJ have fluid invasion depths of 2.3-5.9 cm, and API filter loss of 8.5 mL. When ZDJ, sulfonated asphaltene and LV-CMC are compounded at a ratio of 4.5∶1.5∶1.0, the best plugging and filtration control performances can be achieved. Sand beds plugged with 1.0% of the compound have fluid invasion depths of 0.6-2.7 cm, and filter loss of 6.1 mL. In tests on artificial sand cores having permeabilities of 200×10-3-300×10-3μm2,99.2% of pores are plugged with the compound, and permeability recovery reaches 99.3%, indicating that ZDJ, sulfonate asphaltene and LV-CMC have good synergistic effect in hindering the invasion of mud filtrates and solids, thus realizing the protection of oil and gas reservoirs.

Key words Drill-in fluid; Formation damage prevention; Shielding temporary plugging agent; Sealing and plugging of sand bed; Synergy

在油气钻探过程中，钻井液流体和固相颗粒侵入储层孔隙，会造成油气储层伤害，降低石油采收率[1-5]。为了解决油气储层伤害问题，国内外学者先后提出了1/3架桥规则、屏蔽暂堵技术和屏蔽暂堵分形理论、理想充填理论、D90规则[6-8]，这些理论和技术均要求准确获取地层孔喉直径及分布，然后选取粒径与地层孔喉直径相匹配的暂堵剂进行封堵，而地层复杂性和分布的不规律性使匹配关系难以把握，若暂堵剂使用不当反而损害油气储层。国内学者在屏蔽暂堵理论基础上提出镶嵌屏蔽暂堵技术，镶嵌屏蔽暂堵技术不需要准确获取地层孔喉直径及分布，利用屏蔽剂可变形特点使其嵌入孔喉表面[9-10]，在井壁表面形成屏蔽层从而阻止钻井液流体和固相颗粒侵入储层孔隙。但是弹性体屏蔽剂，当储层孔隙或外界压力较大时，屏蔽剂会被挤入孔喉深处，造成孔隙堵塞，反而损害油气储层。针对传统保护油气层技术和弹性体屏蔽剂的不足，合成了一种具有壳核结构的新型屏蔽暂堵剂ZDJ，该屏蔽剂后期无需进行解堵作业，可通过原油返排自动解除；并将ZDJ与磺化沥青和LV-CMC复配使用，以提高钻井液封堵能力，达到保护油气储层目的。

1　实验部分

1.1 原料和仪器

丙烯酰胺（AM），工业级；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），工业级；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC），工业级；无机试剂A，工业级；N，N-亚甲基双丙烯酰胺、氢氧化钠、过硫酸钾、无水亚硫酸钠，分析纯。

可视化中压砂层滤失仪、OLYMPUS-BX51电子显微镜、ZNN-D6 II型电动六速黏度计、SD六联中压滤失仪、变频高速搅拌机、压力储层测试系统、均匀布酸实验装置。

1.2 新型屏蔽暂堵剂合成

将一定量的AM、AMPS、DMC、N，N-亚甲基双丙烯酰胺和无机试剂A加入三口烧瓶中，用氢氧化钠溶液中和，置于恒温水浴锅中，通入氮气30 min后向体系中加入引发剂，反应4 h得到固体产物，将产物造粒、干燥、粉碎后得到产品ZDJ。

2　结果与讨论

2.1 无机试剂A加量对ZDJ封堵性能影响

在n（AM）∶n（AMPS）∶n（DMC）=4∶1∶1、单体质量分数30%、反应温度40 ℃、pH=7、引发剂质量分数0.6%条件下，考察了无机试剂A加量对ZDJ封堵性能的影响，实验结果如图1所示。由图1可知，无机试剂A加量对ZDJ封堵性能影响较大，随着无机试剂A质量分数的增加，砂层侵入深度先减小后增大，当无机试剂A质量分数为50%时，侵入深度达到最小值。无机试剂A加量较低，部分ZDJ不能形成有效的壳核结构，不含刚性核的ZDJ在外界压力作用下会挤入砂层孔隙，流体侵入深度增加；无机试剂A加量较高，ZDJ弹性体部分相应减少，削弱了弹性体对孔隙的封堵作用，流体侵入深度增加。

图1　0.3%ZDJ溶液侵入深度随无机试剂A质量分数的变化

2.2 新型屏蔽暂堵剂结构

配制浓度为0.3%的ZDJ水溶液，使用高倍电子显微镜（1 000倍）进行观测，实验结果如图2所示。由图2可以看到，ZDJ由两部分组成，中间黑色部分为刚性核，边缘透明部分为弹性体，弹性体均匀包裹在刚性核周围，与设计理念基本一致。

图2　新型屏蔽暂堵剂ZDJ的结构图

2.3 ZDJ封堵性能评价

用可视化中压砂层滤失仪测定不同浓度ZDJ对不同目数砂层的封堵能力，实验结果如表1所示，并对实验过程进行拍照。由表1可知，与基浆相比，加入ZDJ后，0.28～0.45 mm、0.154～0.18 mm砂层钻井液对于滤失量都为0；随着ZDJ加量的增加，砂层侵入深度减小，钻井液封堵能力显著提高。从实验中可以看到，ZDJ在顶部砂层表面形成一层屏蔽层，说明ZDJ起到了较好的封堵作用，而且对不同孔径的孔隙ZDJ都具有一定的封堵能力，具有自适应性。

表1　ZDJ砂层封堵实验结果

2.4 新型屏蔽暂堵剂屏蔽机理

ZDJ为壳核结构体，壳为弹性体，在地层压力作用下，弹性体产生弹性形变，镶嵌于井壁表面的孔喉处；弹性体部分为高分子聚合物，含有阳离子和磺酸基，能吸附在岩石表面，增强封堵能力。核为刚性材料，具有较好的耐温和承压能力，在地层压力作用下不产生形变，刚性核粒径根据需求可调，本文采用20～80 µm，阻止弹性部分进入孔喉深处。当储层孔喉都被新型屏蔽暂堵剂镶嵌时，在井壁表面形成屏蔽层，从而有效阻止钻井流体和固相颗粒侵入储层孔隙，达到保护油气储层的目的[5]。

2.5 ZDJ对钻井液流变性影响

在3%膨润土浆中加入不同质量的ZDJ，测定ZDJ对钻井液流变性和降滤失性的影响，实验结果如图3所示。ZDJ弹性体部分为交联网状结构，因此ZDJ自身能够吸收一定量的水分，对钻井液流体有一定的增黏能力。

图3　ZDJ对钻井液流变性影响

由图3可知，随着ZDJ质量分数（占流体总质量百分数，下同）的增加，基浆表观黏度和塑性黏度增大，API滤失量减小，当ZDJ的加量为0.5%时，钻井液流体的表观黏度为62.5 mPa·s，API滤失量为8.5 mL，因此ZDJ单剂在钻井液中的加量不易超过0.5%。

2.6 ZDJ、磺化沥青和LV-CMC协同增效性能

2.6.1 ZDJ、磺化沥青和LV-CMC协同作用机理

在钻井液中单纯加入磺化沥青[11-14]和LV-CMC[15]，其封堵和降滤失能力有限。ZDJ通过物理封堵和化学吸附起到保护油气储层作用，但是单纯的ZDJ，当储层孔隙较大或孔隙严重不规则时会出现封堵不严实现象。将ZDJ、磺化沥青和LV-CMC同时加入基浆中，磺化沥青吸附在岩层表面，通过自身结构特点对大孔隙和不规则孔隙起到一定的封堵作用；LV-CMC同时和多个黏土颗粒吸附，形成网状结构，稳定黏土颗粒，阻止ZDJ进入孔喉深处；ZDJ在磺化沥青和LV-CMC作用基础上，通过外界压差和化学吸附作用嵌入孔喉表面，三者协同作用，提高钻井液封堵和降滤失能力，阻止钻井流体和固相颗粒进入油气储层孔隙，达到保护储层目的。

2.6.2 钻井液性能评价

将新型屏蔽暂堵剂（M）、磺化沥青（N）和LV-CMC（P）按照一定比例加入3%膨润土浆中，通过测定钻井液体系API滤失量，确定物质M、N和P在钻井液中的最佳添加比例，实验结果如表2所示。由表2可知，与基浆相比，加入ZDJ、磺化沥青和LV-CMC后，钻井液API滤失量减小，当新型屏蔽暂堵剂∶磺化沥青∶LV-CMC为4.5∶1.5∶1.0时，API滤失量达到最小，为7.2 mL，复配体系降滤失能力比三者单独使用较好；在最佳添加比例下，随着复配体系质量分数的增加，钻井液流体表观黏度、塑性黏度和动切力增大，API滤失量减小；当复配体系的质量分数为1.0%，钻井液API滤失量可以下降到6.1 mL；磺化沥青具有润滑性，能降低钻井液黏度，由表2可知，当复配体系添加量为0.78%时，ZDJ的实际添加量为0.5%，与ZDJ单剂相比，钻井液黏度下降率为45%，复配使用可以有效降低ZDJ对体系黏度的影响。

2.6.3 复配体系砂层封堵性能评价

采用可视化中压砂层滤失仪测定复配体系在最佳添加比例下对不同粒小砂层的封堵能力。实验结果如表3所示。

表2　新型屏蔽暂堵剂、磺化沥青和LV-CMC复配实验结果

表3　钻井液配方及砂层封堵实验结果

从表1和表3可知，ZDJ、磺化沥青和LV-CMC三者复配使用比ZDJ、磺化沥青和LV-CMC单独使用时砂层封堵能力要好；在最佳添加比例下，随着复配试剂添加量的增加，钻井液封堵能力增强，当复配试剂的添加量为1.0%时，在0.28～0.45 mm砂层中侵入深度为2.7 cm，0.154～0.18 mm砂层中侵入深度只有0.6 cm。从表2和表3实验数据可以看出，ZDJ、磺化沥青和LV-CMC三者协同作用能显著提高钻井液体系降滤失能力和封堵能力。

2.7 岩心渗透率暂堵与恢复性能评价

选取渗透率为200×10-3～300×10-3µm2人造岩心，采用压力储层测试系统和均匀布酸实验装置测试不同配方钻井液对岩心污染实验，实验结果如表4所示。实验条件为：压差3.5 MPa，温度80 ℃，污染时间2 h，剪切速率100 s-1。

从表4可以看出，在基浆中加入ZDJ能显著提高钻井液渗透率暂堵率和恢复率，说明ZDJ能在岩心表面形成屏蔽层，阻止钻井液流体和固相颗粒侵入储层孔隙；ZDJ、磺化沥青和LV-CMC复配使用，其渗透率暂堵率和恢复率明显高于三者单独使用，1.0%复配体系对200×10-3～300×10-3µm2人造岩心渗透率暂堵率达到99.2%，渗透率恢复率达到99.3%，说明ZDJ、磺化沥青和LV-CMC具有较好的协同增效作用，采用该技术能有效保护油气储层。

表4　岩心渗透率暂堵与恢复性能评价结果

3　结论

1.无机试剂A添加量对ZDJ封堵性能影响较大，当无机试剂A质量分数为50%时，ZDJ封堵性能最佳；ZDJ对不同孔径的孔隙都具有较好的封堵能力，具有自适应性；随着ZDJ加量的增加，钻井液封堵能力显著提高；0.5%ZDJ在0.28～0.45 mm砂层的侵入深度为5.9 cm，在0.154～0.18 mm砂层的侵入深度为2.3 cm。

2.ZDJ具有较好的降滤失性，0.5%ZDJ溶液的API滤失量为8.5 mL；ZDJ对基浆流变性有一定影响，当ZDJ的加量为0.5%时，钻井液流体的表观黏度为62.5 mPa·s，因此ZDJ单剂在钻井液中的加量不宜超过0.5%。

3. ZDJ、磺化沥青和LV-CMC三者协同作用能显著提高钻井液体系封堵能力和降滤失能力， 三者最佳添加比例为4.5∶1.5∶1.0；当复配试剂在基浆中的质量分数为1.0%时， 在0.28～0.45 mm砂层中侵入深度为2.7 cm， 0.154～0.18 mm砂层中侵入深度只有0.6 cm， API滤失量可以下降到6.1 mL；磺化沥青具有润滑性， 在ZDJ添加量相同的条件下， 使用复配体系较使用ZDJ单剂的溶液黏度下降45%， 复配使用可以有效降低ZDJ对体系黏度的影响。

4.在最佳比例下，复配体系渗透率暂堵率和恢复率明显优于单剂，1.0%复配体系对200×10-3～300×10-3µm2人造岩心渗透率暂堵率达到99.2%，渗透率恢复率达到99.3%，说明ZDJ、磺化沥青和LV-CMC具有较好的协同增效作用，采用该技术能有效阻止钻井液流体和固相颗粒侵入油气储层孔隙，降低钻井液对岩心损伤，有效保护油气储层。

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收稿日期（2015-8-19；HGF=1506F7；编辑 付玥颖）

作者简介：第一郭丽梅，教授，1961年生，女，主要从事油田化学品的研究。电话 （022）60601152；E-mail:glmei@ tust.edu.cn。

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05013)。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.008

中图分类号：TE254.4

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0037-05