封堵防塌成膜剂PF-HCM在钻井液中的应用

朱金智，许定达，任玲玲，苏 超，张 震，赵 林

（1. 塔里木油田公司 油气工程研究院， 新疆 库尔勒 841000; 2. 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100)

封堵防塌成膜剂PF-HCM在钻井液中的应用

朱金智1，许定达2，任玲玲1，苏 超2，张 震1，赵 林2

（1. 塔里木油田公司 油气工程研究院， 新疆 库尔勒 841000; 2. 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100)

为解决哈得油田钻井过程中滤液侵入储层造成井壁失稳等问题，通过优选，引入了一种能够用于渗透性地层和泥岩地层的温压成膜剂PF-HCM，该处理剂的主要作用机理是通过控制水基钻井液特殊组分的途径在井筒流体与井壁界面形成一种完全隔离、封闭水相运移的膜，以达到稳定井壁的目的，实验结果表明，成膜剂PF-HCM在30～180 ℃较宽的温度范围内均具有较高的成膜效率，对低、中、高不同渗透率级别的岩心均表现出良好的封堵特性；在哈得油田钻井液体系中加入2%的温压成膜剂PF-HCM就能显著降低体系的滤失量和滤饼渗透率，同时不影响体系的流变性能，表明成膜剂PF-HCM在哈得油田钻井液中具有很好的封堵防塌性能。

成膜剂；封堵防塌；钻井液；共聚物；储层保护

国内外为了加强钻井液对易坍塌地层和渗透性地层的封堵能力，目前主要使用了片状云母类、纤维类、级配固相颗粒（如碳酸钙）、可变性颗粒（如沥青）和超低渗透处理剂等材料[1,2]。对于渗透性和易失稳地层，现场常用的封堵剂为颗粒封堵剂和可变性颗粒，哈得油田地层普遍存在砂岩，个别层段渗透性高，钻井液滤液侵入地层容易造成井壁失稳，而且由于地层的非均质性，对于砂岩层、泥岩层和砂泥复合地层，如何实现有效封堵减少滤液侵害从而达到井壁稳定的目的是钻井液必须要考虑的问题[3,4]。一般的级配固相材料实际使用时级配难度大，机械堆积很难形成有效的屏蔽层。可软化颗粒如沥青则需要达到软化点才能产生变形封堵作用，未软化前相当于一般惰性的颗粒封堵材料。另外，现场使用封堵防塌材料时，达到一定加量，封堵效果就不会再进一步提升。

综上所述，现场迫切需要一种优秀的高效成膜封堵材料，这种材料不仅要在较宽温度范围都能起到很好封堵作用，弥补沥青类封堵剂的不足，也能形成更好的封堵膜，降低泥饼和封堵层的渗透率，有效的减少滤液侵入造成的井壁失稳缩径扩径和坍塌问题。

通过优选，引入了一种能够用于渗透性地层和泥岩地层的温压成膜剂PF-HCM。该处理剂的主要作用机理是依据井眼与地层系统传质、传能的基本原理，从稳定井壁的物理化学固壁的新观念出发，通过人工控制水基钻井液特殊组分的途径在井筒流体与井壁界面形成一种完全隔离、封闭水相运移的膜，以达到稳定井壁的目的[5-7]。

1 新型成膜剂PF-HCM结构特点

1.1 成膜剂PF-HCM的特点

温压成膜剂PF-HCM分子与水接触后，具有外柔内刚的特点，其内部为高度交联、强度极高的刚性硬核，中间层是由含有非亲水性反应性官能团的柔性共聚物组成；外层是由含有亲水性反应性官能团的柔性共聚物组成，由于分散介质为水，外层的亲水性反应性官能团朝向水相，保证了最外层共聚物不向中间层迁移和融合。但当在井底压差作用下粒子之间发生聚并、融合，当一粒子外层进入另一粒子中间层时，分布在外层与中间层的反应性官能团发生交联反应，直至粒子最外侧的亲水性官能团被反应完全。无数胶束粒子相互之间都发生着上述同样的聚并、融合、交联过程，最后形成连续性的膜。在成膜过程完成后，由成膜剂粒子的中间层和外层形成了共价交联的共聚物连续相，成膜剂粒子的硬核成为均匀分布在连续相中的分散相，并且有一定强度，整个体系成为均匀分布着硬核的完整交联网络体系。此膜有一定强度，不再受钻井液冲刷和温度的影响，可阻止浆液中自由水向井壁渗透。

1.2 温压成膜剂PF-HCM的粒子微观结构

成膜剂封堵剂 PF-HCM在水中的粒径分布在0.12～60μ m，大多数为20μ m。成膜剂封堵剂粒子外形为球形及多种不规则形状，该粒子具有三层核壳结构，胶体粒子中心是一个高玻璃化温度、高度交联的共聚物组成的硬核，由于硬核是高交联度结构，相对稳定；中间层是由含有非亲水性反应性官能团的共聚物组成；外层是由含有亲水性反应性官能团的共聚物组成。

PF-HCM的成膜机理也可由下面的简化图（图1）形说明其成膜过程中的不同阶段：

a、初始乳液—颗粒以布朗运动的形式自由移动；

b、第一阶段—随着压差作用下失水作用，颗粒的移动自然受到了越来越多的限制，水与颗粒的界面张力促使它们逐渐排列在一起；

c、第二阶段—颗粒开始相互接触时，网络状的水分通过毛细管滤失，施加于颗粒表面的压差引起胶束球体粒子的变形使它们熔合在一起，填充在孔隙中，膜大致形成；

d、第三阶段—最后阶段是胶束分子的扩散(有时称为自粘性)形成真正的连续膜[8,9]。

新型成膜剂 PF-HCM能显著提高固体颗粒与页岩的粘结性及吸附成膜性，增强页岩的稳定性和承压能力。 与地层岩石在不同位置包括钻井液-岩石基质界面区、孔隙之间、孔壁周围、钻井液颗粒之间、钻井液颗粒周围都可观察到所形成的薄膜分布在岩石中不同的位置，这种作用可以改善钻井液与岩石颗粒间的粘结性能，提高井壁稳定性。在地层岩石的内部这样的作用可以将其保持为一个整体，提高岩石的内聚强度。

图1 PF-HCM的成膜阶段Fig.1 PF-HCM deposition stage

2 新型成膜剂PF-HCM性能评价

2.1 温度对PF-HCM成膜效率的影响

室内考查了30～180 ℃不同温度，3.5 MPa压力条件下，温压成膜剂加入后对体系滤失量的影响（图2）。实验数据表明随温度升高成膜剂的成膜效率逐渐提高。说明温度有利于成膜。

实验配方：

1#：自来水+0.2%NaOH+0.1%PF-VIS；

2#：自来水+0.2% NaOH+0.1% PF-VIS+2% PFHCM。

图2 不同温度下PF-HCM的成膜效率Fig.2 under different temperature deposition efficiency of PH-HCM

不同温度下，温压成膜封堵剂PF-HCM均具有良好的封堵效果，成膜效果随着温度升高而增加，30～180 ℃不同温度下有效减少滤失，适应温度范围大。

2.2 成膜剂PF-HCM的岩心封堵性能评价

2.2.1 对低渗岩心的成膜封堵性能

实验方法：将渗透率为45～55 md的人造岩心用标准盐水抽空饱和，利用静态岩心污染试验仪在高温高压（110 ℃、3.5 MPa）条件下测定在基浆中加入温压成膜剂 PF-HCM前后通过人造岩心后漏失量的变化，来表征温压成膜剂PF-HCM对岩心的封堵效果（图3）。

基浆配方：水+0.1% PF-VIS;实验条件：压力：3.5 MPa，环压：5.5～7 MPa，温度：100～110 ℃,岩心：室内实验选取渗透率为45～55 md的人造岩心。

图3 PF-HCM对低渗岩心（基浆）的封堵效果Fig.3 PF-HCM on low permeability core (base paste) the blocking effect

通过低渗砂岩的高温高压岩心静态滤失实验表明清水在15 min滤失480 mL，而2%成膜剂120 min仅13 mL，同时成膜剂对基浆的粘度影响很小，基本不增粘，不起泡。

2.2.2 对中渗岩心的成膜封堵性能

基浆配方：水+0.1% PF-VIS,实验条件：压力：3.5 MPa，环压：5.5～7 MPa，温度：100～110 ℃,岩心：室内实验选取渗透率为367～371 md的人造岩心（图4）。

图4 PF-HCM对中渗岩心的封堵效果Fig.4 PF-HCM pair permeability core plugging effect

通过中渗砂岩的高温高压岩心静态滤失实验表明，在基浆中120 min滤失173 mL，而2%成膜剂120 min仅8.3 mL，说明温压成膜剂PF-HCM对中渗岩心具有良好的封堵特性。

2.2.3 对高渗岩心的成膜封堵性能

基浆配方：水+0.1% PF-VIS,实验条件：压力：3.5 MPa，环压：5.5-7 MPa，温度：100～110 ℃,岩心：室内实验选取渗透率为880～894 md的人造岩心（图5）。

图5 PF-HCM对高渗岩心的封堵效果Fig.5 PF-HCM core plugging effect of hypertonic

通过高渗砂岩的高温高压岩心静态滤失实验表明，在基浆中9 min滤失397 mL（基本漏失完全），而加入2%成膜剂后120 min仅滤失10.8 mL，加入2%成膜剂和2%PF-LSF后120 min滤失量为8.1 mL，说明温压成膜剂PF-HCM对高渗岩心具有一定的封堵特性，配合加入沥青类封堵剂效果会更好。

2.3 PF-HCM在钻井液体系中性能评价

2.3.1 与其他封堵材料在钻井液中封堵性能对比

PEM钻井液的老化条件为110 ℃×16 h，HTHP测量条件110 ℃×3.5 MPa ，砂床目数40～60目。

3%膨润土浆＋0.15%Na2CO3＋0.2%NaOH＋0.2%PAC-LV＋0.3%PF-PLUS＋0.2%XC＋2%铵盐＋1.0%PF-TEX＋3%KCl＋3%PF-JLX＋2%级配暂堵剂+2% PF-HLB，重晶石加重到 1.2 g/cm3。

在体系1%封堵防塌材料磺化沥青PF-TEX基础上，通过加入现场常用的封堵材料 PF-LPF，继续增加磺化沥青PF-TEX的量，以及加入温压成膜剂PF-HCM，来考察三种情况对体系封堵效果的影响情况。

由实验可知，单一的一种封堵材料封堵效果往往不如复配效果，通过大量的单一封堵材料来控制封堵显然不太明智。从实验结果来看，加入温压成膜剂 PF-HCM对于常规滤失和砂床滤失均有更为有效的降低效果，说明温压成膜剂PF-HCM对于改善封堵具有更好的协同效果（图6）。

2.3.2 PF-HCM在钻井液中的成膜效果评价

由实验数据可以看出，温压成膜剂对PEM体系流变性能影响较小，加入2%的PF-HCM后就能显著降低体系的滤失量和滤饼的渗透率，同时表现出较高的成膜效率和良好的封堵性能（表1）。

图6 不同封堵剂在PEM体系中的滤失性能Fig.6 Sealer different fluid loss performance in PEM Syst

表1 温压成膜剂PF-HCM在PEM体系中的性能Table 1 Film former PF-HCM performance in PEM System

3 结 论

（1）新型温压成膜剂PF-HCM在30～180 ℃较宽的温度范围内均具有较高的成膜效率，对高、中、低不同渗透率级别的岩心均表现出良好的封堵特性。

（2）在PEM钻井液体系中加入2%的温压成膜剂 PF-HCM就能显著降低体系的滤失量和滤饼渗透率，同时不影响体系的流变性能，具有较好的封堵性能（图7）。

图7 PEM体系中PF-HCM不同加量下的成膜效率Fig.7 PEM system, deposition efficiency PF-HCM different dosage

（3）为了更好的应用和推广新型温压成膜剂，封堵防塌措施技术的改进仍需要更深入的研究。

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Application of Blocking Anti-collapse Film Former PF-HCM in Drilling Fluid

ZHU Jin-zhi1, XU Ding-da2, REN Ling-ling1, SU Chao2, ZHANG Zheng1, ZHAO Lin2
（1. Oil and Gas Tarim Oilfield Company Engineering Research Institute, Xinjiang Korla 841000, China；2. Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

To solve wellbore instability and other problems caused by drilling filtrate invasion reservoir in Hudson oil field, a film former PF-HCM can be used in permeability formations and shale formations. The main mechanism of the treatment agent is to control water-based drilling fluid special components to form completely isolated aqueous phase migration film between the wellbore fluid and the well wall interface, to achieve the purpose of stabilizing well wall. Experimental results show that the film former PF-HCM within 30 ～ 180 ℃ wide temperature range has high film forming efficiency, and exhibits good sealing properties for low, medium and high levels of different permeability cores; adding 2% film former PF-HCM into the drilling fluid system can significantly reduce the amount of fluid loss and the filter cake permeability, without effect on the rheological properties of the system, indicating that the film former PF-HCM in Hudson oilfield drilling fluid has good blocking anti-collapse performance.

film former; blocking anti collapse; drilling; copolymer; reservoir protection

TE 357

A

1671-0460（2016）11-2530-04

中国石油塔里木油田公司2013年度前期评价项目“哈得区块钻完井过程碎屑岩储层保护技术”。

2016-04-27

朱金智，男，高级工程师，现在塔里木油田公司油气工程研究院工作。

赵林，男，教授，主要从事油田化学方面研究。E-m ail:57308427@qq.com。