钻井液高温高压滤失封堵性新型测试方法

赵建刚，李梅楠，石凯，孙鹏，许云博，王雪竹，张晓翼，李慧想，邓都都

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

随着国土资源部“三深一土”战略的大力推进，深部资源的勘查开发成为重要的任务之一。钻探孔越来越深，井下温度和压力也越来越高，安全、高效钻井面临着井下高温高压条件的考验，如何能更好地模拟井下高温高压的实际状况，更加准确地评价钻井液在高温高压条件下的滤失封堵性就显得尤为重要，这就要求有先进的测试仪器和评价方法。本文详细地介绍了国外钻井承包商目前使用较多的新型高温高压滤失封堵性测试仪器Fann PPA手动滤失封堵测试仪及Fann APPA全自动滤失封堵测试仪的工作原理、主要技术性能指标，并就其优点与以往常规滤失封堵性测试方法进行了对比，同时对当前高温高压钻井液滤失封堵性测试中遇到的一些主要问题进行了分析，给出了相应的处理方法。

1 Fann PPA手动滤失封堵测试仪的工作原理

如图1所示为美国Fann仪器公司(Fann Instrument Company)研制的手动滤失封堵测试仪PPA(Permeability Plugging Apparatus)，其外形与以往常规的高温高压滤失仪相似，但两者的工作模式和技术参数有很大不同。

Fann PPA手动滤失封堵测试仪借鉴了常规500 mL高温高压滤失仪的部分设计原理并加以改进设计而成。两者的根本区别在于：常规的高温高压滤失仪将过滤介质(如滤纸)放置在泥浆筒的底部，而钻井泥浆是由许多种起不同作用的添加剂组成的，如为了加重泥浆会使用固体颗粒的重晶石，为了增强堵漏效果会加入核桃壳粉未等架桥型材料，这些固体颗粒材料在重力的作用下，会沉积到过滤介质上，在钻井液和过滤介质之间会形成一层厚而且膨松的隔离层，不利于在过滤介质上形成薄而密实的泥饼，这种情况会导致测试的滤失量偏大。如图2所示。

图1 Fann PPA手动滤失封堵测试仪

图2 泥浆筒中固体颗粒在过滤介质上的沉积过程

而在钻井过程中，对垂直井壁上的裂缝、孔隙和渗透性地层起封堵作用的是井筒中钻井液液柱在井壁上形成的泥皮，沉积到底部的固体颗粒对井壁漏失的封堵不起任何作用，如图3所示。所以，常规高温高压滤失仪的测试方式与钻井过程的真实情况有着较大区别，滤失量的测试结果并不能完全真实地反映钻井液的实际情况。

图3 钻井液对漏失地层进行失水造壁封堵示意图

与常规高温高压滤失仪相比，Fann手动滤失封堵测试仪PPA则将过滤介质(如滤纸或岩心滤盘)和回压接收器放置于泥浆筒的顶部，外部的手动液压泵通过位于泥浆筒底部的液压油推动位于泥浆筒中的活塞向上运动，滤液从上部的过滤介质滤出，并在过滤介质上形成起封堵作用的泥饼，如图4所示。

图4 Fann PPA手动滤失封堵测试仪工作原理图

用Fann手动滤失封堵测试仪PPA测试泥浆的滤失性，可以有效避免常规高温高压滤失仪测试时固体颗料沉积物对滤失量和泥饼状态等参数的影响，测得的结果更加符合钻探的实际情况。Fann PPA 的泥浆筒、活塞及配套T形工具如图5所示。

图5 Fann PPA 泥浆筒、活塞及配套T形工具

例如国外某家著名的钻井服务承包商使用的某个密度为2.0 g/cm3的水基加重泥浆，在相同的实验条件下(温度150℃、正压3.45 MPa、回压0.69 MPa)使用常规的Fann 71型高温高压滤失仪测试其滤失量为14 mL，而使用Fann PPA手动滤失封堵测试仪在相同条件下测试的滤失量却只有9 mL。当将其密度进一步加大为2.2 g/cm3时，常规测试方法测试的滤失量为16 mL，用Fann PPA手动滤失封堵测试仪测试的滤失量为10 mL。多项实验结果表明，泥浆密度的增加将导致滤失量有上升的趋势，使用Fann PPA手动滤失封堵测试仪测试的滤失量比常规的测试方法测试的滤失量要小，更能真实地反映钻井液在实际状况下的滤失封堵特性。

Fann PPA手动滤失封堵测试仪最高测试工作温度可达260℃，最高测试工作压力可达35 MPa，从而可以更好地模拟深井中高温高压的真实环境条件，测试钻井液在高温高压条件下的滤失封堵特性。Fann PPA手动滤失封堵测试仪使用双端开口的泥浆筒，这样就可以保证兼容以往常规高温高压滤失仪使用的过滤介质(如滤纸、人造岩心滤盘、高温介质盘、高温玻璃纤维滤网等)。Fann PPA手动滤失封堵测试仪的整体组成如图6所示。图中所示的二氧化碳气弹用于提供回压，也可以通过使用转换接头，由氮气瓶提供回压。

图6 Fann PPA手动滤失封堵测试仪整体组成

2 Fann APPA全自动滤失封堵测试仪的工作原理

Fann公司在手动滤失封堵测试仪PPA的基础上，研发了全自动滤失封堵测试仪APPA(Model 389 AP/MC Automated Permeability Plugging Apparatus)，如图7所示。

图7 Fann 389 AP/MC全自动滤失封堵测试仪APPA

与手动的PPA相比，Fann 389 AP/MC 全自动滤失封堵测试仪APPA自动化程度和性能得到了极大提高。首先，压力的控制实现了自动化，数字面板设定压力，由外部气源驱动压力控制系统，实现了加到泥浆杯底部活塞上的压力保持恒定；其次，实现了滤液的连续自动测量，并且在常规的30分钟实验之后，还可以继续自动实验16个小时，以评价后期滤失特性及形成的泥饼的稳定性，实验后还可以进行自动清洗，省时省力；另外，实现了数据采集和存储的自动化，包括实验温度、压力、滤失量等参数随时自动测试、记录和存储，并可以形成曲线、图表发往外部网络或计算机。Fann APPA工作的最高温度和压力与Fann PPA基本相同，但其自动化程度和易用性方面有了质的提高。

3 当前高温高压钻井液滤失封堵性测试中遇到的一些主要问题及解决办法

由于生产高温高压钻井液滤失封堵性测试仪器的厂家众多，产品质量优劣不等，再加上实验人员的测试程序方法不同，常常导致质检中心与各种助剂生产厂家实验室测试的结果有着较大的区别，进而形成产品是否合格的争议，常见的原因及解决办法主要有：

(1)选择正确的过滤介质

滤失性实验对过滤介质的要求较高，以常用的滤纸为例，滤纸的均匀度、致密度、厚度、抗拉强度、耐温特性、一致性等都会对滤失量的测试结果产生不容忽视的影响。如Fann公司的进口滤纸韧性好、孔径特别均匀，试验平行性好，耐温特性好，实验时不易被压穿。而有些厂家生产的滤纸薄而且不均匀，导致试验平行性不好；耐温性较差，滤纸韧性差，实验时极容易被压穿而导致实验失败。所以，建议选用质量好、性能稳定的厂家生产的专用滤纸、岩心滤盘、高温介质盘、玻璃纤维滤纸等产品。

(2)选用专用的抗高温过滤介质

在做高温滤失性试验时，一般的滤纸超过160℃时将会由于高温的作用发生碳化，常会压穿滤纸导致实验失败。有些实验人员采有变通的办法，使用两层或多层高温高压滤纸进行实验，虽然可以减少滤纸被压穿的机率，但测得的数据与单层滤纸测得的数据有较大区别，测试结果并不完全真实可靠。要解决此问题，可以选用耐高温的玻璃纤维滤网或不锈钢高温介质盘(耐温可达300℃)作为过滤介质。还有一种办法，就是根据需要模拟的地层的渗透率，选用与之相匹配的人造岩心滤盘进行试验。

(3)设定相同的温度和压力进行平行性实验

温度和压力对于高温高压滤失性的测试结果影响较大，即使是同一个实验人员使用同一台高温高压滤失仪，其控制的温度和压力每次也不完全相同，这就导致了测试结果的平行性不好。要解决此问题，可以选用四联高温高压滤失仪进行测试。由于其正压和回压由同一套压力管汇分别进行控制，四个样品的正压和回压可以达到完全一致，平行样品测试结果的平行性和对比性得到了极大提高。

(4)使用更先进的测试仪器

使用Fann PPA手动滤失封堵测试仪之类的先进仪器，测试钻井液的滤失量可得到更加科学、合理、准确的测试结果，能更真实地模拟钻井液在实际状态下的滤失特性。

4 结论

钻井液在高温高压环境下的滤失特性对于深井、超深井的安全、优质、快速钻进具有极其重要的作用，选择更加先进的Fann PPA或APPA滤失封堵测试仪测试，可以得到更加符合井下高温高压环境条件的测试结果；同时，选择合适的过滤介质和测试条件，有利于实验顺利完成，提高实验的平行性和重复性，减少由于测试结果有差异而引发的诸如产品质量是否合格等方面的争议。

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