GPC-200型耐200℃高温随钻堵漏剂的研制及性能评价

2018-07-04熊正强赵长亮郑宇轩李艳宁

地质装备 2018年3期

熊正强，赵长亮，郑宇轩，李艳宁

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2. 山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，山东德州 253072)

0 引言

井漏是钻井工程中一种常见的井下复杂情况。目前治理渗透性漏失的有效办法主要是采用随钻堵漏技术，即在钻井液中加入一定量的随钻堵漏材料，以形成较好的封堵层，从而实现随钻即堵防漏。由于用于渗透性堵漏时随钻封堵材料加量少、方法简单且不需要停钻处理，因此该类材料在钻井施工中已得到广泛的应用。

随钻堵漏剂一般分为三类，分别为由桥接堵漏材料组成的随钻堵漏剂、可膨胀型聚合物堵漏剂及超低渗透处理剂[1]。随着我国深部油气资源开发、干热岩钻探及深部科学钻探工程等实施，深部钻遇裂隙地层与破碎地层越来越多，此类地层温度可能高于200 ℃，这就要求随钻堵漏材料必须具有良好的抗温性能、封堵性能及承压能力。为了提高随钻堵漏剂的抗温性能，研究人员主要通过加入抗温型桥接堵漏材料。例如，中石油冀东油田分公司钻采工艺研究院[2]在随钻堵漏剂配方中添加矿物纤维及抗高温硅基凝胶变形颗粒，研制了一种抗150 ℃高温随钻堵漏剂；中海油油田化学研究院[3]以具有良好抗高温性能的刚性粒子、软性粒子与可变形粒子为原料，研制了一种抗200 ℃高温随钻承压增强剂。另外，近几年还研制了几种新型抗高温随钻堵漏材料，如弹性石墨、核-壳结构的聚合物粒子[4]。

针对现有随钻堵漏剂高温下发生碳化甚至失效导致堵漏效果差的问题，通过堵漏原料优选以及不同堵漏材料形状、粒度匹配研究，研制了GPC-200型耐200 ℃高温随钻堵漏剂。该随钻堵漏剂抗高温封堵效果好，对钻井液性能影响小，可用于渗透性与裂缝性地层随钻堵漏以及破碎地层井壁稳定。

1 耐200 ℃高温随钻堵漏剂研制

耐200 ℃高温随钻堵漏剂主要由刚性颗粒、纤维材料、变形颗粒及降滤失材料等原料组成。

1.1 设计思路

耐200 ℃高温随钻堵漏剂作用原理为物理封堵防塌，即通过架桥、悬浮拉筋、变形填充及屏蔽降滤失等协同作用来封堵破碎地层以及漏失地层。耐200 ℃高温随钻堵漏剂应具有以下性能：①良好的抗高温稳定性，能耐200 ℃高温；②良好的封堵性能；③不能影响钻井液的流变性。开展耐200 ℃高温随钻堵漏剂研究，关键是优选合适的耐200 ℃高温原料，其次是不同原料粒度的匹配性研究。

1.2 原料优选

1.2.1 刚性颗粒优选

常用的刚性颗粒主要有核桃壳、果壳、蛭石、碳酸钙及硅藻土等，不同刚性颗粒优选评价结果详见表1。表中实验条件A：室温，B：200 ℃老化16h，下同。

表1 不同刚性颗粒优选评价结果(2%加量)

从表1可看出，当加入的刚性颗粒粒径较大时(目数小于80)，颗粒会进入外筒与转子之间的间隙，导致600转读数数值变化大。另外，经200 ℃老化16 h后，较大粒径的刚性颗粒均会使基浆的API滤失量明显增加，而加有325目碳酸钙的基浆API滤失量小于加有100目核桃壳的基浆API滤失量，这说明高温下325目碳酸钙粉末降滤失性能优于100目核桃壳。根据资料介绍，当温度达到180 ℃时，核桃壳与果壳的抗压强度会下降。因此，刚性颗粒优选325目碳酸钙。

1.2.2 纤维材料优选

常用的纤维材料主要有木粉、榆木粉、锯末、棉纤维及矿物纤维等，不同纤维材料优选评价结果详见表2。

表2 不同纤维材料优选评价结果(2%加量)

从表2可看出，200 ℃老化16 h后，加有木粉与榆木粉的基浆表观黏度数值明显增大，而且加有榆木粉的基浆API滤失量大于基浆的API滤失量。另外，200 ℃老化16 h后，加有木粉与榆木粉的基浆均有明显的糊味，说明木粉与榆木粉不能抗200 ℃高温。矿物纤维MF-1与MF-2与基浆的配伍性好，不会明显增加基浆的黏度，而且在200 ℃高温老化16 h后，仍具有较好的降滤失性能，因此，纤维材料优选MF-1与MF-2。

1.2.3 降滤失材料优选

钻井液降滤失材料包括纤维素类、淀粉类、合成聚合物类及树脂类等，不同抗高温降滤失材料优选评价结果详见表3。

表3 不同抗高温降滤失材料优选评价结果(2%加量)

从表3可看出，上述降滤失剂均具有较好的降滤失性能以及良好的抗高温稳定性，其中聚合物降滤失剂GSO、GSP-1与GSP-2还具有良好的增黏效果。根据API滤失量以及200 ℃ HTHP滤失量数值大小来看，GSP-2的降滤失性能最优。另外，由于耐高温随钻堵漏剂设计由多种惰性颗粒组成，为了使其加入钻井液后不影响钻井液的流变性能，需加入具有降黏功能的处理剂。因此，综合降黏和降滤失效果，降滤失材料优选GSP-2与SPNH。

1.2.4 变形颗粒优选

常用的变形颗粒主要有沥青、橡胶粒、塑料颗粒及弹性石墨等，不同变形颗粒优选评价结果详见表4。

表4 不同变形颗粒优选评价结果

从表4可看出，当加入的变形颗粒粒径较大时(目数小于60)，颗粒会进入外筒与转子之间的间隙，导致600转读数数值不稳定；对比硅橡胶粒、乙丙橡胶粒与10～60目变形颗粒加入基浆后的API滤失量数值，可知变形颗粒TBX具有最优的封堵效果，能较好地降低基浆的API滤失量。另外，通过对比高温老化后的API滤失量数值，可知天津沥青颗粒具有更优的封堵效果。因此，变形颗粒优选10～60目变形颗粒TBX与100目天津沥青TLQ。

1.3 随钻堵漏剂配方优选

在单因素优选基础上，采用正交试验等方法进行耐200 ℃高温随钻封堵剂配方优选。采用六速旋转黏度计及中压滤失仪测定室温下耐高温随钻堵漏剂的常规泥浆性能，并采用高温高压滤失仪测试随钻堵漏剂在200 ℃高温、3.45 MPa压力及20～40目石英砂砂床下滤失30 min时的封闭滤失量。以表5为例，各配方性能测定结果详见表6。

表5 耐200 ℃高温随钻堵漏剂主要配方优选 %

表6 不同配方下的耐高温随钻堵漏剂性能测定结果(4%加量)

从表6可看出，室温下上述7组耐高温随钻堵漏剂加入基浆后，均会略微增加基浆的表观黏度(表观黏度增加值≤6 mPa·s)，但其API滤失量较基浆却显著降低。对比封闭时间与封闭滤失量数值，只有配方3能满足技术要求，说明配方3为耐200 ℃高温随钻堵漏剂(GPC-200)最优配方，即10% 325目碳酸钙粉末+20% MF-1+30% MF-2+10% TBX+10% TLQ+5% GSP-2+10% SPNH+5% GBH。

2 性能评价

2.1 常规泥浆性能评价

在4%钠土基浆中加入耐200 ℃高温随钻堵漏剂，考察GPC-200加量对基浆表观黏度(简称AV)及API滤失量(简称FL)性能的影响，具体结果详见图1、图2。

图1 不同GPC-200加量对基浆表观黏度影响

图2 不同GPC-200加量对基浆API滤失量影响

从图1和图2可看出，在室温及200 ℃老化16 h再冷却至室温下，随着GPC-200加量增加，加有GPC-200基浆的表观黏度均缓慢增加。例如，当GPC-200加量为4%时，室温下基浆的表观黏度为5.5 mPa·s，而200 ℃老化16 h后基浆的表观黏度为4 mPa·s；另外，随着GPC-200加量增加，加有GPC-200基浆的API滤失量先显著降低然后缓慢降低。例如，当GPC-200加量为4%时，室温下基浆的API滤失量从74 mL降至16 mL，而200 ℃老化16 h后基浆的API滤失量从46 mL降至15 mL。这说明GPC-200不会明显增加基浆的黏度，而且具有较好的降滤失性能。

2.2 高温高压滤失量测定

按照降滤失剂高温高压滤失量测定方法，分别配制4%钠土基浆以及“4%基浆+4% GPC-200”浆液，先将这两种浆液在200 ℃老化16 h再冷却至室温后，装入GGS71-B型高温高压滤失仪测试200 ℃高温及3.45 MPa压力下浆液的高温高压滤失量，测试结果详见图3。

从图3可看出，当在基浆中加入4% GPC-200后，其200 ℃高温高压滤失量数值从196 mL降至99 mL，高温高压滤失量降低率为49.5%。这说明GPC-200具有较好的抗200 ℃高温降滤失效果。

2.3 封堵效果测定

采用FA型可视砂床无渗透滤失仪评价GPC-200封堵效果，在室温下将200 ℃高温老化16 h后的浆液倒入可视砂床无渗透滤失仪中，在0.69 MPa压力及20～40目石英砂砂床下滤失，记录滤失30 min时量筒中滤液的体积，并记录滤液侵入砂层的深度，实验结果详见图4。

图4 室温下含GPC-200的基浆封堵砂床效果

从图4可看出，随着GPC-200加量增加，200 ℃老化后的浆液在砂床中漏失的滤液体积先大幅降低然后无漏失。例如，当GPC-200加量为0%时，滤液体积为500 mL；当GPC-200加量为1%时，滤液体积为82 mL；当GPC-200加量为2%时，滤液体积为0 mL。另外，随着GPC-200加量增加，浆液侵入砂床平均深度逐渐降低，侵入平均深度从19.6 cm(全部渗透)降至5.4 cm。从可视砂床无渗透滤失仪测定结果说明，GPC-200具有良好的抗200 ℃高温稳定性以及良好的封堵性能。

2.4 与现有抗高温封堵剂性能对比

与现有两种抗高温随钻封堵剂进行性能对比，具体结果详见表7。

从表7可看出，将325目碳酸钙粉末加入淡水基浆后，其API滤失量及封闭滤失量数值均大，说明单独使用碳酸钙粉末作为抗高温封堵剂效果不理想。当FT-3000加入基浆后，基浆的API滤失量数值降低显著，仅为3 mL，但是在200 ℃高温及3.45 MPa压力下，浆液在15 min时全部漏失完，其封闭滤失量为330 mL，说明抗高温防塌封堵剂(FT-3000)在200 ℃高温下封堵效果差。因此，与碳酸钙粉末及FT-3000相比，研制的GPC-200具有良好的抗高温封堵性能。