抗高温油基钻井液封堵剂PF-MOSHIELD的研制与应用

2019-05-24王伟赵春花罗健生李超刘刚耿铁

钻井液与完井液 2019年2期

王伟，赵春花，罗健生，李超，刘刚，耿铁

(中海油田服务股份有限公司油田化学研究院,河北燕郊065201)

对于一些层理和微裂缝发育的硬脆性和破碎性地层，油基钻井液滤液的侵入会带来地层的不稳定因素[1-3]。此外，水力压力通过微裂缝传递也会导致井壁失稳[4-5]，因此，必须加强油基钻井液对微裂缝的封堵性。目前国内外在提高油基钻井液封堵性方面开展了大量的研究工作。张凡等开发了吸油树脂类的油基膨胀封堵剂，具有吸油膨胀和成膜封堵特点，但存在延迟性，不能有效封堵[6]。胡文军等利用乳化沥青、树脂、超细碳酸钙等多粒径材料提高封堵效果，但加量较大，导致流变性偏高，不利于现场作业[7]。王建华等以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯为原料开发出纳米聚合物封堵剂，但其粒径在50～300 nm，只对低渗岩心具有良好的封堵性能[8]。另外，这些封堵材料大多数没有化学活性，分散在油基钻井液中，当钻井液在地层的微裂缝中发生滤失时形成一些固相堵塞，随之嵌入裂缝中，具有一定物理封堵作用，但仅对某种尺寸的孔隙有效[9-10]；此外，高温下这些封堵材料在油基钻井液中易发生聚集，无法发挥原有效果[11]。为此，从提高非均质孔隙和裂缝的封堵效果和高温稳定性方面出发，开展了抗高温油基钻井液封堵剂的研制，并对该封堵剂的封堵性能和封堵机理进行了系统的评价和分析，并与传统封堵剂进行了对比，以期提高对油基钻井液封堵剂的机理认识。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验药品：氧化钙、氯化钙，化学纯；取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物，自制； 3#白油、油基封堵剂-1、油基封堵剂-2、油基封堵剂-3，工业品；磺化沥青、油溶性碳酸钙、油溶性二氧化硅、油基钻井液用主乳化剂（PF-MOEMUL）、辅乳化剂（PF-MOCOAT）、润湿剂（PF-MOWET）、有机土（PF-MOGEL）、重晶石，工业品，由天津中海油服化学有限公司提供。

实验仪器：Netzsch STA 449F1-F3同步热分析仪，耐弛科学仪器商贸有限公司；马尔文Mastersizer2000激光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司；DP90滴点软化点仪，梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；FEI Quanta650FEG扫描电子显微镜仪，美国FEI公司；六速旋转黏度计，FANN23E破乳电压仪，美国FANN公司；PPT渗透封堵仪，美国OFITE公司。陶瓷砂盘的孔径分别为3、5和10 μm。德国蔡司研究级数字透反射偏光显微镜Axio scope A1 Pol。

1.2 钻井液的流变性及电稳定性测定

按顺序加入320mL白油、1%PF-MOEMUL 、0.6%PF-MOCOAT、1.5%PF-MOWET、2.5%氧化钙、2.0%PF-MOGEL、80mL盐水（25%CaCl2），配制成400mL油包水乳化钻井液基液。基液配制好后，加入一定量的重晶石，配制成密度为1.5g/cm3的油基钻井液（标记为基浆）。

将油基钻井液抗高温封堵剂PF-MOSHIELD、油基封堵剂-1、油基封堵剂-2、油基封堵剂-3分别加入到基浆中，高速搅拌20min后，在150℃滚动老化16 h，冷却至室温，高速搅拌20min后用六速旋转黏度计测定流变数据，用破乳电压仪测定破乳电压。

1.3 钻井液的封堵性评价

为了更准确地模拟和测量钻井液体系在钻井过程中的封堵性能，笔者选择利用高温高压渗透封堵仪（PPT）评价。高温高压渗透封堵仪是目前国内外普遍使用的封堵评价设备，PPT能在存在压差情况下准确预测钻井液如何形成渗透性滤饼以封堵漏失[12]。该渗透封堵仪使用传统的高温高压加热套模拟地层温度，钻井液杯反向放置，压力从钻井液杯底部进入，滤液从上部收集，过滤介质为陶瓷砂盘，压差最大可以达到28mPa。

2 结果与讨论

2.1 封堵剂PF-MOSHIELD的研制

目前国内外油基钻井液用封堵剂大多数由乳化沥青、氧化沥青、橡胶粉、沥青树脂或石墨小球等组成，这些材料大多数没有化学活性，具有一定物理封堵作用；且只针对某种大小的孔隙有效，当存在非均质孔隙和裂缝时，其作用有限；尤其，这些封堵剂高温下在油基钻井液中易发生聚集，从而不能有效封堵[13-15]。因此，从提高广谱性封堵效果和高温稳定性出发，要求性能良好的抗高温油基钻井液封堵剂必须具备3个条件：一是封堵剂的抗高温稳定性好，在油基钻井液中不发生聚集；二是封堵剂要有吸附基团和较长的碳链，高油溶物含量，同时具备化学封堵和物理封堵；三是封堵剂的粒径分布范围要宽，以利于提高封堵各种不同宽度裂缝的能力。基于上述3个条件，室内成功研制出抗高温油基钻井液封堵剂PF-MOSHIELD，其主要由采用独特的化学改性剂和生产工艺制备的磺化沥青、油溶性碳酸钙、纳米二氧化硅和不同烷烃链长取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物（自制）等组成的复合物。

2.2 封堵剂PF-MOSHIELD的物性表征

2.2.1 热稳定性

抗高温油基钻井液封堵剂PF-MOSHIELD的热稳定性可通过热重分析仪分析。如图1所示，PF-MOSHIELD的热分解起始温度约为378℃，此时PF-MOSHIELD中的共聚物和磺化沥青开始分解，残余质量分数为94.69%，表明PF-MOSHIELD的热稳定性好。在435℃附近，热重曲线近似直线下降，共聚物和磺化沥青分子中的主链开始分解，至600℃附近残余质量分数为43.33%，这些未分解的物质多为油溶性碳酸钙、纳米二氧化硅等物质，从而表明该物质具有较高的热稳定性。

图1 抗高温油基钻井液封堵剂 PF-MOSHIELD的热失重曲线

2.2.2 在油相中的分散稳定性

为了考察高温老化后的抗高温油基钻井液封堵剂PF-MOSHIELD在油相中的分散稳定性，选择以3#白油作为油相，并与传统的油基封堵剂在油相中的分散稳定性进行对比。固定每种油基封堵剂的加量为0.5%，在150℃滚动老化16 h，冷却至室温，高速搅拌20min后转移到试管中静置观察。如图2所示，经24 h的静置，传统油基封堵剂-1的上清液中几乎全为油相，固相颗粒完全沉降在底部，而油基封堵剂-2、油基封堵剂-3和PF-MOSHIELD仍然可以保持一定的稳定分散性，说明PF-MOSHIELD在油相中具有较好的分散稳定性。这主要是由于PF-MOSHIELD中有较多的吸附基团和较长的碳链，油溶物含量较高，因此在油相中的分散稳定性较好。

图2 PF-MOSHIELD与传统封堵剂在3#白油中的分散稳定性（加量均为0.5%，在150℃滚动16 h后静置）

利用显微镜技术可以直接观测PF-MOSHIELD与传统封堵剂在3#白油中的分散胶体颗粒的大小和形状，更为直观地表征封堵剂在油相中的分散稳定性。图3给出了不同封堵剂在3#白油中在 150℃老化16 h之后的分散情况。可以清晰地看到，油基封堵剂-1在3#白油中分散的胶体颗粒发生显著的聚集，从而高温老化后固相颗粒完全沉降在底部；而油基封堵剂-2和油基封堵剂-3在3#白油中分散的颗粒粒径比较小且分布比较均匀，所以他们在3#白油中的分散稳定性较好，但由于粒径分布范围较窄，只能封堵部分微裂缝和孔隙；而高温老化后，PF-MOSHIELD在3#白油中的分散稳定性比较好，粒径小的颗粒均匀分散，同时也存在一些粒径较大的颗粒，且没有发生聚集。进一步证实了PF-MOSHIELD在3#白油中的分散稳定性较好。

图3 PF-MOSHIELD与传统封堵剂在3#白油中在150℃滚动老化16 h之后的显微镜照片

2.2.3 软化点和粒径分布分析

为了进一步分析抗高温油基钻井液封堵剂的性能，对比了PF-MOSHIELD与传统油基封堵剂的软化点和粒径分布范围。软化点的测定根据GB/T 4507—999沥青软化点测定法（环球法）的工作原理[16]，利用DP90软化点测定仪测量油基封堵剂的软化点，并利用马尔文2000激光粒度分布仪对他们的粒径分布进一步测试，见表1。由表1可知，PF-MOSHIELD的软化点最高，为260℃，而其它商业化的封堵剂的软化点都小于200℃，从而进一步证实了PF-MOSHIELD具有较高的耐高温性能。PF-MOSHIELD的颗粒粒度分布优于传统的3种油基封堵剂，主要由于PF-MOSHIELD的主要成分是采用独特的化学改性剂和生产工艺制备的磺化沥青、油溶性碳酸钙和油溶性二氧化硅和取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物，其粒度分布更广，从溶解的胶体颗粒到与粉碎的沥青粒子相当大的固体大颗粒，都存在于体系中，颗粒粒度范围宽，提高了封堵各种不同宽度裂缝的能力。

表1 PF-MOSHIELD与传统封堵剂的粒径分布范围及软化点数据

2.3 封堵剂PF-MOSHIELD的性能评价

2.3.1 对油基基浆性能的影响

从表2可知，加入不同加量的PF-MOSHILED，经过150℃热滚16 h后，油基钻井液的黏度和切力都有所增加，但是增加的幅度不大；破乳电压也有明显的提高，说明PF-MOSHIELD的加入有助于提高油基钻井液的电稳定性。

2.3.2 对油基基浆封堵性能的影响

在油基基浆中分别加入不同浓度的抗高温油基封堵剂PF-MOSHIELD，150℃热滚16 h后考察PF-MOSHIELD对封堵效果的影响，测试温度为 150℃，压差为13.79mPa，砂盘孔隙度为5 μm，时间为60min，结果见图4。PF-MOSHIELD的加入对油基基浆渗透封堵效率的影响如图5所示。

表2 不同加量的PF-MOSHIELD对油基钻井液流变性和电稳定性的影响

图4 PF-MOSHIELD加量对油基基浆PPT滤失量的影响（150℃、16 h）

图5 PF-MOSHIELD对油基基浆PPT 滤失速率的影响（150℃、16 h）

由图4可知，在油基基浆中加入2%～3%的PF-MOSHIELD，可明显减小渗透封堵PPT滤失量，使得基浆的PPT滤失量从22.6mL减少到2mL左右，渗透封堵率大于91%，形成的滤饼较薄并且致密。因此在油基基浆中，PF-MOSHIELD的适宜加量为2%～3%。由图5可知，加入2%PF-MOSHIELD后，随着时间的延长，加入PF-MOSHIELD后油基钻井液的滤失速率显著减小。经数学模型拟合后，加入PF-MOSHIELD的油基钻井液，在测试 300min后，其滤失速率小于0.01mL/min，几乎接近于零。从而表明PF-MOSHIELD能较好地渗入到砂盘中形成“内滤饼”，具有较好的封堵效果[3]。

通过扫描电镜观察PF-MOSHIELD封堵前后的砂盘内部微观结构，进一步证实了其在砂盘内部形成了“内滤饼”，如图6所示。由图6可以看出，未封堵的砂盘呈现疏松多孔的结构，而经过2%的PF-MOSHIELD封堵后的砂盘切片扫描电镜图像，反映出其孔隙结构相对致密。说明PF-MOSHIELD能在砂盘内形成封堵层，能较好地封堵砂盘内孔隙，达到了封堵及承压的功效。其原因主要是由于 PF-MOSHIELD中可变形的疏水改性的磺化沥青和自制的软颗粒取代的苯乙烯丙烯酸酯共聚物侵入到固体颗粒之间的空隙并在压差下变形，从而在砂盘中形成了“内滤饼”。

图6 砂盘封堵前后截面切片的SEM对比

分别考察了PF-MOSHIELD对孔隙度为3、5和10 μm的陶瓷砂盘的封堵效果，结果见图7。由图7可以看出，对于油基基浆来说，不同渗透率下测得的PPT滤失量都很大；而加入2%的 PF-MOSHILED，对应的PPT滤失量都显著降低。说明PF-MOSHIELD能够封堵多尺度的孔隙，这主要是由于PF-MOSHIELD的粒度分布广，从溶解的胶体颗粒到与粉碎的沥青粒子相当大的固体大颗粒，都存在于体系中，颗粒粒径分布范围宽，大大提高了封堵各种不同宽度裂缝的能力。

图7 PF-MOSHIELD对不同孔径的砂盘的封堵效果

2.3.3 与传统油基封堵剂封堵性能的对比

固定相同的加量（2%），考察抗高温油基钻井液封堵剂PF-MOSHIELD与传统油基封堵剂的封堵性能，如图8所示，测试温度150℃，压差为13.79mPa，砂盘孔隙度为5 μm。

图8 不同种类的油基封堵剂对油基钻井液PPT滤失量的影响

由图8可知，加入PF-MOSHIELD的油基钻井液在150℃热滚16 h后，其对应的PPT滤失量都显著小于其它封堵剂对应的PPT滤失量，且其PPT滤失量随时间的变化呈现为对数的变化规律，证明该类封堵剂能够在砂盘中除了形成“外滤饼”之外，还能形成“内滤饼”[3]；而加入其他传统封堵剂的PPT滤失量随着时间呈现线性的关系，说明传统的油基封堵剂只能在砂盘表面形成“外滤饼”。这主要是由于传统的油基封堵剂是随机分散在油基钻井液中的，当油基钻井液在地层的微裂缝中发生滤失时，形成钻井液固相颗粒随之嵌入到裂缝中。而PF-MOSHIELD中的主要成分为特殊改性的磺化沥青和取代的苯乙烯丙烯酸酯的共聚物，这两类物质具有较长的烷基链，稳定分散在油基钻井液中形成胶体颗粒，在压差的作用下发生变形参与内滤饼”的形成，如图9所示。此外，磺化沥青中也含有少量的磺酸基团，可吸附、包被于带正电荷的页岩破裂端面，形成一层“隔离膜”，因此该类封堵剂能够增强油基钻井液对地层微裂隙的封堵效果，维持井壁稳定。

图9 PF-MOSHIELD在油基钻井液中的封堵作用机理示意图

3 PF-MOSHIELD的应用

抗高温油基封堵剂PF-MOSHIELD在南海西部北部湾油田的WZ6-9、WZ12-1等区块的16口井成功进行了现场应用。该区块的地层特性为断层多、段距长、微裂缝发育，坍塌压力大，极易垮塌。其中在涠洲组泥岩和目的层段流二段，早期使用传统的油基钻井液作业曾发生井壁失稳、起下钻困难和电测遇阻等复杂情况，其主要原因在于早期传统的油基钻井液性能不是十分理想，且封堵效果差，难以在泥页岩近井壁带形成良好的封堵层，无法阻止钻井液滤液进入泥页岩的微裂缝，从而不能有效阻止泥页岩地层孔隙压力的传递。下面以WZ6-9-A16H1井为例，介绍PF-MOSHIELD的现场应用效果。

WZ6-9-A16H1井采用了中海油服研制的PDFMOM油基钻井液体系，钻至井深2030、2667、2903m处进行的短程起下钻作业均顺利。其中进入流一段即2540m后，钻遇大套页岩，由于在2440～2658m井段层理和微裂缝发育，补充加入PF-MOSHIELD，维持其在钻井液中2%的有效含量，钻至井深3016m中途完钻循环，直接起完钻，整个作业过程顺利。表3为二开井段的PDF-MOM油基钻井液性能。由表3可知，钻进期间钻井液流变性能稳定，破乳电压高，乳化稳定性较好，PPT渗透滤失量为1.6～2.4mL；同时该井的钻井液作业顺利，未发现泥岩掉块，体现了抗高温油基钻井液封堵剂PF-MOSHIELD能够减小泥页岩中孔隙压力传递、维持井壁稳定和提高作业时效。