内核纳米乳液用于塔西南地区钻井液的优化

盛勇，叶艳，朱金智，宋瀚轩，张震，周广旭，王涛

（1.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

塔里木盆地是我国陆上最大的含油气盆地，具有丰富的油气资源，是目前国内增储上产潜力最大的盆地之一，但塔里木盆地油气藏普遍为超深层并且地质构造复杂程度高，勘探难度极大。塔西南地区是塔里木盆地重要的油气资源勘探开发区，拥有巨大的勘探潜力[1-8]，但由于塔西南地区地层条件复杂，在所钻井当中普遍发生井漏、遇阻、卡钻、坍塌等复杂井况，限制了油气资源的有效开采。因此，井壁失稳及复杂井况的发生是该地区开发过程中的难点所在。对塔西南地区已钻井复杂情况进行了分析，得到了该地区井壁失稳的原因，在此基础上，通过对当前钻井液体系进行分析，采用自主研发的内核纳米乳液优化并进行了室内评价。

1 井壁失稳原因分析

塔西南地区地层条件复杂，复杂井况频发，在已钻井中井漏、卡钻、划眼、压井、坍塌、遇阻、溢流皆有发生。其中，井漏复杂发生高达30 余次，卡钻复杂发生10 余次，钻井周期最高达到719 d，复杂情况的发生严重制约了该地区油气资源的勘探开发。以英深*井为例，该井钻井周期高达691 d，是一口井深7258 m 的预探井，在钻井过程中，英深*井的复杂井况以井漏及卡钻为主，该井上部地层中存在多个压力系统，同时地层中存在裂缝，导致发生井漏及溢流，而下部地层中砂岩物性好且裂缝与微裂缝发育，导致发生多次井漏。该井由于复杂情况及事故的发生造成时间损失超过400 d。

通过对塔西南地区多口已钻井复杂井况进行分析，认为该区井壁失稳及复杂发生的原因主要为以下几方面。①砂岩物性好，且地层中裂缝与微裂缝发育程度高，地层破碎，极易发生渗漏并影响岩石力学强度。②部分地层中含有大量伊蒙混层，膨胀性及水化分散能力极强，进一步弱化了岩石强度并导致裂缝扩展。③该地层存在多套压力系统，非均质性强，充填物胶结程度差，受钻井液影响大，极易导致井壁失稳的发生。针对塔西南地区井壁失稳及复杂发生原因，采用高封堵强抑制钻井液进行钻井开发。

2 现用钻井液体系

通过对塔西南地区井壁失稳的原因分析，现场采用抗高温抗盐能力较强的KCl-聚磺钻井液体系。体系中保持了高含量的KCl，能提高钻井液抑制性能，是一种抗高温性能好、抑制性能强、稳定性能好、润滑性好、适合复杂地层钻进的钻井液体系[9-11]。

在实验室模拟配制英沙*井现场钻井液，采用现场沥青、超细CaCO3、石蜡乳液作为封堵材料，测得钻井液浆性能如表1 所示，其中，以沥青为封堵剂钻井液的滤失量最低，为6.5 mL，以超细碳酸钙为封堵剂的钻井液滤失量为8.5 mL，以聚合醇为封堵剂的钻井液滤失量为8.5 mL。通过对比泥饼和滤失量，这些材料并没有达到要求，而且由于这些材料尺寸较大，不能针对地层中微纳米孔隙进行封堵。

表1 常规材料优化钻井液性能评价

为更好优化该体系，在基础配方中添加纳米材料，选取了纳米氧化铝、纳米氧化镁、纳米氧化硅和纳米石蜡乳液来进行体系优化，采用OCMM 欧美克粒度分析仪对上述3 种纳米材料进行了粒径分析，测试结果可见，这些纳米材料在溶液中发生了团聚，并没有分散成为纳米级别。纳米材料优化钻井液的性能见表2。

表2 纳米材料优化钻井液的性能评价

由表2 可知，添加纳米氧化铝后钻井液滤失量降低了1 mL，添加纳米氧化镁后钻井液滤失量降低了3 mL，添加纳米二氧化硅后钻井液滤失量降低了4 mL，添加纳米石蜡乳液后钻井液滤失量降低了2.5 mL。这些纳米材料封堵效果不明显，所以需要在体系中引入新材料进行优化。

3 内核纳米乳液

3.1 研究现状

常规材料的应用已经不能满足当前钻井液开采开发的要求，学者们对新型材料进行了大量的研究应用，如Aramendiz，J[12]通过石墨烯纳米片和纳米二氧化硅进行复合，定制了一种二氧化硅纳米颗粒（SiO2-NPs），该材料的应用使分散度降低了35.61%，但这种复合材料也避免不了团聚发生，不能起到好的分散效果。赵春花[13]等人在PEC 钻井液体系中加入3%防冻乳化石蜡PF-EPF。加入3%PE-EPF 后钻井液的PPT（5 μm 沙盘）滤失量从 17.2 mL 减少到 6.4 mL，取得了很好的应用效果。刘岳龙[14]等人研制了一种酚醛树脂冻胶，在直径 ＜1 mm 的细管中冻胶突破压力梯度＞2 MPa/m，有效封堵了红河长8 油藏的直通型裂缝。虽然这些材料在评价中均取得了较好的效果，但材料的性能单一，不能适用于塔里木西南区块复杂的地质状况。

针对塔里木盆地西南区块地质情况，由于微纳米孔隙裂缝所引起的复杂井况，现有研究的新型材料不能有效封堵并且对黏土矿物产生抑制，所以采用中国石油大学（北京）自主研发的内核纳米乳液进行优化作业[15-18]。

3.2 内核纳米乳液

3.2.1 内核纳米乳液粒径分布

通过对比以上固相纳米材料，纳米SiO2的封堵效果最好，并且由于纳米硅表面有大量的官能团，表面改性技术成熟。所以中国石油大学（北京）以纳米二氧化硅为基础，研制了一种分散性良好的内核纳米封堵液。首先通过对二氧化硅疏水改性，然后均匀分散于油相当中，通过复配表面活性剂、助表面活性剂来合成一种高分散性纳米内核乳液。

图1 为内核纳米乳液的粒径分布图，其粒径在100 nm 左右，具有很好的分散性。这种材料可以明显改善滤饼质量，降低滤失量。并可以在微纳米裂缝、孔隙进行封堵，减小由于微纳米孔隙、裂缝漏失所引起的复杂井况。

图1 内核纳米乳液粒径分布图

3.2.2 内核纳米乳液作用机理

不同于现有材料单一的刚性或柔性封堵，该内核纳米乳液内部含有大量的油相以及刚性纳米SiO2。其中刚性纳米SiO2会在孔隙、裂缝中运移黏结、架桥进行封堵作业。可变形的油相，可以对刚性架桥间缝隙进行柔性填充封堵，在裂缝及孔隙内形成了“软+硬”封堵体系。并且由于表面活性剂的吸附作用会对岩石以及黏土表面进行润湿翻转，减小了黏土矿物吸水膨胀。

3.2.3 纳米内核乳液应用室内评价

1）滤失造壁性能评价。在基浆中添加不同加量的纳米封堵剂，测得钻井液各项性能见表3。在添加内核纳米乳液后，不改变钻井液的密度与黏度，高温高压滤失量与泥饼厚度明显下降，并且形成了薄而致密的泥饼。

表3 英沙*井现场钻井液性能

2）封堵性能评价。对于微纳米孔隙的封堵效果，评价方法也是多种多样，目前并没有统一的标准，主要有人造介质滤失、动态伤害仪、压力传递和承压强度实验等，对此，应用中国石油大学（北京）储层改造中心自主设计研发的基于压力脉冲法的压力传导仪[19]进行评价。压力传递方法基本原理是在岩心上下游建立初始压差，实时监测下游封闭流体的压力变化，其中上游为待测流体，下游为模拟地层水。压力传导实验见表4。

表4 压力传导实验

从表4 可以看出，添加内核纳米乳液之后，上下游压差为0.337 MPa，封堵效率为32%。优化后压力较优化前下游压力减小0.308 MPa，相对封堵率较为优化前提高37%。证实了内核纳米乳液具有高效的封堵能力。如图2 直观图所示，优化后较优化前平衡时间缩短，优压力减小0.330 MPa，因此添加5%内核纳米乳液的钻井液滤液提高了钻井液封堵效率，达到了预期封堵效果。

图2 优化后钻井液压力传导

3）回收率评价。在后续使用该钻井液进行滚动回收率实验，取不同井深层位所对应的岩屑，分别在80 ℃下，测试清水、未优化钻井液和添加5%内核纳米乳液后的钻井液滚动回收率，结果见表5。

表5 英沙*井岩屑回收率

根据实验数据来看，清水回收率最小，也验证了该地层黏土矿物水化分散强。在原钻井液中添加内核纳米乳液后，大大提高了原钻井液回收率，使得钻井液具有良好的抑制性，降低了地层的水化分散能力，满足地层要求。

对以上数据进行直观图分析，见图3，明显可以看出优化后钻井液回收率明显增高，相对于之前钻井液有着很大的提升，并且相对于之前回收率小的层位提升尤为显著。

图3 英沙*井滚动回收率剖面图

4 结论

1.塔西南地区复杂频发，包括井漏、卡钻、划眼、坍塌、遇阻、溢流等。该地区地层破碎，裂缝发育程度高，同时存在井段膨胀性及水化分散能力极强，极易导致井壁失稳的发生。

2.对现场钻井液进行室内模拟，沥青、超细钙、聚合醇以及纳米材料均没有达到预期效果，优化后性能较优化前差距较小。

3.纳米乳液中内核SiO2进行架桥填充，乳液中油膜进行可变形填充，2 者构成“软+硬”封堵体系。内核纳米乳液中含有的油相可以通过大量的表面活性剂分子连接覆盖孔隙裂缝表面，对水渗透形成了阻隔作用，起到了一定的封堵抑制性能。

4.内核纳米乳液粒径分布在100 nm 左右，可以改善泥饼质量，在钻井液中添加5%纳米内核乳液后，钻井液的高温高压滤失量降至3.8 mL，压力传导法显示优化后压力减小0.337 MPa，平衡时间为125 min；回收率实验得到优化后钻井液的回收率达到85%，说明该内核纳米乳液可以对微纳米孔隙进行有效封堵。