荧光显微镜在钻井液滤饼结构空间分布特征分析中的应用

姚如钢，彭春耀，张振华，丁光波，李淑敏

（1.中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后工作站，北京100101；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100101；3.中国石油大学（北京）博士后流动站，北京102249；4.中国石油集团长城钻探工程有限公司装备部，北京100101）

荧光显微镜在钻井液滤饼结构空间分布特征分析中的应用

姚如钢1，2，3，彭春耀2，张振华2，丁光波2，李淑敏4

（1.中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后工作站，北京100101；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100101；3.中国石油大学（北京）博士后流动站，北京102249；4.中国石油集团长城钻探工程有限公司装备部，北京100101）

姚如钢等.荧光显微镜在钻井液滤饼结构空间分布特征分析中的应用[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：26-30.

滤饼的物理化学结构是影响其质量好坏的内在因素，现有研究仍主要侧重于对滤饼表面微观形貌的表征和元素组成分析方面，很少见到对滤饼物理化学结构空间分布特征方面的研究分析。提出了一种应用荧光显微镜并结合Adobe Photoshop CS6图像处理软件分析钻井液滤饼物理化学结构空间分布特征的新方法，该方法通过统计白色（即原蓝色荧光）区域的像素值并计算其占比，即可直观地反映出不同层位处被测处理剂的含量变化情况。以自制的聚合物基无机纳米复合材料LX-2为对象的研究结果表明，滤饼中被测聚合物荧光面积呈现出“表层＞中间层＞底层”的空间分布特征，常规烘干法测得的滤饼吸附水含量以及灼烧法测得的聚合物处理剂含量与之呈现了相似的空间分布特征。结果认为，在钻井液中适当加入能够在高温高压及高矿化度条件下依旧具有较强水化、成胶能力，且能够有效提高其滤饼吸附水能力的可变形类处理剂是增强钻井液滤失造壁性能的重要途径之一。该新方法将有助于进一步认识钻井液滤饼物理化学结构空间分布特征及其对钻井液滤失造壁性能的影响。

钻井液滤饼；滤饼分层结构；荧光显微镜；Adobe Photoshop CS6图像处理软件

0　引言

钻井液滤失过程中所形成的滤饼在高压差条件下，需具有使滤失到地层的钻井液滤液体积最小以及阻碍、防止固相微粒侵入地层的特性[1]。早在20世纪40年代，钻井液工程师主要通过添加大量膨润土来控制钻井液滤失量，到了50年代，逐步开始引入以羧甲基纤维素羟乙基纤维素（CMHEC）为代表的聚合物作为控制滤失量的添加剂[2]，而在最近的30年里，沥青等开始广泛运用在钻井液领域[3-5]。使用各处理剂前，人们往往并不十分清楚为什么要选这种处理剂，为什么需要这么多加量。现场工程师通常是凭经验或其溶液的流变性测试和滤失造壁性能测试结果来决定处理剂的种类及其加量。在评价钻井液滤失造壁性能的过程中，国内外研究学者和现场工程师引入或设计了大量实验方案和实验设备评价泥饼质量的好坏。

滤饼物理化学结构是影响其质量好坏的内在因素，在过去的数十年里，研究人员提出了多种不同的仪器、方法来表征滤饼物理化学结构性质。X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线荧光分析（XRF）、粒度分析（PSD）、扫描电镜（SEM）、能量散射光谱仪（EDs）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、核磁共振（NMR）、计算机断层扫描（CT）以及冷冻干燥[6-14]等技术陆续被引入用于钻井液滤饼微观结构和组成分析中。显然，这些研究成果在一定程度上增长了人们对于滤饼微观结构的认识，提升了钻井液滤失造壁性能的调控技术水平，降低了井下井壁失稳等复杂事故的发生。

尽管近年来专家学者已经开始注意到滤饼微观结构对钻井液滤失性能的重要影响，但是目前仍主要侧重于对滤饼表面微观形貌的表征和元素组成分析，对滤饼物理化学结构空间分布特征方面的研究比较少见[15-16]。关于钻井液滤失造壁内在机理的研究还不够完善，对钻井液滤饼组成分布特征及其影响因素的认识还不够充分，开展相关研究对进一步弄清钻井液降滤失作用机理及降低钻井液滤失量的途径，发展并完善高温高密度钻井液流变性及滤失造壁性调控机理基础理论具有重要意义。

1　实验部分

1.1主要实验药品及仪器

主要实验药品：重晶石、SPNH及磺化沥青FT-1，工业品，中国石油钻井工程技术研究院；NaOH、Na2CO3及NaCl，分析纯，西陇化工股份有限公司；LX-2为自制聚合物基无机纳米复合材料。

主要仪器：ZNN-D6A型六速旋转黏度仪、鼓风干燥箱、GGS71-A型高温高压滤失仪以及马弗炉，青岛海通达专用仪器制造厂；FD-1A-50型真空冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；DM2500型Leica显微镜，徕卡仪器（德国）有限公司。

1.2样品制备及荧光显微图片的获取

滤失实验结束后，从钻井液杯取出滤饼并把多余的钻井液小心倒出，用自来水小心清洗去除残留在滤饼表面的虚泥饼后，用真空冷冻干燥机冷冻约1～2 h（或置于液氮中冷冻数分钟），切下约1 cm ×1 cm，置于鼓风干燥箱干燥6 h后保存，用于荧光分析，余下部分按厚度均分为表层、中间层和底层3部分用于滤饼吸附水含量和聚合物处理剂含量测试。

荧光测试时用04#（0.015 mm）以上规格砂纸，按相同方向打磨干燥滤饼至一定层位高度，确保待测滤饼层面光滑平整，以滤饼底部（靠近滤纸端）为基准的滤饼层位高度用滤饼层位h表示。待测样品置于DM2500型Leica显微镜下，在紫外偏振光照射样品后，含有LX-2的样品将可观察到蓝色荧光，通过配套软件扑捉图像供Adobe Photoshop CS6简体中文版软件分析处理。

1.3荧光图像处理

数据处理过程中，将荧光图像导入Adobe Photoshop CS6简体中文版软件，在直方图中记下所导入图像的像素值B。将容差设置为0，点击图像、调整、色调分离、色阶，把图像色阶修改为2，此时，图像蓝色荧光以外的色域全部调整为黑色，而蓝色区域则调整为白色。这时，点击魔板工具，单击选取黑色区域，即选中全部黑色区域，右键选择反向，在直方图中记下像素值A，荧光面积百分比F即可由F=A/B计算[17]。需要注意的是，F的值与色阶值等设置有关，在统一操作标准的条件下，其值反映的是LX-2在滤饼不同层的近似相对分布情况，F越大，说明LX-2的含量越高。

2　钻井液常规性能分析

在前期研究成果的基础上，得到1#配方：2%膨润土+0.3%Na2CO3+4%SPNH+2%FT-1+1%NaOH + 20%NaCl+重晶石（2.00 g/cm3）。由于LX-2是一种具有较好水溶性的聚合物基无机纳米复合材料，在高温高压以及高矿化度条件下依旧能够吸附自由水形成可变形胶体，从而堵塞滤饼微孔隙形成致密滤饼[16-18]，且LX-2在紫外偏振光照射下具有显著蓝色荧光特性，因此在1#配方的基础上，对比分析加入4%LX-2前后的钻井液流变性、滤失造壁性，并应用荧光显微镜观测LX-2在滤饼中的分布规律，以进一步认识其降滤失作用机理。如表1所示，钻井液在加入4%LX-2后，黏度和切力均有较大的提高，滤失量有较大降低。图1为钻井液高温高压滤失量与时间的关系曲线。

表1　钻井液常规性能测试

图1　钻井液高温高压滤失量与时间的关系

由图1可知，加入4%LX-2后，体系在200 ℃老化16 h后依旧能够较好地控制钻井液的滤失量，且在滤失中后期，滤失速率显著降低。

3　滤饼组成成分空间分布特征分析

研究表明，钻井液聚合物处理剂是影响钻井液滤失造壁性能的重要因素，滤饼中处理剂浓度的多少也将直接影响其致密性、韧性和润滑性等。为此，分析了高温高压滤饼中的吸附水及其聚合物处理剂LX-2含量空间分布特征。

3.1滤饼荧光分析

基于实验所用材料仅LX-2在紫外偏振光照射下具有显著蓝色荧光的特点（见图2），使用Leica DM2500荧光显微镜对LX-2在钻井液滤饼中的空间分布特征进行分析。为降低实验误差，每个滤饼平面存取7～11有效图像，不同层位典型滤饼荧光图像见图3。在加入钻井液后，经历了长时间的高速搅拌和高温作用，LX-2仍然是以颗粒状形式存在于滤饼中。

图2　实验用处理剂荧光分析

图3　不同层位典型滤饼荧光图像

为获取LX-2在滤饼不同层位的空间分布情况，应用Adobe Photoshop CS6图像处理软件，通过上述标准化流程获得滤饼不同层位荧光图像经色调分离后的图像，如图4所示。

图4　不同层位典型滤饼荧光图像经色调分离后的图像

通过统计白色（即原蓝色荧光）区域的像素值并计算其占比，即可直观地反映出不同层位处LX-2的含量变化情况。由图5可知，随着滤饼层位高度的增加，LX-2的荧光面积百分比逐渐增大，即被测滤饼中的荧光面积（即LX-2所占面积）呈现出“表层＞中间层＞底层”的分布特征，亦可近似认为是LX-2含量在逐渐增大。分析认为，滤失的过程中，钻井液受到压差的作用，其中的处理剂和固体颗粒形成滤饼，而自由水则从所形成的滤饼中被压榨出去。滤失实验初期，由于高温的作用，钻井液黏度、切力迅速下降，尤其是动切力将大大降低，使得样品中大量固体颗粒（密度较高、粒径相对较大的部分）因不能被聚合物处理剂分子形成的胶体粒子空间网状结构有效捕获、吸附而沉降[19]。显然，聚合物处理剂LX-2因具有较强的水化能力且其自身能够形成较强的胶体网架结构，因而在滤饼形成初期堆积或沉降较少；在滤失实验后期，即滤饼表面的形成过程中，由于前期大量颗粒（密度较高、粒径相对较大的部分）的沉降，胶体网架结构强度相对能够较好地满足悬浮剩余细微固体颗粒，聚合物与固体颗粒以相对一致的速度在滤饼表面均匀堆积。这将相对提高聚合物LX-2与固体颗粒的质量比，从而使得滤饼表层LX-2浓度明显高于其在底层的浓度。而一方面，滤饼中LX-2浓度的提高可显著增强滤饼在高温高压及高矿化度条件下对自由水的吸附能力；另一方面，其形成的可变形聚合物胶体颗粒在刚性颗粒间形成致密填充，减小颗粒间孔隙的实际尺寸，提高液体和微小颗粒通过滤饼的阻力，并进一步提高有助于形成致密滤饼的微小粒子的截流量。同时，LX-2浓度的提高使得滤饼中可变形的胶体粒子增多，也有利于堵塞孔隙并形成致密滤饼。

图5　滤饼不同层位的LX-2荧光面积百分比

图5蓝色线是荧光面积百分比的算术平均值，黑色横线是其正（右）负（左）误差值，也可以理解为该平面所有荧光面积百分比测试结果的最大、最小值或分布范围。

3.2滤饼吸附水含量与处理剂含量分析

滤饼吸附水含量用滤饼在100 ℃条件下干燥6 h直至恒重前后的质量变化百分数来表示。由于所使用的钻井液处理剂以LX-2、SPNH以及FT-1主要由C，H，O，N，S以及少量其他元素组成的有机物，绝大部分有机物均经700 ℃高温灼烧30 min后将几乎完全转变为气体而被清除，因此，待测样品中的聚合物处理剂浓度可近似通过其灼烧前后质量差与其干重之间的比值计算[15-16]。为进一步验证LX-2在高温高压滤饼不同层位的堆积浓度，将滤饼均分为表层、中间层以及底层3部分，分析了高温高压滤饼不同层位的吸附水及其聚合物处理剂含量空间分布特征。由表2可知，上述高温高压滤饼中的吸附水含量分布情况呈现出“表层＞中间层＞底层”的空间分布特征，聚合物处理剂浓度分布规律与其吸附水含量分布规律类似，这与滤饼荧光分析结果形成相互佐证。由此可见，在钻井液中适当加入能够在高温高压及高矿化度条件下依旧具有较强水化、成胶能力，且能够有效提高其滤饼吸附水能力的可变形类处理剂，是增强钻井液滤失造壁性能的重要途径之一。

表2　滤饼不同层位的吸附水与聚合物处理剂含量

4　结论与建议

1.提出了一种应用荧光显微镜分析钻井液滤饼物理化学结构空间分布特征的新方法，研究结果表明，被测聚合物荧光面积呈现出“表层＞中间层＞底层”的空间分布特征，常规烘干法测得的滤饼吸附水含量以及灼烧法测得的聚合物处理剂含量都与之呈现了相似的空间分布特征。

2.结合Adobe Photoshop CS6软件对荧光显微图像进行处理，可有效地确定有荧光处理剂在钻井液滤饼中的分布规律，该方法操作简便快捷，且结果受主观影响小。

3.该新方法将有助于进一步认识钻井液滤饼物理化学结构空间分布特征及其对钻井液滤失造壁性能的影响，为钻井液滤失造壁性能调控提供新的视角和依据。

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Application of Fluorescence Microscope in Analysis of Spatial Structure of Mud Cakes

YAO Rugang1,2,3, PENG Chunyao2, ZHANG Zhenhua2, DING Guangbo2, LI Shumin4
（1.Postdoctoral work station of CNPC GreatWall Drilling Company, Beijing 100101, China; 2. Drilling Fluids Branch of CNPC GreatWall Drilling Company, Beijing 100101, China; 3. Postdoctoral mobile station of China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 4. Equipment department of CNPC GreatWall Drilling Company, Beijing 100101, China）

The physicochemical structure of mud cake is the intrinsic factor controlling the quality of mud cakes, and fewer studies on the spatial distribution of the physicochemical structure of mud cakes have been conducted than the studies conducted on the surface microscopic morphology and element composition of mud cakes. A new method of studying the spatial distribution of the physicochemical structure of mud cakes using fluorescence microscope and the software Adobe Photoshop CS6 is presented. By measuring the pixels of the white （the original bluefluorescence） area and calculating their ratio， the concentration distribution of the tested additive in different layers of the mud cake can be seen directly. Using this method, a self-made compound (polymeric and nano） material， LX-2， was studied. The studies have demonstrated that the fluorescent area of polymers found in mud cakes takes on a spatial distribution of “surface layer > intermediate layer > bottom layer”. The quantity of adsorbed water of mud cake measured with conventional drying method and polymer content in the mud cake measured with incineration method all take on a similar spatial distribution such as that just mentioned. It is believed that addition in drilling fluids of deformable additives that still retain strong hydration capacity and strong colloid-formation capacity, and effectively render mud cakes water-absorptivity at elevated temperatures, high pressures and high salinity conditions, will be an important way of enhancing the quality of mud cakes.This new method willhelp in further understanding the spatial distributioncharacteristicsof the physicochemical structure and its effects on the wall building capacity of drilling fluids， and this in turn， provides a new perspective and basis of improving the wall building capacity of drilling fluids.

Mud cake; Layered structure of mud cake; Fluorescence microscope; Image process software Adobe Photoshop CS6

TE254

A

1001-5620（2016）02-0026-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.006

中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后基金项目“威远龙马溪地层水基钻井液高效封堵剂开发及体系研究”（2015B01）。

姚如钢，博士后，现主要从事页岩气井钻井用水基钻井液技术及井壁稳定方面的研究工作。电话（010）84379320；E-mail：yaorg.gwdc@cnpc.com.cn。

（2015-12-27；HGF=1601N9；编辑王小娜）