新型井壁承压增强剂的制备及评价

张　伟，苗海龙，邓义成，薛凯华

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河065201）

新型井壁承压增强剂的制备及评价

张伟，苗海龙，邓义成，薛凯华

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河065201）

张伟等.新型井壁承压增强剂的制备及评价[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：45-49.

海上钻井过程中经常会钻遇易漏层，从而影响钻进速度，严重损害储层。研制了一种由刚性粒子、软性粒子及可变形粒子组成的新型井壁承压增强剂ENPRES-Seal，通过可视砂床实验确定刚性粒子、软性粒子、可变形粒子的配比为2∶1∶2。评价结果表明，ENPRES-Seal在钻井液中建议加量为2%～3%，其对钻井液流变性影响小，抗温可达200 ℃，用于钻井液时不糊筛，对孔径为0.180 mm筛的通过率大于85%，能够改善钻井液润滑性能，较好地封堵各孔径砂床，使地层承压能力达17 MPa，且泥饼质量较好。该剂在上海平湖区块一口高温高压井的应用表明，ENPRES-Seal有效地提高了地层承压能力，该井井底温度超过180 ℃，完钻密度为1.90 g/cm3。

承压增强剂；钻井提速；承压能力；泥饼质量；钻井液

海洋石油钻井投资巨大，昂贵的钻井日费以及庞大的作业开支，迫使人们必须降低作业周期，提高钻速，因此钻井过程中应以防漏为主、堵漏为辅，对于渗透性和微裂缝漏失采用合适的封堵材料进行随钻堵漏，可显著提高地层承压能力，减少钻井液漏失、提高钻速、节约作业成本[1]。为此，室内研制了一种新型井壁承压增强剂，与传统的承压增强剂相比，该处理剂含有的可变形细颗粒，能进入孔隙膨胀，进一步增加地层承压能力，达到防漏目的。

1　新型承压增强剂机理分析

20世纪80年代，美国桑迪拉实验室针对裂缝性漏失地层开展了大量堵漏实验（DEA13实验），认为堵漏材料可以在裂缝尖端形成封堵，并提出了“Tip Screenout”作用原理，即“封尾”理论[2]。继而学者Alberty等提出了“应力笼”模型[3-5]来描述井眼强化现象，其基本原理为：当钻井液液柱压力超过地层的破裂压力时，地层便会产生裂缝，裂缝形成后，固相颗粒迅速在裂缝的近井眼处形成封堵，就像“楔子”一样楔进裂缝中，对地层形成了压缩；此时钻井液的液柱压力通过“楔子”作用在裂缝的近井眼端的两侧，形成了压缩环，即“应力笼”，而它的产生使得井眼的强度得以提高。当钻井液液柱压力大于裂缝尖端的闭合应力时，漏失便会发生，因此，阻隔液柱压力向裂缝尖端的传导是承压堵漏的关键[6-8]。

新型承压增强剂是由刚性粒子、软性粒子以及可变形粒子按照一定比例混合而成。其中，刚性粒子抗压强度高，且具有很好的粒径分布，封堵漏失地层时，大颗粒刚性粒子对裂缝组成架桥粒子，小颗粒进行填充，进一步提高封堵层的强度[9]；软性粒子可通过缠绕和多点吸附作用增加摩擦阻力，在形成的堵塞中它们纵横交错、相互拉扯，从而增加封堵强度；可变形粒子起填充封堵作用，在小空隙内吸水膨胀后进一步填充孔隙，降低封堵环的渗透率，阻止滤液进入，提高封堵环的承压能力[10]。

2　室内研究

2.1新型承压增强剂的制备

新型承压增强剂选用的刚性粒子颗粒硬度是普通石灰石颗粒硬度的2倍。可变形粒子为两性离子型吸水膨胀聚合物，其制备方法如下：将阴离子单体和阳离子单体按一定比例用蒸馏水配制成15%的水溶液，分别加入到三口反应瓶中，然后加入少量交联剂搅拌均匀，用10%NaOH调节pH值为6～8，通入氮气30 min，升温至50 ℃，加入过硫酸铵引发剂，在50 ℃下恒温反应4 h后，升温至75 ℃保温3 h，可得一种高强度高韧性的两性离子弹性体，然后烘干、粉碎成一定粒径分布的颗粒状物质。

根据石油天然气行业标准SY/T 5840—2007，优选出基浆：4%海水膨润土浆+0.2%NaOH+0.2% Na2CO3+0.35%PAC-HV，通过可视砂床实验分别优选出刚性粒子、软性粒子、可变形粒子[11]的比例，结果见表1。由表1可知，当刚性粒子∶软性粒子∶可变形粒子3种粒子配比为2∶1∶2时，砂床滤失量最小，封堵效果最好，因此确定刚性粒子、软性粒子、可变形粒子的配比为2∶1∶2，并定义此新型随钻承压增强剂，代号为ENPRES-Seal。

表1　加有不同封堵剂钻井液的可视砂床实验

2.2新型承压增强剂加量优选

配制基浆，利用可视砂床实验，改变新型承压增强剂ENPRES-Seal加量，优选加量，实验结果见表2。由表2可知，当承压增强剂ENPRES-Seal加量小于2%时，侵入深度较大，而加量达到2%以后侵入深度为3.5 cm以下，封堵效果较好，同时考虑到成本问题，建议加量为2%～3%。

表2　承压增强剂ENPRES-Seal加量优选实验结果

2.3新型承压增强剂对钻井液流变性影响

在PEM体系中评价ENPRES-Seal对钻井液流变性的影响，结果见表3。

表3　ENPRES-Seal对钻井液流变性影响实验结果

由表3可知，PEM体系中加入ENPRES-Seal后，120 ℃老化16 h后表观黏度变化率为0，说明该处理剂对体系流变性无影响，这是由于该随钻承压增强剂中不含聚合物，且都是由惰性材料组成。

2.4新型承压增强剂抗温性评价

在抗高温体系中加入ENPRES-Seal，不同温度老化以后，利用可视砂床实验评价体系侵入深度，实验结果见表4。由表4可知，新型承压增强剂在抗高温体系中不同温度老化以后，其侵入深度变化不大，由此可知，其抗温性可达200 ℃。抗高温钻井液配方如下。

1%淡水膨润土浆+0.4%NaOH+0.3%Na2CO3+ 0.5%Dristemp+4%PF-SMP+4%PF-SPNH HT+ 2%TEX+2%PF-LSF+3%CaCO3

表4　ENPRES-Seal在抗高温钻井液中的抗温性能

2.5新型承压增强剂粒径及过筛情况评价

1）粒度分析实验。承压增强剂在加入到钻井液中以后，一定要控制其粒径以确保其顺利通过振动筛，通过粒度分析实验对比新型承压增强剂与FLC-2000（国外同类顶级产品）的粒径分布，结果见图1。由图1可知，新型承压增强剂ENPRESSeal细颗粒所占体积要比FLC-2000细颗粒所占体积大，说明相同条件下ENPRES-Seal比FLC-2000更容易过筛。

图1　FLC-2000和ENPRES-Seal粒径分布图

2）过筛情况评价。在基浆中加入堵漏剂在120 ℃下老化16 h，分别用孔径为0.280 mm和0.180 mm筛过筛，对筛余物在105 ℃下烘干，计算筛余量，结果见表5。由表5可知，ENPRES-Seal筛余率明显低于FLC-2000，说明其更容易过筛。

表5　堵漏剂过筛情况评价

2.6新型承压增强剂润滑性能评价

分别在PEM、PEC体系中评价ENPRES-Seal对钻井液润滑性能的影响，并与国外同类产品对比，结果见表6。由表6可知，加入ENPRES-Seal后，2种体系的黏附系数与润滑系数都降低，说明ENPRES-Seal能改善体系的润滑性，这是由于ENPRES-Seal颗粒粒径较小，当在钻井液中有效分散时可以直接吸附到摩擦表面的划痕和微坑处，在摩擦表面形成“滚珠轴承”效应，使滑动摩擦变为滚动摩擦，起到降低扭矩的作用，而FLC-2000对钻井液润滑性无改善作用。钻井液配方如下。

PEC3%海水膨润土浆+0.3%NaOH+0.2% Na2CO3+0.15%PAC-HV+2%TEMP+2%LPF+ 0.1%XC+0.3%PLUS +1%JMH-YJ

表6　ENPRES-Seal与国外产品对钻井液润滑性的影响对比

2.7新型承压增强剂堵漏性能评价

2.7.1砂床封堵、砂盘封堵评价

在不同钻井液中分别加入ENPRES-Seal、FLC-2000，120 ℃、16 h老化后评价其砂床和砂盘封堵效果，结果见表7。由表7可知，ENPRESSeal在PEM和PEC体系中封堵砂床能力与国外同类产品FLC-2000效果相当；封堵渗透率为5、10 μm2的砂盘时，ENPRES-Seal要好于FLC-2000。

表7　不同体系在不同粒径砂床中的封堵效果

2.7.2封堵后砂盘电镜扫描

通过扫描电镜，观察ENPRES-Seal封堵前后砂盘内部微观结构，如图2所示。由图2可知，砂盘封堵前孔喉尺寸在100～200 μm之间，封堵之后大的孔喉消失，ENPRES-Seal进入地层中的孔喉后，能在其粗糙的表面及狭窄部位产生挂阻并架桥后逐渐形成低渗透的致密封堵体，封隔井内钻井液液柱压力与缝内压力之间的传播，说明ENPRESSeal能在砂盘内形成封堵层，较好地封堵砂盘内孔隙，达到封堵及承压的功效。

图2　砂盘封堵前后内部微观结构

2.8新型承压增强剂形成泥饼质量评价

为了评价在钻井液体系中加入封堵剂以后泥饼质量的改善程度，使用渗漏封堵仪（PPA），包括滤液漏失速率及清水漏失量评价。

1）滤液漏失速率评价。采用渗透率为5 μm2的砂盘，利用渗漏封堵仪在120 ℃、10 MPa下评价承压增强剂的封堵效果，结果见图3。由图3可知，2种承压增强剂的封堵效果相当，都能极大地提高PEM、PEC体系的封堵性能。

2）清水漏失量评价。在以上漏失速率测定的基础上，小心取出砂盘，将釜体内的浆倒出，然后倒入清水，小心放入砂盘。首先在常温、5 MPa下记录10 min清水漏失量，然后增大压力至10 MPa记录30 min内清水漏失量，结果见图4。由图4可知，ENPRES-Seal封堵砂盘效果与FLC-2000相当，防漏效果好。

图3　PEM和PEC体系滤液漏失速率评价

图4　各封堵剂清水漏失量评价

2.9新型承压增强剂承压能力测试

利用CDL-Ⅱ高温高压动态堵漏仪，分别在PEM、PEC体系中评价新型承压增强剂ENPRESSeal在高温高压动态情况下的承压能力，实验所用沙子粒径为0.154～0.280 mm，结果见图5、图6。

图5　PEM体系承压能力测试

由图5、图6可知，ENPRES-Seal能显著提高PEM、PEC体系的承压能力，承压达17 MPa。

图6　PEC体系承压能力测试

3　现场应用

PH13井为中海油上海平湖区块的一口开发井，井底温度超过180 ℃，完钻密度为1.90 g/cm3，属于高温高压井。在φ212.7 mm井段钻进时，在THERM体系中加入ENPRES-Seal。现场应用结果表明，ENPRES-Seal有效地提高了地层承压能力（现场地漏实验见表8），此井少下一层套管，避免了漏失，大幅减少钻井成本。

表8　PH13井φ212.7 mm井眼地层试验统计

4　结论

1.室内研制了一种由刚性粒子、软性粒子及可变形粒子组成的新型井壁承压增强剂ENPRES-Seal。

2.ENPRES-Seal在钻井液中建议加量为2%～3%，其对钻井液流变影响小、抗温可达200 ℃，用于钻井液时不糊筛，过孔径为0.180 mm筛通过率大于85%，能够改善钻井液润滑性能、较好地封堵各孔径砂床、提高地层承压能力达17 MPa，且泥饼质量较好。

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Preparation and Evaluation of New Borehole Wall Strengthening Agent

ZHANG Wei, MIAO Hailong, DENG Yicheng, XUE Kaihua
（Oilfield Chemicals R & D Institute, COSL, Sanhe, Hebei 065201, China）

Thief zones frequently encountered in offshore drilling often negatively affect drilling speed and do harm to reservoirs. A bore hole strengthening agent, ENPRES-Seal has been developed to enhance the strengths to bear higher pressures that the formationscannot stand before strengthened by ENPRES-Seal. ENPRES-Seal is made of rigid particles, soft particles and deformable particles. Experiments on visual sand bed demonstrated that the mass ratio of the three particles is 2∶1∶2. Evaluation of ENPRES-Seal shows that the optimum concentration in drilling fluid is 2%-3%， and at this concentration it poses very small effect on the rheology of drilling fluid. ENPRES-Seal can be used at high temperatures as high as 200 ℃, and it does not blind shale shaker screen; 85% of ENPRES-Seal passes 0.180 mm screen. ENPRES-Seal also renders drilling fluid good lubricity. The adsorption of ENPRES-Seal renders formation high compressive strength, as high as 17 MPa, and it also improves the quality of mud cake. ENPRES-Seal has been used on a HTHP well in Block Pinghunear Shanghai, where bottom hole temperature has been as high as 180 ℃, and mud density at well completion 1.90 g/cm3, and the strength of the borehole wall has been greatly enhanced.

Borehole wall strengthening agent； Speed up ROP； Pressure bearing capacity； Mud cake quality； Drilling fluid

TE258

A

1001-5620（2016）02-0045-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.010

张伟，工程师，硕士，1982年生，毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，主要从事油气井钻完井液研究工作。电话 （010）84528466；E-mail：zhangwei61@cosl.com.cn。

（2015-11-21；HGF=1601N10；编辑王小娜）