纳米封堵效果评价方法研究

刘振东 李 卉 周守菊 黄维安

1. 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院, 山东 东营 257000; 2. 中国石油大学(华东石油工程学院), 山东 青岛 257061

0 前言

1 高温高压滤失评价实验

1.1 配制基浆

1.2 配制钻井液

1.3 实验结果

高温(120 ℃)高压滤失量的测定结果见表1。

表1 高温(120 ℃)高压滤失量的测定结果 单位:mL

从表1可以看出:基浆中加入纳米颗粒前后的高温高压滤失量变化不大,并没有反映出纳米材料的封堵效果。纳米二氧化硅粒径非常小,为纳米级,而使用的高温高压滤纸的孔隙直径在20 μm左右,无法阻挡纳米颗粒通过滤纸,因此导致加入纳米颗粒后高温高压滤失量变化不大。而在纳米颗粒的基础上,在基浆中再加入微米级封堵颗粒,则高温高压滤失量变化比较明显。有学者也指出需要先用微米级的封堵材料填充滤纸孔隙形成的外泥饼，才能体现出纳米颗粒的封堵效果[1],这与本实验结果是一致的。

为了避免高温对胶乳沥青等处理剂封堵性能的影响,在常温高压下进一步验证,测定结果见表2。

表2 常温高压滤失量的测定结果 单位:mL

从表2可以明显看到,因为滤纸介质孔隙大小的原因,利用常温高压滤失量评价实验评价纳米颗粒的封堵效果不明显。而在加入微米级颗粒并对固相的粒度分布进行调整后,封堵效果才表现出来。因此,在现有的高温高压滤失实验方法下,对纳米颗粒封堵性的评价效果非常有限。

2 声波传递速率评价实验

刘清一生南征北战，历经坎坷，屡遭挫折，却终身劲直与慷慨。尤为难能可贵的是，应“造舟松花江招诸部”之急，跋山涉水，风雪无阻，饱经风霜，历经艰险，十五年间，以谪戍之身四次统率彪师千里迢迢地到人迹罕至的塞外绝域造船运粮，直至花甲之年仍不辞劳苦，供亦失哈等人往奴儿干输送人员物资之用，为明廷经营黑龙江流域，为奴儿干都司的巩固与各卫所等地方建制的进一步发展，为祖国东北边陲的开发建设，为加强各族之间政治、经济、文化的联系及多民族国家的统一和发展，都做出了不可磨灭的贡献。

表3 声波在不同溶液中浸泡不同时间后在岩屑中的传递速率

浸泡时间/h膨润土基浆中传播速率/(m·s-1)加入2 纳米碳酸钙的膨润土基浆中传播速率/(m·s-1)加入10 纳米二氧化硅分散液的膨润土基浆中传播速率/(m·s-1)04 9235 1035 8124 8524 9634 1294 6934 7784 863243 8045 0203 7634 6364 6074 2024 3973 9645 293483 6183 8963 6353 9454 5934 5874 4964 7364 632

3 电镜成像评价实验

3.1 配制钻井液

按实验室钻井液配制的基本要求,配制钻井液如下:

3.2 实验结果

用扫描电镜对泥饼进行测定,结果见图1～2。

图1 基浆A泥饼扫描电镜图像(3 000倍)

图2 体系B泥饼扫描电镜图像(3 000倍)

从图1～2的实验结果来看,体系B的滤饼相对基浆A显得更加致密,有纳米颗粒充填在滤饼上,清楚直观地反映了纳米颗粒对滤饼孔隙的封堵效果。但是,扫描电镜评价方法不能定量地分析封堵的作用程度,而且与选取的分析对象有很大关系,受人为干预的因素较大,不利于对纳米颗粒进行定量分析和比较。

4 高压渗透性失水评价实验

4.1 实验方法

1)按配方配制基浆,高速搅拌20 min,在室温下放置16 h。

2)压制滤饼。按照钻井液高温高压滤失量测试程序,在高压(常温)下完成操作,得到滤饼。

3)高压渗透性失水量测定。按上述步骤得到的滤饼,进行高压渗透性失水量测定。

4.2 实验结果

表4 高压渗透性失水实验

配方流变性高压渗透性失水/mL基浆25/1410/50/09.6基浆+3 纳米粒子分散液21/117.5/50/09.4基浆+5 纳米粒子分散液19/107/3.50/08基浆+8 纳米粒子分散液20/108/40/07.2基浆+10 纳米粒子分散液23.5/139/50/05基浆+12 纳米粒子分散液17/96.5/30/06.8基浆+15 纳米粒子分散液21.5/128.5/40/07.4

从表4实验结果来看,高压渗透性失水在评价纳米颗粒封堵效果时,随着纳米颗粒的加量变化,渗透性失水有所变化,能在一定程度上反映出封堵作用,因此,该方法是很好的借鉴,可在此基础上,利用微米级封堵材料对滤饼进行填充,然后再进行渗透性失水实验,用于纳米颗粒封堵效果的评价[1]。

5 压力传递评价实验

5.1 纳米分散液压力传递评价实验

对纳米二氧化硅、疏水改性的纳米二氧化硅进行了压力传递实验,用以比较纳米二氧化硅的封堵作用效果。实验流体为两种纳米材料分散在水中形成的分散液。实验结果见图3。

图3 纳米二氧化硅分散液压力传递评价实验结果

5.2 封堵钻井液压力传递评价实验

通过压力传递实验比较膨润土基浆、基浆+纳米微球、基浆+LPF-1、基浆+石墨的封堵作用效果。实验流体为上述配方形成的封堵钻井液。实验结果见图4。

图4 基浆+纳米材料压力传递评价实验结果

图4的测试结果表明,所测试的封堵钻井液与泥页岩作用后可有效阻缓压力传递作用,传递1 MPa压差所需时间较空白岩样大幅增加。特别是加入纳米微球形成的钻井液,使传递1 MPa压差所需时间延长20倍左右,其封堵效果在所测试的封堵材料中最好。

实验结果说明,钻井液压力传递实验所得出的不同类型封堵剂对泥页岩岩心的封堵规律,与使用滤纸过滤介质的封堵规律不完全一致;采用压力传递实验,能反映出钻井液基浆中加入纳米封堵剂后的封堵效果,使用该方法进行评价,可靠性较高。

6 结论

1)纳米材料相对于高温高压用滤纸的孔隙直径要小得多,因此纳米颗粒可通过滤纸,导致高温高压滤失实验对纳米封堵性的评价效果非常有限。

2)声波传递速率评价实验在一定程度上能够体现纳米颗粒的封堵效果,但是该方法可靠性差,只能定性比较纳米颗粒封堵效果。

3)扫描电镜图像能清楚直观地反映纳米颗粒对滤饼孔隙的封堵效果。但是它不能定量地分析封堵的作用程度,而且受人为干预的因素较大。

4)高压渗透性失水能在一定程度上反映纳米颗粒封堵效果。

5)采用压力传递实验能较好地反映出纳米颗粒的封堵效果,可靠性较高。