盛勇，葉艷，朱金智，宋瀚軒，張震，周廣旭，王濤

（1.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249）

塔里木盆地是我國陸上最大的含油氣盆地，具有豐富的油氣資源，是目前國內增儲上產(chǎn)潛力最大的盆地之一，但塔里木盆地油氣藏普遍為超深層并且地質構造復雜程度高，勘探難度極大。塔西南地區(qū)是塔里木盆地重要的油氣資源勘探開發(fā)區(qū)，擁有巨大的勘探潛力[1-8]，但由于塔西南地區(qū)地層條件復雜，在所鉆井當中普遍發(fā)生井漏、遇阻、卡鉆、坍塌等復雜井況，限制了油氣資源的有效開采。因此，井壁失穩(wěn)及復雜井況的發(fā)生是該地區(qū)開發(fā)過程中的難點所在。對塔西南地區(qū)已鉆井復雜情況進行了分析，得到了該地區(qū)井壁失穩(wěn)的原因，在此基礎上，通過對當前鉆井液體系進行分析，采用自主研發(fā)的內核納米乳液優(yōu)化并進行了室內評價。

1 井壁失穩(wěn)原因分析

塔西南地區(qū)地層條件復雜，復雜井況頻發(fā)，在已鉆井中井漏、卡鉆、劃眼、壓井、坍塌、遇阻、溢流皆有發(fā)生。其中，井漏復雜發(fā)生高達30 余次，卡鉆復雜發(fā)生10 余次，鉆井周期最高達到719 d，復雜情況的發(fā)生嚴重制約了該地區(qū)油氣資源的勘探開發(fā)。以英深*井為例，該井鉆井周期高達691 d，是一口井深7258 m 的預探井，在鉆井過程中，英深*井的復雜井況以井漏及卡鉆為主，該井上部地層中存在多個壓力系統(tǒng)，同時地層中存在裂縫，導致發(fā)生井漏及溢流，而下部地層中砂巖物性好且裂縫與微裂縫發(fā)育，導致發(fā)生多次井漏。該井由于復雜情況及事故的發(fā)生造成時間損失超過400 d。

通過對塔西南地區(qū)多口已鉆井復雜井況進行分析，認為該區(qū)井壁失穩(wěn)及復雜發(fā)生的原因主要為以下幾方面。①砂巖物性好，且地層中裂縫與微裂縫發(fā)育程度高，地層破碎，極易發(fā)生滲漏并影響巖石力學強度。②部分地層中含有大量伊蒙混層，膨脹性及水化分散能力極強，進一步弱化了巖石強度并導致裂縫擴展。③該地層存在多套壓力系統(tǒng)，非均質性強，充填物膠結程度差，受鉆井液影響大，極易導致井壁失穩(wěn)的發(fā)生。針對塔西南地區(qū)井壁失穩(wěn)及復雜發(fā)生原因，采用高封堵強抑制鉆井液進行鉆井開發(fā)。

2 現(xiàn)用鉆井液體系

通過對塔西南地區(qū)井壁失穩(wěn)的原因分析，現(xiàn)場采用抗高溫抗鹽能力較強的KCl-聚磺鉆井液體系。體系中保持了高含量的KCl，能提高鉆井液抑制性能，是一種抗高溫性能好、抑制性能強、穩(wěn)定性能好、潤滑性好、適合復雜地層鉆進的鉆井液體系[9-11]。

在實驗室模擬配制英沙*井現(xiàn)場鉆井液，采用現(xiàn)場瀝青、超細CaCO3、石蠟乳液作為封堵材料，測得鉆井液漿性能如表1 所示，其中，以瀝青為封堵劑鉆井液的濾失量最低，為6.5 mL，以超細碳酸鈣為封堵劑的鉆井液濾失量為8.5 mL，以聚合醇為封堵劑的鉆井液濾失量為8.5 mL。通過對比泥餅和濾失量，這些材料并沒有達到要求，而且由于這些材料尺寸較大，不能針對地層中微納米孔隙進行封堵。

表1 常規(guī)材料優(yōu)化鉆井液性能評價

為更好優(yōu)化該體系，在基礎配方中添加納米材料，選取了納米氧化鋁、納米氧化鎂、納米氧化硅和納米石蠟乳液來進行體系優(yōu)化，采用OCMM 歐美克粒度分析儀對上述3 種納米材料進行了粒徑分析，測試結果可見，這些納米材料在溶液中發(fā)生了團聚，并沒有分散成為納米級別。納米材料優(yōu)化鉆井液的性能見表2。

表2 納米材料優(yōu)化鉆井液的性能評價

由表2 可知，添加納米氧化鋁后鉆井液濾失量降低了1 mL，添加納米氧化鎂后鉆井液濾失量降低了3 mL，添加納米二氧化硅后鉆井液濾失量降低了4 mL，添加納米石蠟乳液后鉆井液濾失量降低了2.5 mL。這些納米材料封堵效果不明顯，所以需要在體系中引入新材料進行優(yōu)化。

3 內核納米乳液

3.1 研究現(xiàn)狀

常規(guī)材料的應用已經(jīng)不能滿足當前鉆井液開采開發(fā)的要求，學者們對新型材料進行了大量的研究應用，如Aramendiz，J[12]通過石墨烯納米片和納米二氧化硅進行復合，定制了一種二氧化硅納米顆粒（SiO2-NPs），該材料的應用使分散度降低了35.61%，但這種復合材料也避免不了團聚發(fā)生，不能起到好的分散效果。趙春花[13]等人在PEC 鉆井液體系中加入3%防凍乳化石蠟PF-EPF。加入3%PE-EPF 后鉆井液的PPT（5 μm 沙盤）濾失量從 17.2 mL 減少到 6.4 mL，取得了很好的應用效果。劉岳龍[14]等人研制了一種酚醛樹脂凍膠，在直徑 ＜1 mm 的細管中凍膠突破壓力梯度＞2 MPa/m，有效封堵了紅河長8 油藏的直通型裂縫。雖然這些材料在評價中均取得了較好的效果，但材料的性能單一，不能適用于塔里木西南區(qū)塊復雜的地質狀況。

針對塔里木盆地西南區(qū)塊地質情況，由于微納米孔隙裂縫所引起的復雜井況，現(xiàn)有研究的新型材料不能有效封堵并且對黏土礦物產(chǎn)生抑制，所以采用中國石油大學（北京）自主研發(fā)的內核納米乳液進行優(yōu)化作業(yè)[15-18]。

3.2 內核納米乳液

3.2.1 內核納米乳液粒徑分布

通過對比以上固相納米材料，納米SiO2的封堵效果最好，并且由于納米硅表面有大量的官能團，表面改性技術成熟。所以中國石油大學（北京）以納米二氧化硅為基礎，研制了一種分散性良好的內核納米封堵液。首先通過對二氧化硅疏水改性，然后均勻分散于油相當中，通過復配表面活性劑、助表面活性劑來合成一種高分散性納米內核乳液。

圖1 為內核納米乳液的粒徑分布圖，其粒徑在100 nm 左右，具有很好的分散性。這種材料可以明顯改善濾餅質量，降低濾失量。并可以在微納米裂縫、孔隙進行封堵，減小由于微納米孔隙、裂縫漏失所引起的復雜井況。

圖1 內核納米乳液粒徑分布圖

3.2.2 內核納米乳液作用機理

不同于現(xiàn)有材料單一的剛性或柔性封堵，該內核納米乳液內部含有大量的油相以及剛性納米SiO2。其中剛性納米SiO2會在孔隙、裂縫中運移黏結、架橋進行封堵作業(yè)?？勺冃蔚挠拖?，可以對剛性架橋間縫隙進行柔性填充封堵，在裂縫及孔隙內形成了“軟+硬”封堵體系。并且由于表面活性劑的吸附作用會對巖石以及黏土表面進行潤濕翻轉，減小了黏土礦物吸水膨脹。

3.2.3 納米內核乳液應用室內評價

1）濾失造壁性能評價。在基漿中添加不同加量的納米封堵劑，測得鉆井液各項性能見表3。在添加內核納米乳液后，不改變鉆井液的密度與黏度，高溫高壓濾失量與泥餅厚度明顯下降，并且形成了薄而致密的泥餅。

表3 英沙*井現(xiàn)場鉆井液性能

2）封堵性能評價。對于微納米孔隙的封堵效果，評價方法也是多種多樣，目前并沒有統(tǒng)一的標準，主要有人造介質濾失、動態(tài)傷害儀、壓力傳遞和承壓強度實驗等，對此，應用中國石油大學（北京）儲層改造中心自主設計研發(fā)的基于壓力脈沖法的壓力傳導儀[19]進行評價。壓力傳遞方法基本原理是在巖心上下游建立初始壓差，實時監(jiān)測下游封閉流體的壓力變化，其中上游為待測流體，下游為模擬地層水。壓力傳導實驗見表4。

表4 壓力傳導實驗

從表4 可以看出，添加內核納米乳液之后，上下游壓差為0.337 MPa，封堵效率為32%。優(yōu)化后壓力較優(yōu)化前下游壓力減小0.308 MPa，相對封堵率較為優(yōu)化前提高37%。證實了內核納米乳液具有高效的封堵能力。如圖2 直觀圖所示，優(yōu)化后較優(yōu)化前平衡時間縮短，優(yōu)壓力減小0.330 MPa，因此添加5%內核納米乳液的鉆井液濾液提高了鉆井液封堵效率，達到了預期封堵效果。

圖2 優(yōu)化后鉆井液壓力傳導

3）回收率評價。在后續(xù)使用該鉆井液進行滾動回收率實驗，取不同井深層位所對應的巖屑，分別在80 ℃下，測試清水、未優(yōu)化鉆井液和添加5%內核納米乳液后的鉆井液滾動回收率，結果見表5。

表5 英沙*井巖屑回收率

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)來看，清水回收率最小，也驗證了該地層黏土礦物水化分散強。在原鉆井液中添加內核納米乳液后，大大提高了原鉆井液回收率，使得鉆井液具有良好的抑制性，降低了地層的水化分散能力，滿足地層要求。

對以上數(shù)據(jù)進行直觀圖分析，見圖3，明顯可以看出優(yōu)化后鉆井液回收率明顯增高，相對于之前鉆井液有著很大的提升，并且相對于之前回收率小的層位提升尤為顯著。

圖3 英沙*井滾動回收率剖面圖

4 結論

1.塔西南地區(qū)復雜頻發(fā)，包括井漏、卡鉆、劃眼、坍塌、遇阻、溢流等。該地區(qū)地層破碎，裂縫發(fā)育程度高，同時存在井段膨脹性及水化分散能力極強，極易導致井壁失穩(wěn)的發(fā)生。

2.對現(xiàn)場鉆井液進行室內模擬，瀝青、超細鈣、聚合醇以及納米材料均沒有達到預期效果，優(yōu)化后性能較優(yōu)化前差距較小。

3.納米乳液中內核SiO2進行架橋填充，乳液中油膜進行可變形填充，2 者構成“軟+硬”封堵體系。內核納米乳液中含有的油相可以通過大量的表面活性劑分子連接覆蓋孔隙裂縫表面，對水滲透形成了阻隔作用，起到了一定的封堵抑制性能。

4.內核納米乳液粒徑分布在100 nm 左右，可以改善泥餅質量，在鉆井液中添加5%納米內核乳液后，鉆井液的高溫高壓濾失量降至3.8 mL，壓力傳導法顯示優(yōu)化后壓力減小0.337 MPa，平衡時間為125 min；回收率實驗得到優(yōu)化后鉆井液的回收率達到85%，說明該內核納米乳液可以對微納米孔隙進行有效封堵。