李昕潼，鄭文武，劉福，孫中偉，王松

（1.長(zhǎng)江大學(xué)化工學(xué)院,湖北荊州 434023；2.中石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司,鄭州 450006；3.中石化河南油田分公司工程技術(shù)研究院,河南南陽(yáng) 473132）

0 引言

儲(chǔ)層保護(hù)劑的應(yīng)用需要適應(yīng)于油田儲(chǔ)層特征，并與鉆井液具有良好的配伍性。董兵強(qiáng)[1]針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特性及儲(chǔ)層損害主要因素，制備了納米乳液儲(chǔ)層保護(hù)劑SDME-2，構(gòu)建了保護(hù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的水基鉆井液。該鉆井液的流變性能良好，抑制性較強(qiáng)，具有良好的極壓潤(rùn)滑性能和儲(chǔ)層保護(hù)性能。卓綠燕[2]針對(duì)大港油田儲(chǔ)層潛在損害因素和常用鉆井液體系存在的油氣層保護(hù)性能缺陷，合成了新型油氣層保護(hù)劑FGX系列，取得了良好的油氣層保護(hù)效果。王瑜[3]研發(fā)了一種高溫保護(hù)劑EGC-D，能夠提高鉆井液中聚合物降濾失劑及磺化類降濾失劑的抗溫能力,改善了鉆井液的動(dòng)塑比，并 提高其攜巖能力。王雙威[4]針對(duì)青海油田英西裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層在鉆井過程中存在的儲(chǔ)層損害問題，通過評(píng)價(jià)儲(chǔ)層保護(hù)劑和鉆井液的性能，優(yōu)選出一套用于該地區(qū)的儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液配方。Azimi[5]將各種濃度和尺寸的二氧化硅納米粒子引入磺化聚丙烯酰胺（SPAM ）/醋酸鉻(Ⅲ)體系中，制備出力學(xué)性能增強(qiáng)的保護(hù)劑。Zareie[6]采用瓶裝和流變學(xué)試驗(yàn)，考察了溶膠-凝膠體系聚合物的成膠時(shí)間和交聯(lián)動(dòng)力學(xué)，準(zhǔn)確分析井筒中凝膠的形成和凝膠強(qiáng)度特性，保證聚合物水凝膠在維持暫堵井中的成功應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外油氣層保護(hù)劑雖取得了一定的進(jìn)展，但在致密地層條件下，其承壓封堵能力差，難以滿足保護(hù)油氣層的要求。因此，增強(qiáng)凝膠熱穩(wěn)定性和抗壓能力，是當(dāng)前裂縫性地層惡性漏失研究的主要方向之一[7–9]。

在新疆本布圖油田的勘探開發(fā)過程中，時(shí)常出現(xiàn)水層及油氣層井段井徑不規(guī)則，影響固井質(zhì)量，損害油氣層[10–12]。為解決相關(guān)問題，進(jìn)行了致密油氣層保護(hù)劑CBJ的研制。CBJ與現(xiàn)有鉆井液具有良好的相容性及配伍性，油氣藏巖心的滲透率恢復(fù)值高，針對(duì)性強(qiáng)，解決了該油田勘探開發(fā)過程中儲(chǔ)層保護(hù)的問題。

1 聚合物彈性微球的合成與表征

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

丙烯酰胺（AM）（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），苯乙烯（ST）（天津市大茂化學(xué)試劑廠），N,N-二甲基丙烯酰胺（MBA）（上海麥克林有限公司），過硫酸銨（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），亞硫酸氫鈉（天津市天力化學(xué)試劑有限公司），均為分析純。nicolet6700型傅立葉變換紅外分光光度計(jì)，激光粒度分析儀S3500，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.2 合成方法

采用無(wú)肥皂乳液聚合法。將2 gAM和0.1 gMBA緩慢加入到200 mL去離子水的燒杯中，然后在混合物中加入50 g ST，將混合物用高速乳化機(jī)乳化，然后轉(zhuǎn)移到三頸燒瓶中。將燒瓶中的乳化液加熱至75 ℃后，加入1 g硫酸銨和1 g 亞硫酸氫鈉，在75 ℃下，以400 r/min的攪拌速度保持反應(yīng)4 h。

1.3 聚合物彈性微球的表征

1.3.1 傅立葉變換紅外光譜

將NWL離心處理后，在100 ℃下將NWL干燥成固體，在瑪瑙研缽中磨成粉末，使用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1所示。

圖1 聚合物微球紅外吸收光譜

由圖1可以看出，在3429～3164 cm?1處的寬峰歸屬丙烯酰胺單元伯酰胺基的特征吸收峰，3025 cm?1為苯環(huán)H—C=特征峰。2922 cm?1處 為—CH2—不對(duì)稱伸縮振動(dòng)，2849 cm?1處為—CH2—對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。1692 cm?1處的尖峰是C=O的特征峰，1662 cm?1處是丙烯酰胺單元中C—O的伸縮振動(dòng)峰，1601 cm?1處的峰是苯環(huán)的骨架振動(dòng)，1450 cm?1和1400 cm?1處為羧基的伸縮振動(dòng)吸收峰，755 cm?1和698 cm?1處的峰歸屬為C—H的面外振動(dòng)。

1.3.2 粒徑分布

將2 mL的NWL乳液稀釋50倍，使用激光粒度分析儀測(cè)量了NWL的粒度分布（見圖2）。結(jié)果表明，合成的NWL的粒徑在292 nm～4.18 μm之間，平均粒徑為462 nm。

圖2 聚合物微球的粒徑分布

1.3.3 掃描電鏡

將2 mL的NWL乳液稀釋50倍，將一小滴稀釋后的乳膠滴在載片上，用紅外光干燥，電子顯微鏡觀察載片上NWL的形貌，結(jié)果見圖3?？芍?，NWL為接近球形的柔性顆粒，形狀規(guī)整。

圖3 聚合物微球的掃描電鏡圖

2 防水鎖劑的優(yōu)選與評(píng)價(jià)

用蒸餾水配制不同濃度的表面活性劑溶液，用JZ-200全自動(dòng)表面/界面張力儀測(cè)量其表面張力的大小，確定臨界膠束濃度，從而可選定表面活性劑在水溶液中的加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。加入防水鎖劑能夠降低氣液表面張力和毛細(xì)管壓力及“水鎖”現(xiàn)象的產(chǎn)生，但同時(shí)還發(fā)現(xiàn)一些表面活性劑的加入會(huì)引起較為嚴(yán)重的“起泡”現(xiàn)象，對(duì)油氣層保護(hù)和鉆井液性能穩(wěn)定很為不利。

表1 防水鎖劑的表面張力測(cè)定

將上述表面活性劑加到水中，考察其起泡性能及其濁度，結(jié)果見表2?？芍?，HAR的綜合性能最好，具有較低的表面張力，與模擬地層水配伍性良好，不起泡，不產(chǎn)生乳化，濁度較低。因此在鉆井液體系中加入HAR作為防水鎖劑較為理想，推薦其使用的濃度為0.5%。

表2 表面活性劑起泡及乳化性能的評(píng)價(jià)

起泡性能評(píng)價(jià)方法為: 蒸餾水+0.5%HTA+1.0%HCS+0.5%活性劑，取該種溶液30 mL于100 mL具塞量筒中，用力搖蕩3.0 min，放置4 h后觀察泡沫的體積。同時(shí)用濁度儀測(cè)量該溶液的濁度。

3 儲(chǔ)層保護(hù)劑CBJ的制備與性能

3.1 制備

將聚合物彈性微球NWL、防水鎖劑、石油樹脂C9、微米級(jí)的剛性酸溶性顆粒（CaCO3）按照一定比例2.00∶0.05∶1.00∶0.95投放在捏合機(jī)中，捏合均勻后將其干燥、粉碎，過1000目的篩網(wǎng)，由此得到一定粒徑的油氣層保護(hù)劑CBJ。

3.2 與地層裂縫孔隙適配性

本部圖油田儲(chǔ)層孔喉分布見表3。可知，孔喉小于 0.44 μm占 63.77%、0.44～7.50 μm占34.96%、大于7.5 μm占1.27%，對(duì)儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)率最大的孔喉區(qū)間為0.44～7.5 μm。

使用激光粒度分布儀對(duì)保護(hù)劑CBJ進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。合理的架橋顆粒尺寸為2/3D孔喉＜D保護(hù)劑＜D孔喉，顆粒太大不能進(jìn)入裂縫，顆粒太小會(huì)穿過裂縫。由表3和圖4可知，CBJ的粒徑分布區(qū)間主要在0.486～6.54 μm，符合架橋顆粒尺寸理論的要求，能夠滿足地層孔隙封堵粒徑大小的要求。

圖4 儲(chǔ)層保護(hù)劑CBJ的粒徑分布

表3 本部圖油田儲(chǔ)層不同層孔喉分布區(qū)間表

3.3 油溶性評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)步驟：①用天平分別稱取20.0 g油氣層保護(hù)劑CBJ的Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)樣品，置于200 mL的脫色煤油中；②溶解一定時(shí)間后，分別用濾紙過濾、洗滌，在烘箱中（105±2）℃恒溫12 h烘干、稱重，記錄數(shù)據(jù)；③分別計(jì)算出各時(shí)段油氣層保護(hù)劑CBJ在脫色煤油中的油溶率。

為了更好地評(píng)價(jià)其油溶性能，實(shí)驗(yàn)分為兩組做平行實(shí)驗(yàn)。一組在室溫下，分別將油氣藏保護(hù)劑Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)樣品放置于裝有煤油的試管中，塞緊瓶塞，按上述實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；另一組將裝有樣品與溶劑的試管置于80 ℃恒溫水浴中，塞緊瓶塞，同樣按上述實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。隨溫度變化的暫堵劑的溶解情況見表4和表5，以下的質(zhì)量均為過濾后,在烘箱中（105±2）℃恒溫16 h后稱重的固體質(zhì)量?？芍?，相同溫度下，隨著時(shí)間的增加CBJ溶解量增加，且隨著溫度的增加，油氣藏保護(hù)劑CBJ溶解速度加快。CBJ溶解后均形成基本澄清的溶液，無(wú)肉眼可見的顆粒狀物，說明樣品在脫色煤油中具有一定的溶解度。

表4 室溫下油氣層保護(hù)劑CBJ在煤油中隨時(shí)間的溶解率

表5 80 ℃下油氣層保護(hù)劑CBJ在煤油中隨時(shí)間的溶解率

3.4 酸溶性評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)步驟：①用天平分別稱取20.0 g油氣藏保護(hù)劑CBJ的Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)樣品，置于200 mL的15%HCl中；②溶解一定時(shí)間后，分別用濾紙過濾、洗滌、在烘箱中（105±2）℃恒溫12 h烘干、稱重，記錄數(shù)據(jù)；③分別計(jì)算出各時(shí)段油氣層保護(hù)劑CBJ在15%HC的酸溶率。

將合成的油氣層保護(hù)劑CBJ在一定溫度下溶于15%HCl中，用過濾法測(cè)定酸溶率，結(jié)果見表6所示?？芍?，CBJ在15%HCl中溶解72 h后均形成基本澄清的溶液，無(wú)肉眼可見的顆粒狀物，說明樣品在15%HCl中具有較好的溶解度。

表6 室溫下油氣層保護(hù)劑CBJ在15%HCl中隨時(shí)間的溶解率

3.5 與鉆井液配伍性評(píng)價(jià)

在室內(nèi)配制了河南油田鉆井液體系，在鉆井液中分別加入（1%～3%）CBJ，評(píng)價(jià)其對(duì)鉆井液性能的影響，結(jié)果見表7所示。由表7可以看出，在120 ℃下老化16 h后，水基鉆井液體系的流變性、切力等參數(shù)完全滿足鉆井液的性能指標(biāo)，加入（2%～3%）CBJ后，鉆井液的API濾失量下降了20%左右。確定在油氣層開發(fā)過程中，CBJ的最佳加量確定為2%～3%。鉆井液配方如下。

表7 油氣層保護(hù)劑CBJ與河南鉆井液的配伍性

鉆井液：（3%～5%）NV-1+4%KFT-2+3%瀝青+0.4%BLZ-2 +（2.0%～2.5%）潤(rùn)滑劑+（1%～2%）磺化酚醛樹脂

3.6 儲(chǔ)層保護(hù)效果評(píng)價(jià)

油氣層屏蔽式暫堵技術(shù)的要求就是堵得淺，堵得住，且是暫時(shí)性的堵塞。利用油氣藏滲透率測(cè)試裝置做暫堵實(shí)驗(yàn)，然后沿暫堵端截取一定長(zhǎng)度的巖心，再測(cè)定剩余段巖心的滲透率，如果剩余段巖心的滲透率與巖心整段原始滲透率接近，則巖心截取部分的長(zhǎng)度可被看作為暫堵層的暫堵深度。

實(shí)驗(yàn)選擇天然巖心，開展動(dòng)態(tài)損害實(shí)驗(yàn)，主要從巖樣滲透率返排恢復(fù)率、出液量等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)流體為實(shí)驗(yàn)室模擬配制的鉆井液體系，實(shí)驗(yàn)壓差為3.5 MPa，剪切速率為300 s?1，時(shí)間為120 min。在原有的鉆井液體系中分別加入3%CBJ，選取不同滲透率的人造巖心，在3.5 MPa的驅(qū)替壓差下對(duì)巖心端面形成的屏蔽暫堵環(huán)進(jìn)行反向驅(qū)替，觀察巖心的滲透率變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、表8和表9所示?？芍?，加入CBJ后的鉆井液暫堵效果明顯提升。從表9還可以看出，加入CBJ的鉆井液經(jīng)動(dòng)態(tài)損害試驗(yàn)后，巖心與鉆井液接觸端形成的屏蔽環(huán)阻止了液相和固相進(jìn)一步侵入孔喉內(nèi)部，用煤油驅(qū)替后測(cè)得巖心的平均滲透率恢復(fù)值達(dá)到80%以上。綜合考慮后，建議在鉆井液配方中加入2%～3%的致密氣藏保護(hù)劑CBJ，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)油氣層保護(hù)的要求。

表8 鉆井液暫堵深度評(píng)價(jià)

表9 CBJ加量對(duì)河南鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果

圖5 本部圖巖心暫堵前后的圖片

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本布圖油田位于焉耆盆地博湖坳陷，為焉耆盆地未動(dòng)用儲(chǔ)量中相對(duì)集中的含油井段，含油面積相對(duì)較大，原油性質(zhì)較好，儲(chǔ)量較多，經(jīng)過增產(chǎn)措施后具有一定產(chǎn)能的整裝油田。巖石礦物成分以巖屑為主，石英、長(zhǎng)石次之。東區(qū)塊平均孔隙度為9.68%，平均滲透率為2.58 mD，焉2區(qū)塊平均孔隙度為12.57%，平均滲透率為0.1021 mD，為低孔超低滲儲(chǔ)層。原油密度為0.7943～0.8745 g/cm3，黏度為1.18～3.48 mPa·s(70 ℃)，含蠟為7.15%～15.55%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量為1.95%～4.21%，凝固點(diǎn)為9～21 ℃，初餾點(diǎn)為41～134 ℃，300 ℃餾份為30.2%～58.8%[13–16]。在鉆探過程中，在現(xiàn)有鉆井液中加入2%CBJ，在現(xiàn)場(chǎng)5口井進(jìn)行應(yīng)用。可知，試驗(yàn)井與對(duì)比井相比，產(chǎn)量平均提高25%左右。儲(chǔ)層段鉆進(jìn)時(shí)鉆井液的性能見表10。

表10 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能

由表10可以看出，加入2%CBJ后，鉆井液的性能穩(wěn)定、濾失量和固相含量低。API濾失量在5.0～5.4 mL，剪切稀釋性好，攜巖能力強(qiáng)。維持動(dòng)塑比為0.42～0.57 Pa/mPa·s，充分?jǐn)y巖凈化井眼。固相含量低至4.0%～5.5%，可以防止固相堵塞儲(chǔ)層，提高機(jī)械鉆速等，且泥餅表面光滑，降摩阻效果好。

5 結(jié)論

1.以丙烯酰胺、苯乙烯和N,N-二甲基丙烯酰胺為原料，硫酸銨和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，采用無(wú)肥皂乳液聚合法制備了聚合物彈性微球NWL。通過傅立葉變換紅外光譜與場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡確定了制備的樣品為最終目標(biāo)產(chǎn)物。通過激光粒度分析儀分析表明，聚合物彈性微球NWL平均粒徑為80 nm，粒徑分布范圍為50～110 nm。

2.通過對(duì)現(xiàn)有的防水鎖劑的優(yōu)選，最終選擇HAR。HAR具有較低的表面張力，與模擬地層水配伍性良好，不起泡，不產(chǎn)生乳化，濁度較低，推薦其使用的濃度為0.5%。

3.將聚合物彈性微球NWL、防水鎖劑、石油樹脂C9、微米級(jí)的剛性酸溶性顆粒（CaCO3）按照一定比例干燥、粉碎、過篩網(wǎng)，由此得到一定粒徑的油氣層保護(hù)劑CBJ。CBJ酸溶率≥80%，暫堵率≥90%，濾失量降低率≥20%。與現(xiàn)有鉆井液具有良好的相容性及配伍性。在致密油氣層開發(fā)過程中，確定油氣藏保護(hù)劑CBJ的最佳添加量為2%～3%。油氣藏巖心的滲透率恢復(fù)值達(dá)80%以上，滿足致密油氣藏保護(hù)要求。

4.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明加入油氣藏保護(hù)劑CBJ的鉆井液后，其性能穩(wěn)定，濾失量較小，固相含量低，剪切稀釋性好，攜巖能力強(qiáng)，降摩減阻效果好，現(xiàn)場(chǎng)5口井的試驗(yàn)表明，試驗(yàn)井與對(duì)比井相比，產(chǎn)量平均提高25%左右。