钻井液与完井液杂志

钻井液与完井液杂志2022年第6期

• 聚合物凝胶堵漏研究进展

  郝惠军,刘泼,严俊涛,马骋宇,贺彬,郇文云

  聚合物凝胶堵剂在解决钻井过程中出现的漏失现象时，具有高黏弹性、可变形性的优势，综述了常规聚合物凝胶堵剂和“智能”聚合物凝胶堵剂的最新进展。其中，常规聚合物凝胶堵漏材料成胶时间不可控，无法实现高效精准堵漏，而“智能”聚合物凝胶材料能够以多种机理实现高效、精准堵漏，日益成为当下堵漏材料研究的热点。今后，具有刺激响应功能的聚合物凝胶的研究将成为堵漏材料领域的重要方向之一。

• 深水浅层呼吸效应机理及影响因素分析

  罗鸣,高德利,黄洪林,李军,杨宏伟

  对地层呼吸效应误判为井涌而采取压井措施容易造成恶性漏失，会提高深水作业的风险与成本，对深水钻井的安全高效造成了严重的危害。因此，对深水浅层呼吸效应机理开展研究，并利用COMSOL软件，模拟深水浅层钻井过程中呼吸效应的全过程，研究地层特性、钻井液性质和压差对呼吸效应的影响。模拟结果表明，深水浅层呼吸效应属于渗透性机理；低弹性模量、低泊松比、高孔高渗地层极易发生渗透性呼吸效应，而使用高黏度、高动切力钻井液，采用小压差（低密度钻井液、低排量等）形式钻进，有利于抑制呼吸效应的程度。因此，在低弹性模量、低泊松比、高孔高渗地层钻进时，需提前做好措施，如加入降滤失剂、降低泵速等，以减少地层呼吸效应带来的影响。研究成果能为深水浅层呼吸效应判别及预防和控制方案提供一定参考。

• 地层环境响应封堵材料研究与应用

  孔勇

  针对现有井壁稳定材料难以精准匹配地层微裂缝，缺乏地层识别和选择性作用的能力，提出了地层环境响应井壁稳定材料研发技术思路。通过建立基于地层环境因素驱动的响应机制，优化地层环境下活性组分的反应形式和形态变化，活性组分与载体材料的组装方式，设计研发出地层环境响应封堵材料SMFG-1。该产品表现出优异的地层响应性能和极佳的配伍性能，显著改善泥饼质量且环保无毒，pH值敏感范围为6～8之间，可在地层中快速响应形成沉淀，封堵地层孔喉和微裂缝，具有响应释放灵敏性和可控性。6次pH响应循环后，释放析出率仍高达99.55%。SMFG-1在北XY-HF井复杂井段成功现场应用中，提高钻井液的封堵能力、稳定井壁，成功解决硬脆性泥岩发育、裂隙发育、易垮塌掉块等井壁失稳难题，保障复杂井段钻井安全。

• 自交联型油基钻井液降滤失剂的研制与评价

  杨俊,蒋官澄,王国帅,贺垠博,杨丽丽,袁学强

  针对传统油基钻井液降滤失剂耐温性能不足、影响体系流变等问题，基于自交联改性思路，以N-羟甲基丙烯酰胺为功能单体，与丙烯酸丁酯和苯乙烯进行乳液聚合，研制了一种自交联型油基钻井液降滤失剂（BSN）。通过红外光谱仪、激光粒度仪和透射电镜表征了BSN的主要官能团、微观形貌和自交联特征。实验结果表明，BSN含有自交联功能基团羟甲基，平均粒径为247 nm，颗粒间具有明显的交联结构。热重测试结果显示，BSN热稳定性良好，初始分解温度高达355 ℃，显著高于非自交联型的降滤失剂BS（278 ℃）。在油基钻井液体系中添加1%的BSN，不仅不影响体系流变参数而且能够提高破乳电压，180 ℃下的高温高压滤失量仅为4 mL，滤失控制能力明显优于非交联型的降滤失剂BS以及3%的传统油基钻井液降滤失剂有机褐煤和氧化沥青。

• 基于Alferd修正模型的高密度钻井液性能调控

  王帝,邱正松,苗海龙,耿铁,钟汉毅,赵欣,范立君

  针对深井高温高密度钻井液性能难以调控的问题，探讨了重晶石级配对高密度钻井液流变性和滤失性能的影响规律及作用机理。基于分形理论，对粉体堆积常用的Alfred方程进行修正，建立了适用于重晶石级配加重的粒度分布模型，计算了重晶石级配的理论最优配比，并通过实验验证了修正模型的可行性。实验表明，修正后的Alferd模型可以指导高密度钻井液的颗粒级配设计，确定加重材料最优级配比例。使用合理级配的重晶石加重，可以降低钻井液内部颗粒间的碰撞概率及储能模量，削弱体系的网架结构和流动阻力，并使重晶石的粒度分布更加合理，有利于形成致密泥饼，从而改善钻井液的流变性能和滤失性能。

• 考虑井眼清洁条件下的小井眼钻井液性能优化研究

  安锦涛,李军,黄洪林,杨宏伟,张更,陈旺

  新疆油田玛湖部分区块采用长水平段（超2000 m）小井眼技术进行钻井和开发。在钻井过程中，井眼不清洁导致的卡钻，井筒压力过大导致的漏失问题严重制约了该区块的高效经济开发。钻井液性能的优化是解决上述问题的关键方法之一。为此，采用了CFD数值模拟的方法，建立了环空固液两相流模型，探究了不同钻进参数下钻井液不同流变参数（赫巴流变模型）对岩屑运移和环空压耗的影响。根据数值模拟结果可知：①提升钻井液密度有利于提高携岩能力；②不同钻进参数下，钻井液流变参数对岩屑运移作用效果不同；③钻井液流变参数并非越大越有利于岩屑运移；④结合玛湖区块特征，确立了最优钻井液流变参数范围，并将该范围成功的应用于现场。

• 形状差异的岩屑颗粒沉降规律及曳力系数模型

  王贵,谭凯,曹成

  油气钻井中，岩屑颗粒在井筒中自由沉降会引起沉砂卡钻等问题。为了探究岩屑颗粒沉降规律，开展了模拟岩屑颗粒自由沉降实验。利用沉降实验数据和图像处理技术，计算出10种不同形状颗粒在9种非牛顿流体中的沉降末速度与曳力系数，研究了颗粒形状和流变性对沉降的影响规律，并探究了现有曳力系数模型对非球形颗粒在非牛顿流体中的适用性。结果表明，颗粒偏离球形程度越大，在流体中越难沉降。流体黏度增加可有效抑制沉降的发生，且流体非牛顿性越强，对沉降的抑制作用越明显。现有曳力系数模型不适合描述非牛顿流体中非球形颗粒沉降规律，因此，构建了一种新的形状因子，并结合该形状因子建立了新的曳力系数模型。误差分析结果显示，新模型对沉降实验测量数据具有良好的拟合性，决定系数R2大于0.99。较现有模型预测精度提高了50.5%，预测真实岩屑颗粒曳力系数的误差在15%以内，可较好地描述不同形状岩屑颗粒的沉降曳力系数规律，对提高钻井过程中颗粒流体稳定性具有重要理论和现实意义。

• 纳米SiO₂/丙烯酰胺絮凝剂的合成及性能评价

  杨浩,岳前升,赵庆美

  以正硅酸乙酯（TEOS）为原料,采用溶胶-凝胶法制备了不同粒径的SiO2颗粒，对其表面进行改性后，与丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)，采用反相乳液聚合法合成了纳米SiO2/阳离子聚丙烯酰胺(SCPAM)。并对产品进行了测试与表征，根据表征结果确定该产品为目标产品。研究了SiO2的粒径以及其加量对SCPAM分子量、水溶性、增黏性及絮凝性等性能的影响。实验结果表明，以粒径为15 nm的SiO2加量占单体质量比0.9%时，所合成的SCPAM具有更佳的水溶性、增黏性及絮凝性，对以SCPAM为絮凝剂配制的钻井液的耐温、抗盐、抗剪切、耐老化及抗污染性进行了评价，结果显示当盐度达到30%，钻井液黏度仍保持在30 mPa·s左右；在老化时间达到96 h，钻井液黏度保持在33 mPa·s左右，展示了良好的抗盐性和抗老化性，且在有害固相含量低于5%、温度低于160 ℃时，该钻井液应用效果较好。

• 介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟

  李洁,冯奇,张高峰,崔凯潇,蒋官澄,贺垠博

  堵漏材料进入地层裂缝后，通常期望其能够在漏失通道内快速形成稳定的高强度封堵层，从而实现井筒与漏失层的有效隔离，这对控制漏失程度和强化井筒至关重要。当前，普遍从以封堵层为整体的宏观角度以及从单个堵漏颗粒性质的微观角度来分析研究封堵层的降低漏速能力和承压能力，而从介观尺度研究堵漏颗粒封堵层在裂缝内的演化过程较少。为进一步揭示裂缝内堵漏颗粒封堵层的形成与破坏机理，基于计算流体力学和离散元耦合模拟方法，研究了堵漏颗粒在楔形裂缝内滞留、架桥、封堵和失稳破坏过程，分析了介观尺度下堵漏材料性质及钻井液性能对裂缝封堵层形成影响机理。结果表明，堵漏颗粒进入裂缝后经过滞留、堆积、封堵过程形成封堵层，且封堵层前端是封堵层稳定的关键部位。堵漏颗粒尺寸越小，封堵层位置越接近裂缝出口。堵漏颗粒浓度增加会显著缩短封堵层形成时间，当浓度由2%增加至30%时，封堵层的初始形成时间由0.090 s降低至0.036 s，降低了60%，此外，堵漏颗粒几何和物理性质以及钻井液参数对封堵层形成及破坏均具有较为明显的影响。研究结果对进一步优化堵漏颗粒并快速形成高效封堵层具有一定的参考价值。

• 塔河油田一井多靶可酸溶堵漏技术

  齐彪,李银婷,乐明,姜雪清,刘文堂

  塔河油田碳酸盐岩油藏欠发育区储层缝洞规模小，单井难以实现经济开发，通过采用“一井多靶”钻井穿过多个缝洞储集体，可有效提高单井产能，而钻遇的复杂缝洞漏失问题制约了钻井工程提速提效。针对碳酸盐岩储层堵漏技术难点，分析储层漏失特征及堵漏需求，研制了一种可酸溶凝胶颗粒，酸溶率大于86%，膨胀倍数为3～5倍，膨胀后具有良好的韧性和变形性。基于凝胶颗粒堵漏机理，采用正交实验方法，形成了与可酸溶凝胶颗粒协同复配可酸溶的矿物柔性纤维、片状等材料的可酸溶凝胶复合堵漏剂，抗温150 ℃，酸溶率大于85%，适应0.1～3.0 mm裂缝和4～10目的孔隙，正向承压强度大于9 MPa，反向承压强度大于5 MPa，现场应用效果表明，该堵漏技术可解决碳酸盐岩储层复杂的缝洞漏失问题，应用前景广。

• 环保型抗高温复合抗泥包润滑剂的制备及应用

  陈磊,张小平,贾俊

  在深井、超深井和超长水平段井的开发过程中，钻进时摩阻高、扭矩波动大和托压频繁等难题严重影响了施工进度。随着环保法的深入实施，对水基钻井液的抗温、环保和润滑性能要求也日益提高。为解决以上技术难题，通过胶束共聚法合成了一种具有多识别位点的共聚物，并通过插层纳米石墨，研发出一种新型的微纳米石墨-高分子复合抗泥包润滑减阻剂，该产品兼具防泥包和润滑的双重性能，产品抗温不小于160 ℃，荧光级别小于2，润滑系数降低率达85.0%，钻井液滤液的表面张力低于25 mN·m。接触角和X-射线光电子能谱结果表明，该润滑剂相比于水会优先吸附在钢片表面呈现疏水状态，并与Fe元素形成稳定的配位作用，从而提高润滑性能。

• 遇气自愈合水泥浆体系

  赫英状,步玉环,柳华杰

  针对顺北油气田凝析气藏在生产期间产生的微裂隙和微环隙，研制了适用于顺北油气田的遇气自愈合乳液，该乳液遇天然气体积膨胀率达30%，并配制出了密度范围在1.45～2.20 g/cm3的自愈合水泥浆体系。该水泥浆体系的适用温度在90～180 ℃，弹性模量小于7 GPa。同时，还设计了合理的水泥石遇气自愈合能力评价方法，通过首次造缝和二次造缝，水泥石的自愈合能力分别达到了100%和95.1%。研制的遇气自愈合水泥浆体系兼具自愈合能力和优异的弹性性能，已现场试验3口井，固井质量优质率为100%，满足了顺北油气田高温高压气井长期密封需要。

• 侧链对油井水泥降失水剂性能的影响及机理研究

  夏修建,李鹏鹏,于永金,靳建洲,张航,胡苗苗,郭锦棠

  为明确共聚物型油井水泥浆降失水剂的构效关系以及指导新型抗超高温耐盐降失水剂的分子结构设计，通过分子动力学模拟和实验相结合的方法研究了侧链结构对共聚物型降失水剂性能的影响及其抗温耐盐作用机理。实验结果表明，刚性苯环侧基的引入降低了240 ℃养护后淡水/饱和盐水水泥浆的API失水量，表现出优异的抗超高温耐盐性能。通过分子动力学模拟结果表明，刚性苯环侧基的引入增大了共聚物链段的回转半径，并减弱大量反离子（Na+和Ca2+）存在时对共聚物功能基团的去水化作用。这有利于降失水剂在水泥颗粒表面的吸附和水化，并充分发挥其原有使用效能。

• 高温及超高温下水泥石力学及孔渗特性变化规律

  丁建新,席岩,蒋记伟,王海涛,李雪松,李辉

  页岩油原位注热开采过程中，井筒温度处于高温或者超高温状态，容易导致水泥环密封完整性失效，开展水泥石在高温及超高温下的力学特性和孔渗特征变化规律极为重要。对此，研究了不同温度热处理条件下水泥石力学特性的变化，基于数字图像相关技术，分析了高温处理后水泥石破坏模式的变化，采用低场核磁共振技术对于热处理后水泥石孔隙度和渗透率的变化规律进行了研究，并分析了孔隙度与渗透率关系的相关性。研究结果表明，对于高温处理后的水泥石试样，随着热处理温度的不断增加，水泥石单轴压缩强度先增加、后减少。试样的孔隙度和渗透率不断增加，其规律为先缓慢增加、后快速增加，主要是因为热处理温度较低时，产生的主要是微、小孔隙且并未发生连通；随着热处理温度的不断提升，部分微、小孔隙聚合成为中、大孔，且不同级别的孔隙之间出现连通，进而导致渗透率显著升高。研究结果对于页岩油原位注热开采过程中水泥环密封完整性的保护以及水泥浆配方的优化具有重要的参考意义。

• 水平井压裂过程中固井界面裂缝的扩展规律

  李成嵩,李社坤,范明涛,陈旭波,靳迪,高飞,王茜

  页岩气水平井压裂过程中，高压流体的注入可能会引起压裂液沿水泥环一、二界面的窜流，对页岩气井井筒完整性提出了严峻挑战。基于CZM模型建立了定注入压力下水泥环一、二界面裂缝扩展模型，分析了水泥环、地层力学参数对固井界面裂缝扩展的影响规律。研究结果表明：提高固井二界面的胶结强度能同时抑制一、二界面的裂缝扩展；水泥环弹性模量由4 GPa增加至9 GPa，一、二界面扩展长度分别降低10 m、19 m，当弹性模量超过6 GPa时，其对二界面的影响减弱，泊松比由0.2增加至0.3，一、二界面裂缝长度分别降低10 m、1 m，表明泊松比主要会对一界面的裂缝扩展有所影响；地层弹性量从25 GPa增加到35 GPa，一、二界面裂缝长度分别增加3 m、9 m，表明弹性模量较低的地层有助于控制界面裂缝扩展。研究结果对水平井压裂过程中水泥环密封完整性的评价以及水泥浆体系的优选具有一定的指导意义。

• 页岩气藏压裂暂堵超分子凝胶体系研究

  张照阳,陈越美,鲍晋,唐雷,唐嘉,赖南君

  基于超分子化学原理研制的超分子凝胶暂堵剂，其适用于地层温度在90～110 ℃页岩气藏，并且具有稳定时间可调、强度高、解堵易的特点，可实现微裂缝以及深部裂缝屏蔽暂堵。利用β-CD作为主体，以SES作为客体，通过添加助剂构筑了一种新型的温度响应性超分子凝胶暂堵剂体系SCD12，通过表征手段证明了暂堵剂体系各组分之间存在超分子作用。并对其破胶残渣量、配伍性、流变、暂堵性能进行了测试。结果表明，暂堵剂体系SCD12在常温下为液态，黏度低而易于泵入。升温后能够迅速的封堵裂缝，即使破胶后黏度出现下降，仍然能够在一定的温度范围内实现有效封堵。其动态封堵能力为168.06 MPa·m?1，封堵性能好，岩心伤害率为9.3%，可以满足页岩气开发的暂堵转向压裂要求，是一种具有应有前景的新型暂堵剂。

• 降阻剂聚集形态与降阻性能研究

  石阳,许可,邹存虎,郭建春,杜雨柔,马应娴,李阳

  为明确滑溜水压裂液降阻剂宏观降阻性能的微观控制机制，利用环境扫描电镜对不同类型的聚合物降阻剂形成的聚集体结构进行大量微观表征，结合体系降阻性能测试，从聚合物分子聚集态层次揭示浓度对不同降阻剂体系降阻性能作用的微观机理。研究发现，滑溜水降阻剂在极低浓度下聚集形成丝状结构，随着降阻剂浓度的不断提高，这些丝线状结构逐渐缠结连接形成骨架，最终围成多层次的“蛛网状”聚集体网络结构。同时不同类型的滑溜水降阻剂所形成的网络结构又具有各自的特点，其中以乳液型和悬浮液型降阻剂网络结构最为完整，而粉剂型降阻剂由于溶解速度较慢，形成聚集体网络结构分布不均，网络强度普遍不高。降阻剂浓度对降阻剂聚集状态影响极大，在低浓度条件下，3种降阻剂形成的网络结构平均骨架厚度约为0.1～0.3 μm。随着降阻剂浓度的增大，体系网眼形状由不规则逐渐转变为多边形，部分降阻剂可形成强度较高、稳定性较好的圆形网络支撑结构，网眼尺寸减小，骨架厚度增加。当降阻剂浓度增加为0.05%时，骨架厚度可达0.3～0.9 μm，网络结构强度显著提高。滑溜水降阻剂形成的聚集体网络结构会对体系降阻性能产生重要影响，降阻剂加量与体系降阻性能之间并非表现出简单的线性关系，只有在合适浓度下形成的适中尺寸的聚集体网络结构才能与体系中的水分子紧密作用，稳定溶液流动状态，减少湍流脉动，降低湍流流动过程中的能量耗散，最终实现高效降阻的效果。

• 裂缝性高温基岩气井硫酸钙溶垢研究及现场应用

  郝少军,施晓雯,安小絮,何宏林,管璐

  柴达木盆地尖北、东坪气田储层温度为170 ℃，且垢样沉积具有多样化，对硫酸钙的溶垢研究提出了很大的挑战，为了解决该区块连续出现井筒结垢，影响气井生产及各项测试作业开展的难题。通过分析垢样组份、明确结垢机理和调研溶垢方法，针对现场垢样开展溶垢研究，区分井筒垢样沉积、储层结垢分别形成了碳酸盐置换溶垢、酸性有机磷酸溶垢配方及工艺，开展了现场应用。结果表明，井筒垢样成份为高纯度硫酸钙及少量的碳酸盐、铁质；垢样来源为高矿化度地层水中成垢离子随着压力逐渐降低，水份蒸发在井筒，炮眼、近井地带沉积结垢；碳酸盐物相置换溶垢法适用于井筒沉积的硫酸钙溶垢，可利用储层高温达到所需反应温度且对井筒管柱无腐蚀；酸性有机磷酸螯合剂溶垢法适用于沉积在炮眼、储层近井地带的硫酸钙溶垢，可同时结合相应的酸化液体系开展复合酸化工艺，减缓二次沉淀造成的储层伤害。最终有针对性的形成了2套溶垢剂配方及相应的溶垢工艺，可有效溶解储层硫酸钙，解决了现场技术难题，为气田增产、稳产做出了巨大的贡献。