引用本文
新型环保型堵漏剂性能评估[J]. 石油勘探与开发, 2018,45(6): 1082-1091.
NASIRI Alireza, GHAFFARKHAH Ahmadreza, DIJVEJIN Zahra Azimi, MOSTOFI Masood, MORAVEJI Mostafa Keshavarz, NASIRI Alireza, GHAFFARKHAH Ahmadreza, DIJVEJIN Zahra Azimi, MOSTOFI Masood, MORAVEJI Mostafa Keshavarz. Bridging performance of new eco-friendly lost circulation materials[J]. Petroleum Exploration & Development, 2018,45(6): 1082-1091.  
Doi: 10.11698/PED.2018.06.17
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新型环保型堵漏剂性能评估
NASIRI Alireza1, GHAFFARKHAH Ahmadreza1,2, DIJVEJIN Zahra Azimi3, MOSTOFI Masood4, MORAVEJI Mostafa Keshavarz5, NASIRI Alireza1, GHAFFARKHAH Ahmadreza1,2, DIJVEJIN Zahra Azimi3, MOSTOFI Masood4, MORAVEJI Mostafa Keshavarz5
1. Research Institute of Petroleum Industry, Tehran 14857-33111, Iran
2. Department of Petroleum Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran 15875-4413, Iran
3. Department of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran 14115-111, Iran
4. School of Chemical and Petroleum Engineering, Curtin University, WA 6102, Australia
5. Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran 15875-4413, Iran

第一作者简介：NASIRI Alireza (1969-),男,伊朗人,博士,伊朗石油工业研究院钻井液所所长,主要从事环保型钻井液的研究。地址：West Blvd., Near Azadi Sports Complex, Tehran, Iran, 邮政编码: 14857-33111。E-mail: nasiriar@ripi.ir

收稿日期: 2018-03-26
摘要

针对井漏会增加钻井成本和非生产时间的问题,采用多种新型环保型堵漏剂来控制膨润土钻井液和RIA-X钻井液的漏失,RIA-X钻井液可显著降低裂缝性或高渗透储集层的钻井液漏失量。通过堵漏剂测试仪的三维裂缝模拟井下真实情况,进行常规实验和堵漏剂测试,研究多种堵漏剂在各种尺寸裂缝中对2种钻井液的堵漏效果,优选最佳性能的堵漏剂及其组合模式。现场测试了新型环保堵漏剂在RIA-X钻井液中的控漏失效果,证明该环保堵漏剂可以控制常规固井或泡沫钻井无法应对的严重漏失。图9表10参55

关键词: 环保; 堵漏剂; 钻井液; 堵漏剂测试仪; 井漏
中图分类号:TE28 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2018)06-1082-10
Bridging performance of new eco-friendly lost circulation materials
NASIRI Alireza1, GHAFFARKHAH Ahmadreza1,2, DIJVEJIN Zahra Azimi3, MOSTOFI Masood4, MORAVEJI Mostafa Keshavarz5, NASIRI Alireza1, GHAFFARKHAH Ahmadreza1,2, DIJVEJIN Zahra Azimi3, MOSTOFI Masood4, MORAVEJI Mostafa Keshavarz5
1. Research Institute of Petroleum Industry, Tehran 14857-33111, Iran
2. Department of Petroleum Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran 15875-4413, Iran
3. Department of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran 14115-111, Iran
4. School of Chemical and Petroleum Engineering, Curtin University, WA 6102, Australia
5. Department of Chemical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran 15875-4413, Iran
Abstract

Lost circulation is one of the most important concerns of the drilling industry, causing excessive expenditure and increasing the non-productive drilling time. In this study, various lost circulation materials (LCMs) were used to control the lost circulation of two types of drilling fluids, bentonite mud and a new eco-friendly mud, named RIA-X, which has a remarkable effect on decreasing the amount of lost circulation in fractured and highly permeable reservoirs. The Bridging Material Test (BMT) apparatus was used to investigate the effectiveness of various LCMs in fractures of various sizes and to select the LCM and combination with the best performance. The use of three-dimensional fractures is one of the most notable points of this work, which makes the experimental conditions similar to those of real wells. The lost control performance of the new eco-friendly LCMs in RIA-X mud was tested in field. The outcomes show that the designed LCMs are able to control severe lost circulation that regular processes such as cementing or drilling with foam cannot deal with.

Keyword: eco-friendly; lost circulation material; drilling mud; bridging material test; lost circulation
0 引言

井漏是钻井工业关注的重点之一, 每年要花费数百万美元来处理井漏及其带来的严重问题, 如钻井时间的浪费、钻井液损失、储集层伤害甚至井喷[1, 2, 3, 4]。井漏常常发生在天然裂缝发育、溶洞发育以及高渗透率的薄弱地带。此外, 高压导致的水力裂缝同样会影响地层漏失[5]。

处理井漏的首要步骤是确定漏失层的准确位置, 并评估漏失量。Chen等采用数值模拟估计了直井中漏失层位[6]。Liu应用生产测井数据实现了地下漏失层位的确定[7]。Nayberg等将井漏分为3类：漏失速率为1.59 m3/h（10 bbl/h）, 属于渗透性漏失; 漏失速率为1.59~79.50 m3/h（10~500 bbl/h）, 属于部分漏失, 该类型漏失多发于砾石层、小尺寸水平天然裂缝以及小开度的垂直裂缝区域; 漏失速率大于79.50 m3/h（500 bbl/h）属于完全漏失, 发生在渗透性地层、大段砾石层以及含长水平裂缝和垂直裂缝、大开度垂直裂缝、大孔隙的地层[8]。

钻井或固井过程中, 可采用的堵漏技术有：堵漏剂、井筒强化技术、充气钻井液、膨胀管钻井以及随钻下套管等[9, 10, 11, 12, 13], 其中, 处理并预防井漏的最佳途径是使用堵漏剂。

针对堵漏剂已有多方面的研究[14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]。根据物理性质、外观、应用以及机理, 把堵漏剂分为4类：纤维状、粒状、片状和前3种的混合物[21, 22, 23, 24, 25]。Loeppke等研究证明当粒状堵漏剂的颗粒尺寸大于裂缝宽度时形成稳定桥堵[26]。Wang等通过评估粒状堵漏剂的封堵性能, 发现其颗粒尺寸分布和浓度对堵漏效果有直接影响[27]。纤维状、粒状及片状材料混合而成的堵漏剂, 可有效防止现场的严重漏失[2, 28, 29]。Mano介绍了一种由碳基材料和晶状合成聚合物混合而成的堵漏剂, 用于油气钻井中防止井漏发生[30]。Goud等通过混合结晶石墨、一定大小的碳酸钙颗粒以及微粒化的可变形聚合物, 实现有效封堵裂缝、充填小尺寸孔洞并强化地层[31]。

颗粒尺寸的分布同样影响堵漏剂的封堵效率[32, 33, 34]。Dick等提出了理想填充理论, 该方法采用线性图来优化某种样品的粒径分布[35]。Stephen等发现, 如果堵漏剂的粒径与孔隙尺寸的特征参数D10、D50和D90值均相等, 地层中的漏失量将降到最低[36]。Siddiqui等研究了碳酸钙颗粒的尺寸和浓度与裂缝性地层中漏失量的关系, 其中粒径分布对堵漏性能有不可忽略的影响[37]。Alsaba等发现, 如果堵漏剂颗粒的特征参数D50与D90分别等于或大于裂缝宽度的3/10和6/5, 则可有效封堵裂缝[38]。

对环境影响较小是设计堵漏剂时考虑的另一重要因素[39, 40]。实现该目的的最佳途径是采用天然取材的堵漏剂[41, 42, 43, 44]。Cremeans利用棉籽壳来封堵严重漏失层, 这种添加剂还可提升对钻头的润滑效果, 适用温度范围大[45]。Malcolm等利用椰糠配制的新型堵漏剂可防止钻井过程中的井漏[46]。

本研究的主要目的是设计一种可防止钻井液出现各种类型漏失的环保堵漏剂。利用RIA-X添加剂配制环保型钻井液, 混合几种新型环保堵漏剂RIPI-LQC、RIPI-LQF和RIA-G等预防井漏。首先, 利用ASTM E11标准筛确定各添加剂的粒径分布; 然后, 采用堵漏剂测试仪评价RIA-X钻井液和膨润土钻井液中不同堵漏剂的性能; 最后将研发的堵漏剂应用于伊朗南部Gardan油田的井中, 检验防漏失效果。

1 实验介绍
1.1 实验材料

根据伊朗钻井数据, 选择一种无论在油井还是气井中均发生严重漏失的膨润土钻井液用于本文研究。该钻井液主要应用于Aghajari地层、Mishan地层以及Gachsaran地层的低压区。此外, 本研究还引入了利用RIA-X添加剂制成的环保钻井液, 此添加剂由名为山地香雪球（Mountain Alyssum）的植物配制, 该植物的种子富含极性糖蛋白和胞外多糖, 汁液具有黏弹性, 可制作凝胶或增稠剂。需指出, 研磨该植物的方法以及粒径分布对其滤失性有显著影响。最终, 在实验用钻井液罐中配备了上述两类钻井液。在21 ℃条件下热滚4 h前后均测量了钻井液物性参数, 在60 ℃条件下根据API RP 13I标准测量了老化后的钻井液流变特性[47]。钻井液物性参数列于表1, 其中膨润土钻井液由17.1 g/L的膨润土、清水、2.9 g/L的高黏度羧甲基纤维素钠（CMC-HV）以及0.6 g/L的烧碱合成; RIA-X钻井液由17.1 g/L的RIA-X、清水、0.6 g/L的烧碱、1.4 g/L的含氧清除剂以及1.4 g/L的活性环保型消泡剂（AEAF）合成。

表1 钻井液物性参数

选取钻井液后, 向钻井液中加入了各类堵漏剂, 包括RIPI-LQ、RIA-G、IFV-Red、Quick Seal、ResiDrill、PF-BD1-Fiber、云母以及牡蛎壳。RIPI-LQ由一种名为麻叶荨麻（Urtica Cannabina）的多年生植物制成, 研磨该植物的方法以及粒径分布对其性能有不可忽略的影响。另外, 烘干该植物所耗的热量, 对其形成稳定桥堵的能力有直接影响。

笔者发现, RIA-G也属于环保堵漏剂, 由小麦麸皮和胚芽制成。该堵漏剂易于压缩, 导热系数为0.067 W/（m· K）, 其微小颗粒可充填其他堵漏剂形成的桥堵中的孔隙, 从而降低总漏失量。IFV-Red是由一种富含膳食纤维和必需脂肪酸的草籽制成的新型环保型堵漏剂, 可有效改善钻井液的滤失性和流变特性。

首先, 通过实验测量这些材料的颗粒尺寸, 利用ASTM E11标准筛确定粒径分布。本研究采用振动筛Model RX-94, 将一定量的样品筛30 min, 然后称重剩余样品。最终, 计算通过筛网的材料总量、百分比以及累计百分比。其中, 细粒RIPI-LQ（RIPI-LQF）、粗粒RIPI-LQ（RIPI-LQC）以及RIA-X的粒径分布如图1所示。为计算各类添加剂在酸中的溶解度, 精确称量10 g各类添加剂加入到100 mL浓度为28%的盐酸溶液中, 然后采用陶瓷筛测量不溶于盐酸的堵漏剂的量。本研究使用的各种添加剂的物性参数和粒径分布如表2所示。

图1 3种添加剂的粒径分布图

表2 各种添加剂的物性参数和粒径分布

以往的研究通过分析重金属的浓度来评价钻井液添加剂的毒性[48, 49]。在本研究中, 根据Derakhshan等提出的实验方法[50]计算上述环保型添加剂中重金属（铅、镉、锌、铬、砷和铜）的浓度, 如表3所示。所有上述重金属浓度均低于世界卫生组织（WHO）提出的可食用蔬菜中重金属浓度（即浓度允许值, 见表

3）[50, 51]。因此, 采用这些环保型添加剂对环境没有负面影响。

1.2 常规实验

本研究采用标准压滤机分析钻井液滤失性以及漏失量[52]。采用黏度计（Model 35）测量钻井液的黏度和凝胶强度。需指出, 此类实验方法符合API 13B-1标准[53]。

表3 各种添加剂的重金属质量浓度
1.3 堵漏剂性能测试实验

1.3.1 仪器设备

本研究采用堵漏剂测试仪（Model QD-4, 见图2）评价各堵漏剂的性能。本装置通过深4.98 cm（1.96 in）, 长3.51 cm（1.38 in）, 宽分别为0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 cm（0.04, 0.08, 0.12, 0.16, 0.20 in）的三维裂缝模拟裂缝性地层。实验过程中需考虑不同尺寸裂缝中的漏失状态, 因此, 根据缝槽的尺寸, 计算了膨润土钻井液和RIA-X钻井液相应条件下的渗透率和流速, 表4列出了6.89 MPa（1 000 psi）压差下堵漏剂测试仪中各裂缝槽对应的参数。利用压缩氮气和气体压力调节器向堵漏剂测试仪施加压力。

图2 堵漏剂测试仪[50]

表4 6.89 MPa（1 000 psi）压差条件下不同缝槽中钻井液的渗透率和流速

由表4看出, 在6.89 MPa（1 000 psi）压差条件下, 0.3, 0.4和0.5 cm（0.12, 0.16, 0.20 in）宽缝槽可模拟流速大于79.5 m3/h（500 bbl/h）的钻井液漏失。因此, 应用这些尺寸的缝槽进行控制完全漏失的实验。绝大多数的相关实验都采用无深度的缝槽, 而本实验装置采用了有深度的三维裂缝（见图3）。所以本研究实验条件更接近于真实井筒, 如果堵漏剂可以封堵装置中的裂缝, 则同样适用于这类尺寸的地层裂缝[54, 55]。

图3 有深度缝槽（上）和无深度缝槽（下）对比图

1.3.2 测量方法

本研究采用堵漏剂测试仪, 按照API RP 13I标准评估漏失量[47]。缝槽置于出口阀前, 将含有一定量堵漏剂的钻井液倒入堵漏剂测试仪（保持出口阀开启）, 同时精确测量出口钻井液量。然后, 将活塞置于钻井液上, 每10 s提升钻井液压力0.34 MPa（50 psi）, 直到压力增加至6.89 MPa（1 000 psi）或者钻井液停止流动为止。当堵漏剂成功阻止钻井液外流时, 保持压力恒定10 min, 并记录最终流出钻井液量。变换缝槽（改变尺寸）重复实验, 直到在6.89 MPa（1 000 psi）压力下实现完全堵漏, 实验结果用于对比各种堵漏剂的性能[54, 55]。

2 结果与讨论

堵漏剂测试仪中含有3 500 mL液体, 如果计算的漏失量为3 500 mL, 则表明堵漏剂无法控制漏失; 漏失量在1 000 mL以下, 则表明堵漏性能优异。

2.1 初步实验

图4比较了6.89 MPa（1000 psi）压差下2种钻井液中加入等浓度堵漏剂后, 0.1 cm（0.04 in）宽的无深度缝槽和有深度缝槽中钻井液漏失量。结果明确显示, 采用无深度缝槽进行实验时, RIPI-LQC和粗粒Quick Seal对钻井液漏失量的控制性能差。这主要是因为堵漏剂只有在内部封堵裂缝时才能达到最佳效果。在其他尺寸的缝槽实验中同样存在该现象, 因此本研究在其余实验中均采用有深度缝槽。

图4 0.1 cm宽缝槽的实验结果

图5展示了在0.69, 2.07, 6.89 MPa（100, 300, 1 000 psi）压差条件下, 采用57.0 g/L的RIPI-LQC时, 裂缝宽度对2种钻井液漏失量的影响。可以看出, 漏失量随裂缝宽度增加而增加, 同时随压力增大而增加。

图5 不同压差条件下裂缝宽度对含RIPI-LQC的RIA-X钻井液（a）和膨润土钻井液（b）漏失量的影响

2.2 0.1 cm（0.04 in）宽裂缝中的控漏失情况

表5展示了在0.1 cm（0.04 in）宽度裂缝中, 不同堵漏剂在6.89 MPa（1 000 psi）压差条件下控制漏失的效果。漏失程度分为3类：最小、中度和完全漏失。最小漏失（钻井液漏失量小于1 000 mL）用于表征堵漏剂可形成稳定桥堵并有效控制漏失; 中度漏失（钻井液漏失量为1 000~3 500 mL）用于表征堵漏剂无法形成稳定的桥堵, 不是控制漏失的最佳选择; 完全漏失（钻井液漏失量为3 500 mL）表示堵漏剂不能形成桥堵, 导致实验装置中的钻井液完全漏出。

表5 6.89 MPa压差下不同堵漏剂控制钻井液漏失的 性能（0.1 cm宽缝槽）

该宽度的裂缝是研究轻度漏失的理想模型。但结果证明, 即便是大量使用牡蛎壳和粗粒云母, 都不能合理控制0.1 cm（0.04 in）宽度裂缝中的漏失, 其主要原因是粒径分布不合理。特别强调的是, 在另外两种宽度的缝槽中, 这两类薄片型堵漏剂性能都差, 说明它们自身不能控制漏失。与此相似的是添加PF-BD1-Fiber也不能控制该宽度裂缝中的漏失, 这种堵漏剂的粒径分布广且合理, 但纤维类堵漏剂不能形成稳定的桥堵, 所以也不是控制裂缝性地层漏失的合理方案。ResiDrill因为其粒径较小同样无法控制膨润土钻井液和RIA-X钻井液漏失。

相比之下, 42.8 g/L蛭石的漏失控制效果较好。然而, 此时膨润土钻井液和RIA-X钻井液的漏失量均超过了1 000 mL, 说明该剂量的蛭石不是控制0.1 cm宽裂缝中钻井液漏失的最佳方案。结果表明, 28.5 g/L RIPI-LQC或粗粒Quick Seal可以有效控制两种钻井液的漏失, 并且这些堵漏剂在RIA-X钻井液中的性能要优于膨润土钻井液。尤其是在RIA-X钻井液中加入28.5 g/L RIPI-LQC, 漏失量极小, 主要原因可能是RIA-X有合理的粒径分布（见图1c）, 该添加剂可帮助其他堵漏剂形成更加稳定的桥堵, 从而降低漏失量。

2.3 0.2 cm（0.08 in）宽裂缝中的控漏失情况

表6总结了在0.2 cm（0.08 in）宽度裂缝中, 不同堵漏剂控制漏失的结果。该宽度裂缝中的漏失研究有助于分析最小至中度漏失行为。结果表明, 28.5 g/L RIPI-LQC可以显著控制膨润土钻井液和RIA-X钻井液的漏失, 比42.8 g/L粗粒Quick Seal性能略优, 表明RIPI-LQC的堵漏效果优于Quick Seal。添加蛭石时2种钻井液的漏失量均大于1 000 mL。

表6 6.89 MPa压差下不同堵漏剂控制钻井液漏失的 性能（0.2 cm宽缝槽）
2.4 0.3 cm（0.12 in）宽裂缝中的控漏失情况

0.3 cm（0.12 in）宽裂缝可表征严重漏失的情况, 表7展示了不同堵漏剂的实验结果。膨润土钻井液中采用了42.8 g/L RIPI-LQC控制漏失, 同浓度的RIPI-LQC也可合理控制RIA-X钻井液漏失。当增加RIPI-LQC的浓度至57.0 g/L时, 堵漏效果进一步提升, RIA-X钻井液漏失量降至360 mL。结果表明, 相比42.8 g/L粗粒Quick Seal, 同浓度RIPI-LQC的控漏失性能更佳。控制膨润土钻井液漏失比控制RIA-X钻井液漏失难度大, 说明RIA-X的粒径分布更合理, 因此, 该添加剂可以改善其他堵漏剂的性能。

表7清晰地表明, 即使是高浓度的蛭石堵漏剂也无法封堵该尺寸的裂缝。主要原因在于, 该堵漏剂形成的桥堵会在高压条件下被破坏, 造成完全漏失; 且该堵漏剂脆度高, 高压条件下形成的桥堵阻力小, 在更宽的裂缝中更易受破坏。因此, 笔者认为该堵漏剂不适用于控制大尺寸裂缝的严重漏失。

表7 6.89 MPa压差下不同堵漏剂控制钻井液漏失的性能（0.3 cm宽裂缝）

混合各种小粒径堵漏剂（RIPI-LQF、RIA-G、Residrill等）以及大粒径堵漏剂（RIPI-LQC、粗粒Quick Seal等）, 细小颗粒充填了大尺寸堵漏剂形成的桥堵内部的孔隙, 从而提升了堵漏剂桥堵的稳定性, 降低了总漏失量。图6和图7分别展示了0.3 cm（0.12 in）宽度裂缝中膨润土钻井液和RIA-X钻井液的漏失情况。结果表明, 混合14.3 g/L RIPI-LQF与42.8 g/L RIPI-LQC可降低2种钻井液的漏失量, 把14.3 g/L RIPI-LQF加入42.8 g/L粗粒Quick Seal中, 同样可略微提升堵漏剂的性能。但需指出, 混合14.3 g/L RIPI-LQF和42.8 g/L RIPI-LQC, 相比混合14.3 g/L RIPI-LQF和42.8 g/L粗粒Quick Seal更能有效控制膨润土钻井液和RIA-X钻井液的漏失。此外, 混合14.3 g/L RIPI-LQF、14.3 g/L RIA-G 以及42.8 g/L RIPI-LQC, 可显著降低2种钻井液的漏失量。向42.8 g/L RIPI-LQC或粗粒Quick Seal中混合14.3 g/L ResiDrill, 并不能显著提升在该宽度裂缝中的堵漏效果, 说明ResiDrill不适用于封堵RIPI-LQC或粗粒Quick Seal形成的桥堵中的小孔隙。

图6 不同堵漏剂组合控制0.3 cm（0.12 in）裂缝中膨润土钻井液漏失的性能

图7 不同堵漏剂组合控制0.3 cm（0.12 in）裂缝中RIA-X钻井液漏失的性能

2.5 0.4 cm（0.16 in）宽裂缝中的控漏失情况

此条件下的测试有助于研究堵漏剂控制严重漏失的性能。表8列出了不同堵漏剂组合下的性能参数。57.0 g/L RIPI-LQC具有足够的能力控制膨润土钻井液和RIA-X钻井液漏失, 混合57.0 g/L RIPI-LQC和14.3 g/L RIPI-LQF的堵漏效果更佳。57.0 g/L粗粒Quick Seal同样可合理控制2种钻井液的漏失。相比而言, 混合42.8 g/L RIPI-LQC和42.8 g/L蛭石无法控制该尺寸宽度裂缝中的漏失, 主要原因是这2种堵漏剂形成的桥堵遭到破坏; 同样, 混合57.0 g/L RIPI-LQC 和28.5 g/L蛭石也不能合理控制2种钻井液的漏失。虽然多家钻井公司通常首选蛭石作为处理Aghajari、Mishan和Gachsarans上段地层漏失的堵漏剂, 然而表7和表8的数据清晰地表明, 蛭石（本身或与其他堵漏剂混合）不是控制严重漏失的合理选择。

表8 6.89 MPa压差下不同混合模式的堵漏剂控制钻井液 漏失的性能（0.4 cm宽裂缝）

为提升大粒径堵漏剂的堵漏性能并降低总体漏失量, 向大粒径堵漏剂中混入了小粒径堵漏剂。如图8所示, 混合14.3 g/L RIA-G、14.3 g/L RIPI-LQF和57.0 g/L RIPI-LQC可大大降低漏失量。此外, 混合14.3 g/L RIA-G、14.3 g/L RIPI-LQF和57.0 g/L粗粒Quick Seal比单独采用57.0 g/L粗粒Quick Seal的堵漏效果更好。这是因为, 小粒径堵漏剂可有效充填大粒径堵漏剂形成的桥堵内的孔隙, 最终提升堵漏性能。

图8 不同堵漏剂组合控制0.4 cm（0.16 in）缝槽中2种钻井液漏失的性能

2.6 0.5 cm（0.20 in）宽裂缝中的控漏失情况

0.5 cm（0.20 in）宽裂缝可用于研究不同堵漏剂控制严重漏失的性能, 结果列于表9。采用RIPI-LQC和RIPI-LQF的各种混合模式控制膨润土钻井液的漏失, 其中51.3 g/L RIPI-LQC和20.0 g/L RIPI-LQF的组合性能最好。虽然57.0 g/L RIPI-LQC混合14.3 g/L RIPI-LQF不能完全控制膨润土钻井液的漏失, 但在RIA-X钻井液中的应用效果较好。结果再次表明, 相同堵漏剂混合方案中, RIA-X钻井液比膨润土钻井液的漏失量更小。采用3种不同的以粗粒Quick Seal为主的混合方案研究了膨润土钻井液的漏失情况, 其漏失量均大于1 000 mL; 向RIA-X钻井液加入71.3 g/L粗粒Quick Seal同样无法完全封堵0.5 cm（0.20 in）宽度的裂缝。

表9 6.89 MPa压差下不同混合模式的堵漏剂控制钻井液漏失的性能（0.5 cm宽裂缝）

最后, 混合小粒径堵漏剂和大粒径堵漏剂进行实验, 以提高堵漏性能。从图9可以看出, 混合51.3 g/L RIPI-LQC、20.0 g/L RIPI-LQF和14.3 g/L RIA-G是控制此宽度裂缝中膨润土钻井液漏失的最佳方案; 混合57.0 g/L RIPI-LQC、14.3 g/L RIPI-LQF和14.3 g/L RIA-G, 可以有效控制RIA-X钻井液的严重漏失。

图9 不同堵漏剂组合控制0.5 cm（0.20 in）缝槽中钻井液漏失的性能

3 现场测试

本文研究的新型环保堵漏剂已经在10余口井中成功控制了不同程度的井漏。所有现场测试中, 其中一组可以控制注水泥塞和泡沫钻井等常规处理方式都无法应对的严重漏失, 更能体现出这些堵漏剂的优异性能。

这口已钻井位于伊朗南部, 钻探目的是预估Gardan油田的初始油气量。Hith地层发生了钻井液漏失, 该地层富含白云石和蒸发岩, 这口井控漏失起始钻深为1 714.1 m（3 524 ft）。首先分3个阶段注入水泥浆形成封堵, 当水泥凝固后, 恢复钻井并钻穿水泥塞, 再一次发生严重漏失。接下来, 采用泡沫钻井来有效降低钻井液密度, 从而降低漏失量, 然而钻井液漏失速率仍高达39.75 m3/h（250 bbl/h）。

根据该地区现有材料, 制备了RIA-X钻井液和膨润土钻井液, 并对比了其特性（见表10）。膨润土钻井液中加入了8.6 g/L CMC-HV, 来改进其黏度和控漏失性能; RIA-X钻井液中加入了14.3 g/L IFV-Red来改善流变性和滤失性能。需说明, 上述钻井液中都加入了57.0 g/L RIPI-LQC、14.3 g/L RIPI-LQF和14.3 g/L RIA-G作为堵漏剂。研究结果表明, 膨润土钻井液的流变性受盐水影响而显著降低, 上述堵漏剂在RIA-X钻井液中的表现更为稳定。此外, RIA-X钻井液和膨润土钻井液的总成本分别为343.4美元/m3（54.60美元/bbl）和476.4美元/m3（75.75美元/bbl）。最终, 选用加入环保型堵漏剂的RIA-X钻井液来控制该井漏失。该钻井液添加剂由草本植物甚至常见的可食用材料制成, 因而十分环保。

表10 RIA-X钻井液和膨润土钻井液物性

根据漏失程度（属于完全漏失）向井内注入了含有环保堵漏剂的79.5 m3（500 bbl）RIA-X钻井液, 由39.8 m3（250 bbl）不含任何堵漏剂的RIA-X钻井液进行驱替。之后, 上提钻柱, 使钻头略低于套管鞋, 注入63.6 m3（400 bbl）含环保堵漏剂的RIA-X钻井液, 然后由钻柱注入15.9 m3（100 bbl）不含任何堵漏剂的RIA-X钻井液。大约17 h后, 向井中注入119.3 m3（750 bbl）不含堵漏剂的RIA-X钻井液, 确定漏失速率为6.36 m3/h（40 bbl/h）。然而, 2 h后漏失速率降至5.01 m3/h（30 bbl/h）。上提钻头至942 m（3 090 ft）深度, 注入39.8 m3（250 bbl）含环保堵漏剂的RIA-X钻井液。最终钻井液漏失速率降至1.59 m3/h（10 bbl/h）以下, 将钻柱下返至井中, 漏失速率为0.96 m3/h（6 bbl/h）。

4 结论

粗粒云母和牡蛎壳完全不能控制裂缝性地层漏失; PF-BD1-Fiber（纤维堵漏剂）无法形成稳定的桥堵或封堵小裂缝, 导致裂缝性地层完全漏失; 由于颗粒尺寸小, ResiDrill不适于封堵各种尺寸的裂缝; 蛭石只能在0.10 cm（0.04 in）和0.20 cm（0.08 in）裂缝中形成桥堵, 这种桥堵在更宽的裂缝中易损坏, 导致完全漏失。由于漏失量大, 蛭石同样不是控制小裂缝漏失的最佳选择。

在本文所有堵漏剂中, RIPI-LQC和粗粒Quick Seal在膨润土钻井液和RIA-X钻井液中具有较好的堵漏性能。当RIPI-LQC和粗粒Quick Seal或其混合物可以形成稳定的桥堵时, 添加小尺寸的堵漏剂, 如RIPI-LQF和RIA-G, 会降低总漏失量, 增强堵漏效果。且控制环保型RIA-X钻井液的漏失比控制膨润土钻井液漏失更容易。

本文介绍的环保型钻井液和堵漏剂成功应用于现场测试, 控制了常规操作（注水泥或泡沫钻井）无法解决的严重漏失。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] SWEATMAN R E, KESSLER C W, HILLIER J M. New solutions to remedy lost circulation, cross flows, and underground blowouts[R]. SPE 37671, 1997. [本文引用:1]
[2] MORTADHA A, RUNAR N, GEIR H, et al. Review of lost circulation materials and treatments with an updated classification[R]. Houston, Texas: AADE Fluids Technical Conference and Exhibition, 2014. [本文引用:2]
[3] ARUNESH K, SHARATH S. Lost circulation control and wellbore strengthening: Looking beyond particle size distribution[R]. Houston, Texas: AADE Fluids Technical Conference and Exhibition, 2011. [本文引用:1]
[4] RAZAVI O, VAJARGAH A K, VAN O E, et al. Comprehensive analysis of initiation and propagation pressures in drilling induced fractures[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2017, 149: 228-243. [本文引用:1]
[5] FENG Y, JONES J F, GRAY K E. A review on fracture-initiation and -propagation pressures for lost circulation and wellbore strengthening[R]. SPE 181747, 2016. [本文引用:1]
[6] CHEN Y, YU M, STEFAN M, et al. Fluid flow and heat transfer modeling in the event of lost circulation and its application in locating loss zones[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 148: 1-9. [本文引用:1]
[7] LIU H. Principles and applications of well logging[M]. Heidelberg: Springer, 2017. [本文引用:1]
[8] NAYBERG T M, PETTY B R. Laboratory study of lost circulation materials for use in oil-base drilling muds[R]. SPE 14995, 1986. [本文引用:1]
[9] WANG H, SWEATMAN R E, ENGELMAN R, et al. Best practice in understand ing and managing lost circulation challenges[R]. SPE 95895, 2008. [本文引用:1]
[10] ARUNESH K, SHARATH S, DONALD W, et al. Wellbore strengthening: The less-studied properties of lost-circulation materials[R]. SPE 133484, 2010. [本文引用:1]
[11] GROWCOCK F, HARVEY T. Drilling fluids processing hand book[M]. Burlington: Elsevier, 2005. [本文引用:1]
[12] REZA R, MORTADHA A, RUNAR N. Analysis of analytical fracture models for wellbore strengthening applications: An experimental approach[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2016, 36: 865-874. [本文引用:1]
[13] GRAY G R, DARLEY H C, ROGERS W F. Composition and properties of oil well drilling fluids[M]. Houston, Texas: Gulf Publishing Company, 1980. [本文引用:1]
[14] IVAN C D, BRUTON J R, MARC T, et al. Making a case for rethinking lost circulation treatments in induced fractures[R]. SPE 77353, 2002. [本文引用:1]
[15] SAVARI S, KUMAR A, WHITFILL D L, et al. Improved lost circulation treatment design and testing techniques minimizes formation damage[R]. SPE 143603, 2011. [本文引用:1]
[16] AY A, GUCUYENER I H, KOK M V. An experimental study of silicate-polymer gel systems to seal shallow water flow and lost circulation zones in top hole drilling[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2014, 122(3): 690-699. [本文引用:1]
[17] ALSABA M T, NYGAARD R, SAASEN A, et al. Laboratory evaluation of sealing wide fractures using conventional lost circulation materials[R]. SPE 143603, 2014. [本文引用:1]
[18] PATRICK G, LAURENT L, SHARATH S, et al. Size degradation studies of lost circulation materials in a flow loop[R]. SPE 178774, 2016. [本文引用:1]
[19] XU C, KANG Y, CHEN F, et al. Analytical model of plugging zone strength for drill-in fluid loss control and formation damage prevention in fractured tight reservoir[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2017, 149: 686-700. [本文引用:1]
[20] ALSABA M T, NYGAARD R, SAASEN A, et al. Lost circulation materials capability of sealing wide fractures[R]. SPE 170285, 2014. [本文引用:1]
[21] CANSON B E. Lost circulation treatments for naturally fractured, vugular, or cavernous formations[R]. SPE 13440, 1985. [本文引用:1]
[22] MCKINLEY M J, APPLEGATH D D. Method of inhibiting lost circulation from a wellbore: U. S. Patent 4526240[P]. 1985-07-02. [本文引用:1]
[23] WAGLE V B, KULKARNI S D. Protein-based fibrous bridging material and process and system for treating a wellbore: WIPO Patent Application WO/2015/130277[P]. 2015-09-03. [本文引用:1]
[24] WU Q. Engineering plastic/inorganic fiber blends as lost circulation materials: U. S. Patent 9366098[P]. 2016-06-14. [本文引用:1]
[25] HOWARD G C, SCOTT P P. An analysis and the control of lost circulation[J]. Journal of Petroleum Technology, 1951, 3(6): 171-182. [本文引用:1]
[26] LOEPPKE G E, GLOWKA D A, WRIGHT E K. Design and evaluation of lost circulation materials for severe environments[J]. Journal of Petroleum Technology, 1990, 42(3): 328-337. [本文引用:1]
[27] WANG G, CAO C, PU X, et al. Experimental investigation on plugging behavior of granular lost circulation materials in fractured thief zone[J]. Particulate Science and Technology, 2015, 34(4): 392-396. [本文引用:1]
[28] PILEHVARI A A, NYSHADHAM V R. Effect of material type and size distribution on performance of loss/seepage control material[R]. SPE 73791, 2002. [本文引用:1]
[29] WHITFILL D L, HEMPHILL T. All lost-circulation materials and systems are not created equal[R]. SPE 84319, 2003. [本文引用:1]
[30] MANO S. Method and composition for preventing or treating lost circulation: U. S. Patent 7534744[P]. 2009-05-19. [本文引用:1]
[31] GOUD M C, JOSEPH G. Drilling fluid additives and engineering to improve formation integrity[R]. SPE 104002, 2006. [本文引用:1]
[32] NAYBERG T M. Laboratory study of lost circulation materials for use in both oil-based and water-based drilling muds[J]. SPE Drilling Engineering, 1987, 2(3): 229-236. [本文引用:1]
[33] KAEUFFER M. Determination de l’optimum de remplissage granulometrique et quelques proprietes s’y rattachant[R]. Rouen: Congres International de I’AFTPV, 1973. [本文引用:1]
[34] CARGNEL R D, LUZARDO J P. Particle size distribution selection of CaCO3 in drill-in fluids: Theory and applications[R]. SPE 53937, 1999. [本文引用:1]
[35] DICK M A, HEINZ T J, SVOBODA C F, et al. Optimizing the selection of bridging particles for reservoir drilling fluids[R]. SPE 58793, 2000. [本文引用:1]
[36] STEPHEN V, MARTIN C, TOM J, et al. A new methodology that surpasses current bridging theories to efficiently seal a varied pore throat distribution as found in natural reservoir formations[R]. SPE 143497, 2011. [本文引用:1]
[37] SIDDIQUI M A A, Al-ANSARI A A, Al-AFALEG N I, et al. Drill-in fluids for multi-lateral MRC wells in carbonate reservoir: PSD optimization and best practices leads to high productivity: A case study[R]. SPE 101169, 2006. [本文引用:1]
[38] ALSABA M, AL-DUSHAISHI M F, NYGAARD R, et al. Updated criterion to select particle size distribution of lost circulation materials for an effective fracture sealing[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 149: 641-648. [本文引用:1]
[39] APALEKE A S, AL-MAJED A A, HOSSAIN M E. Drilling fluid: State of the art and future trend[R]. SPE 149555, 2012. [本文引用:1]
[40] HOSSAIN M E, AL-MAJED A A. Fundamentals of sustainable drilling engineering[M]. Chichester, United Kingdom: John Wiley & Sons, 2015. [本文引用:1]
[41] GREEN P C. Use of ground, sized cocoa bean shells as a lost circulation material in drilling mud: U. S. Patent 4474665[P]. 1984-10-02. [本文引用:1]
[42] SAMPEY J A. Sugar cane additive for filtration control in well working compositions: U. S. Patent 7094737[P]. 2006-08-22. [本文引用:1]
[43] HOSSAIN M E, WAJHEEUDDIN M. The use of grass as an environmentally friendly additive in water-based drilling fluids[J]. Petroleum Science, 2016, 13(2): 292-303. [本文引用:1]
[44] BURTS B D. Lost circulation material with rice fraction: U. S. Patent 5599776[P]. 1997-02-04. [本文引用:1]
[45] CREMEANS K S, CREMEANS J G. Lost circulation material and method of use: U. S. Patent 6630429[P]. 2003-10-07. [本文引用:1]
[46] MALCOLM M, DAVID S. Method for using coconut coir as a lost circulation material for well drilling: U. S. Patent Application 20040129460[P]. 2004-07-08. [本文引用:1]
[47] American Petroleum Institute. Recommended practice for field testing water-based drilling fluids[EB/OL]. (2013-04-08)[2018-08-08]. http://ballots.api.org/ecs/sc13/API_RP13B-1_5Ed_TestingWBDF_4316.pdf. [本文引用:2]
[48] XIE S, JIANG G, CHEN M, et al. An environment friendly drilling fluid system[J]. Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(3): 369-378. [本文引用:1]
[49] STELIGA T, ULIASZ M. Spent drilling muds management and natural environment protection[J]. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 2014, 30(2): 135-155. [本文引用:1]
[50] DERAKHSHAN Z, FARAMARZIAN M, MAHVI A H, et al. Assessment of heavy metals residue in edible vegetables distributed in Shiraz, Iran[J]. Journal of Food Quality and Hazards Control, 2016, 3(1): 25-29. [本文引用:2]
[51] NAZEMI S. Concentration of heavy metal in edible vegetables widely consumed in Shahroud, the North East of Iran[J]. Journal of Applied Environmental and Biological Sciences, 2012, 2(8): 386-391. [本文引用:1]
[52] NASIRI A, SHAHRABI M J, NIK M A, et al. Influence of monoethanolamine on thermal stability of starch in water based drilling fluid system[J]. Petroleum Exploration and Development, 2018, 45(1): 167-171. [本文引用:1]
[53] American Petroleum Institute. Recommended practice for laboratory testing of drilling fluids[EB/OL]. (2004-04-07)[2018-08-08]. http://ballots.api.org/ecs/sc13/RP13I_9Ed_LabTestingDF_4432.pdf. [本文引用:1]
[54] NASIRI A, GHAFFARKHAH A, MORAVEJI M K, et al. Experimental and field test analysis of different loss control materials for combating lost circulation in bentonite mud[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2017, 44(4): 1-8. [本文引用:2]
[55] NASIRI A, SHAHRABI M A, MORAVEJI M K. Application of new eco-friendly LCMs for combating the lost circulation in heavy-weight and oil-based mud[J]. RSC Advances, 2018, 8(18): 9685-9696. [本文引用:2]