用马尔文3000 激光粒度仪测定钻井液用酸溶性暂堵剂的粒度

刁琪， 王冲敏， 陈缘博,王超群

（1. 中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊 065201; 2.天津中海油服化学有限公司，天津滨海 300450）

1 暂堵剂及其作用机理

1.1 井漏的产生及条件

广义的井漏是指在石油、天然气的勘探开发过程中，各种流体，包括钻井液（俗称泥浆）、完井液、水泥浆等其它工作液体在地层压力作用下渗漏，进入地层的一种复杂情况。 通常情况下，我们所说的 “井漏” 是指在油气勘探开发过程中，泥浆渗透，进入地层的一种常见的井下事故。 井漏现象产生需要具备如下的条件：1）地层中存在能使泥浆流动的渗漏通道，如：小的孔隙、大的裂缝等。 2）井筒与地层之间存在能使泥浆在渗漏通道中发生流动的压力差。 要预防井漏现象的发生，可以提高地层的承压能力。 地层特性对漏失压力有着重要影响，一般可以用人工干预来堵住近井筒的渗漏通道，来增大泥浆进入漏失层的阻力来提高地层的抗压能力。 对于孔隙-裂缝型漏失层，一般往往在泥浆中加入堵漏材料。 其会在地层压力的作用下到达漏失层。 以封堵近井道的渗漏通道，来提高地层的抗压能力，起到防漏作用。

1.2 堵漏的原理

堵漏的原理一般来说是在钻井和完井工程中，若发生漏失，为了封堵漏失层，往往加入各种堵漏材料。 其可在距井筒很近的范围的渗漏道路上形成一道堵塞隔墙， 来隔断泥浆流动的通道。对堵漏材料的要求是，堵漏材料的物相、材料的形状、尺寸大小、钻井液的流变性能等都要适应漏失通道的形态，这样才能进入漏层。

1.3 堵漏的方法

常见的堵漏方法一般有以下几种：1）调整泥浆性能与钻井施工的措施， 一般降低泥浆密度、调整其流变参数和泵流量等方法，来减小井筒液柱压力，减小井筒的压力和环空压力损耗，改变泥浆在渗漏通道的流动阻力，此方法可以用于堵住渗透性孔隙地层的渗漏。 2）静止堵漏通常是指在发生完全或部分井漏的情况下，将钻杆提到井漏井段或提至套管内，静置一段时间以后，井漏现象就会解除。 3）桥接材料堵漏法是指将不同形状，例如：颗粒状、片状、纤维状等和不同尺寸大小，可分为粗、中、细的惰性材料，将其按照不同的配方混合于泥浆中，直接注入漏失层。 采用桥接堵漏方法进行操作时，应根据不同的漏失性能情况，选择合适的堵漏材料进行颗粒级配和质量配比。 4）高滤失钻井液堵漏法，高滤失浆液堵漏法是将高滤失堵漏材料，用清水配制成泥浆，之后将泥浆泵入井内进行封堵的一种方法。 在地层压力的作用下，泥浆会迅速失水，形成具有一定厚度的滤饼，来堵住漏失通道。 该方法应用范围较广，在渗透性漏失、部分漏失以及某些完全漏失的情况均可应用。 但是通常需要在漏失位置确定的情况下应用有更好效果。 5）暂堵法是指利用暂堵材料对漏失层进行堵漏， 在油气井投产后，使用相应的解堵剂进行解堵的一种封堵方法。 该法主要适用于封堵渗透性和微裂缝地层的渗漏，而且能有效地减少因漏失造成的油气层的损害。

当前酸溶性暂堵剂应用，主要是不同粒径的CARB 系列暂堵剂。 CARB 系列暂堵剂是一种白色自由流动粉末，在储层孔隙中进行理想充填，实现高效封堵，具有良好的承压能力。 CARB 系列暂堵剂可酸溶， 在油气井投产以后采用相应的解堵剂可进行有效的解堵，具有优异的储层保护效果。

CARB 的粒度分布对封堵性能产生较大的影响， 高效准确的测定CARB 系列样品的粒度分布， 对于室内研发和生产应用都有重要的意义。目前有很多种颗粒粒径的测量方法，在其中激光散射是应用最广泛的一种，该方法具有测量范围广，可以达到0.02～3000μm，粒度分析快，重复性好，可进行在线数据测量等特点。 对于室内研发和生产应用粒径控制都有较高的作用。 除此之外， 激光粒度仪可以得到多种粒度相关的数据，例如：平均粒径、比表面积、区间粒度分布和累计粒度分布等。 现阶段，粒度分析在材料工程、石油化工等领域具有非常重要的作用。 近年来，研究者们也发展了多种有关粒度分布的测试和测量方法，而激光粒度分析法测量速度快、精确度高级、准确读好等优点被人们普遍使用。 本文使用马尔文MS3000 激光粒度仪对CARB 系列样品进行了系统全面的粒径分析工作，对于测量条件进行了对比分析，从而筛选出更优的测试条件。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

2.1.1 仪器

Malvern Mastersizer 3000 型激光粒度分析仪（英国马尔文仪器有限公司），Hydro EV 全自动湿法进样装置，Aero S 全自动干法进样装置。

Malvern Mastersizer 3000 型激光粒度分析仪分析软件是应用Mie 理论开发的[1]，量程达到0.01～3500μm，在亚微米范围内具有超高的分辨率。 测量速度高达10000 次/s， 对于任何分布不规则的样品均可达到极高的测量精度。 与Malvern Mastersizer 2000 相比，蓝光功率大大增强，提高了小颗粒的分辨率， 输出结果为连续的粒径分布，操作简单，重复性好[2]。

2.1.2 试剂

CARB 系列样品（CARB-1、CARB-2、CARB-3、CARB-4）；蒸馏水，娃哈哈集团。

2.2 测试机理

Malvern Mastersizer 3000 型激光粒度分析仪，激光器发出的复色光束，通过空间滤波器和扩速滤镜后，会得到了一个平行的单色光束，该光束照射到由分散系统传输过来的颗粒样品后发生散射。 研究表明，散射光的角度和颗粒直径成反比，散射光的强度随散射角的增加对数衰减。 基于此，根据小角光衍射原理，当光线照射到颗粒上时会发生衍射、散射现象。 其散射、衍射光的强度也与颗粒的大小有直接的关系。 颗粒尺寸不同，产生的衍射角不同，用非均匀交叉大面积补偿三维立体检测系统收集衍射光，其接收到的信号通过Mie 理论会转化成粒度分布[3]。

2.3 测试前预处理

干法测试需要提前将样品放入100℃烘箱干燥16h，防止样品因潮湿结块，影响颗粒的分散，从而影响测试结果。

湿法测试则不需要提前处理样品，只需在测试开始时，进行消泡处理。 激光粒度仪可能会把待测液中的气泡当作待测样品进行测量。 因此气泡的存在会对测试结果有直接影响。 可以通过调节泵速等来消除气泡。

2.4 测试步骤

干法测试：测试前确保仪器连接Aero S 附件。启动自动运行SOP，测试背景完成后，系统会自动启动振动，根据提示加入样品，到遮光度达0.1%～10%。 样品由文丘里管进入检测器后，自动给出粒径分布。

湿法测试：测试前确保仪器连接Hydro EV 附件。 在600mL 烧杯中加入500mL 去离子水，开启仪器，启动手动测量选项，系统会开始进行背景测量， 根据提示加入样品， 到遮光度达到10%～30%，开始测量三次，仪器自动给出粒径分布[4]。

3 结果与讨论

3.1 湿法搅拌速度（泵转速）对测试结果的影响

以CARB-1 样品为例，将其加入到盛有500mL蒸馏水的烧杯中，在不同的搅拌速度（1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500 r/min）下加入样品，使遮光度为10%～30%，在超声强度为50 的条件下搅拌1min，超声结束后，稳定30s 后，测定其粒径及粒径分布。

搅拌速度从1000 r/min 增加到3500 r/min，粒径分布曲线的重叠程度较高， 但是依然有 差 异。 当 搅 拌 速 度 达 到3500r/min 时， 搅 拌速度过大， 样品和水向外溢出， 导致样品不在测量的遮光范围内， 测量得到的颗粒粒径偏小。 由表1 可以看出： 在搅拌速度为2500 r/min 时， 测 试 的 残 差 是 最 小 的， 在 测 量CARB 的湿法测试中，2500 r/min 是最优的搅拌速度。

表1 不同搅拌速度下，测试结果的残差

3.2 超声强度对测试结果的影响

以CARB-1 样品为例，将其加入到盛有500mL蒸馏水的烧杯中， 在2500 r/min 的搅拌速度下加入样品，使遮光度为10%～30%。 在超声强度为0、25、50、100 的条件下分散60s 后， 超声结束后稳定30s 后，测定其粒径及粒径分布。 测试结果见图2。

图2 不同超声强度下超声60s，稳定30s 的粒径分布曲线图

由表2 可知：这四组数据的残差都小于2%，说明用仪器测得的值与理论值偏差较小，数据可信程度较高。 由图2 可知：未超声的样品粒径峰分布比较宽，大粒径的颗粒较多，会产生团聚现象。 经过超声，粒径分布峰变窄，团聚现象得到改善。 在不同的超声强度下，粒径分布曲线重现度较高，主要是由于暂堵剂颗粒颗粒不易被超声击碎，不会影响粒径的测试。 结合表2 的残差，超声强度为50 的残差最小，是最优的超声强度。

表2 超声强度对样品粒径的影响

3.3 超声时间对测试结果的影响

以CARB-1 样品为例，将其加入到盛有500mL蒸馏水的烧杯中， 在2500r/min 的搅拌速度下加入样品，使遮光度为10%～30%。在超声强度为50 的条件下分散30s、60s、90s 后，超声结束后稳定30s 后，测定其粒径及粒径分布。 测试结果见图3 和表3。

图3 超声时间对样品粒径的影响

表3 超声时间对样品粒径的影响

从图3 可以看出：在不同的超声时间下，样品粒径分布曲线图重叠度高，说明超声时间对样品的粒径分布影响较小。 可能是由于CARB 是由不同粒径的暂堵剂颗粒组成， 暂堵剂颗粒不容易被超声击碎， 超声时间不会对其粒径的测试产生影响。

3.4 干法和湿法测试结果的对比

分别以CARB-1、CARB-2、 CARB-3 样品为例，对比干法和湿法测试方法对样品测试结果的影响。 干法的测试条件设置为：分散剂为空气，分散剂的折射率为1.00；进样速率为50%；压缩机的气压为2bar（0.2MPa）；遮光度在0.1%～10%的范围内。 湿法的测试条件设置为： 遮光度上限30%，下限10%，搅拌速度2500 rpm，开强度为50的超声搅拌1min 后， 稳定30s。 测试的结果见表4。 从测试的三个样品对比发现：干法的测试结果比湿法的测试结果偏小。 可能是由于在目前的参数条件下，CARB 样品在干法吹散的条件下，分散的更加彻底，而在湿法水溶液中，由于CARB 样品颗粒周围会吸附水分， 导致颗粒略微吸水膨胀，使粒径的测试结果偏高。

表4 干法、湿法测试方法对样品粒径的影响

4 结语

不同的分散条件对于CARB 粒径的测量结果有很大的影响， 本文考察了多种测试条件对CARB 粒径测试结果的影响。 实验表明超声对于样品的分散起到决定性的作用，超声强度会决定样品分散时间的长短和分散能力的优劣，通过实验总结出了测试CARB 粒径的最佳湿法测试条件，该条件下测得的各数据重现性好，准确度高。干法和湿法对测试结果也有影响，主要是因为湿法中的水分会少量吸附在颗粒的表面，导致颗粒略微吸水膨胀，使粒径的测试结果偏高。