一、儀器作用

井塌、井漏、油氣層保護(hù)是制約鉆井工程順利進(jìn)行的3大技術(shù)難題。對(duì)于層理、裂隙發(fā)育的地層,為防止地層井塌、漏失,減少對(duì)油氣層的損害,要求鉆井液具有強(qiáng)的封堵性,有效封堵地層層理、裂隙,阻止鉆井液及其濾液進(jìn)入地層,達(dá)到提高地層承壓能力、穩(wěn)定井壁、防止井漏、保護(hù)油氣層的目的。鉆井液封堵技術(shù)是鉆井液性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，關(guān)系到井眼穩(wěn)定和儲(chǔ)層保護(hù)，通過(guò)對(duì)封堵機(jī)理的分析和封堵評(píng)價(jià)方法的對(duì)比，認(rèn)識(shí)到PPA 封堵評(píng)價(jià)方法更加科學(xué)合理。

鉆井液封堵性能的實(shí)質(zhì)是指：在一定溫度和壓力條件下，通過(guò)鉆井液與井壁的動(dòng)態(tài)接觸提高近井壁環(huán)帶的致密程度（降低滲透率），以減少濾液侵入深度和壓力傳遞速度。其作用主要包括穩(wěn)定井壁和減少儲(chǔ)層損害。封堵從機(jī)理上分主要包括物理封堵和化學(xué)封堵，其中物理封堵是普遍研究的內(nèi)容，即利用合理的固相顆粒分布附著在井壁形成相對(duì)致密內(nèi)濾餅和外濾餅來(lái)實(shí)現(xiàn)；化學(xué)封堵與“逆滲透”（Reverse osmosis）相關(guān)，“逆滲透”即當(dāng)利用半透膜把兩種不同濃度的溶液隔開時(shí)，濃度較低的溶液中的溶劑（如水）自動(dòng)地透過(guò)半透膜流向濃度較高的溶液，直到化學(xué)位平衡為止的現(xiàn)象，鉆井液利用該原理可實(shí)現(xiàn)延緩孔隙壓力傳遞速度、延長(zhǎng)泥頁(yè)巖坍塌周期的目的。

    鉆井液物理封堵作用：在一定壓力條件下，鉆井液滲透進(jìn)入井壁的同時(shí)，一部分固相物質(zhì)進(jìn)入井壁的孔隙或裂縫中沉積并形成內(nèi)濾餅，降低了近井壁的滲透率；另外一部分固相物質(zhì)被阻擋在井壁之外形成外濾餅。鉆井液物理封堵技術(shù)本質(zhì)就是通過(guò)內(nèi)濾餅和外濾餅的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)降低濾液侵入深度的，與降濾失目的相同。鉆井液的組成通常比較復(fù)雜，通常包括水、膠體物質(zhì)（土）、鹽類物質(zhì)、降濾失劑、高分子聚合物、加重材料及其他化學(xué)添加劑，他們之間相互作用，其顆粒分布復(fù)雜。顆粒達(dá)到相當(dāng)數(shù)量、呈現(xiàn)較穩(wěn)定的顆粒分布且與地層孔隙或縫隙匹配，在一定溫度和壓力環(huán)境下以物理方式作用在井壁內(nèi)外并壓實(shí)才能達(dá)到理想的封堵效果。鉆井液封堵性能測(cè)試儀是青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的一種測(cè)試鉆井液滲透封堵性能的專用儀器。

    滲透封堵儀（PPA）是一種改進(jìn)的高溫高壓失水儀，通過(guò)使用不同規(guī)格孔滲濾芯介質(zhì)進(jìn)行封堵評(píng)價(jià)，所用濾芯通過(guò)嚴(yán)格生產(chǎn)工藝控制，性能穩(wěn)定。同標(biāo)準(zhǔn)的高溫高壓失水儀一樣，是國(guó)際鉆井液行業(yè)通用的封堵評(píng)價(jià)方法。封堵儀是對(duì)500毫升高溫高壓失水儀標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)。它可以用于室外或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境。在加熱的過(guò)程中，不受過(guò)濾介質(zhì)上沉淀粒子的干擾下，該儀器可以執(zhí)行過(guò)濾測(cè)試。封堵儀在壓力間隔下能夠演示鉆井液是怎么形成封鎖耗損的低滲濾餅，并能防止產(chǎn)生壓差卡鉆。通常壓差要遠(yuǎn)高于高溫高壓測(cè)試下的壓差。

杯體配有一個(gè)實(shí)驗(yàn)用的杯蓋，一個(gè)浮動(dòng)的活塞和一個(gè)的刻線底蓋。這杯體有一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)杯體要深的1/4" (6.35 mm)凹槽，用來(lái)放置濾芯。

二、技術(shù)參數(shù)

三、儀器結(jié)構(gòu)

儀器主體設(shè)計(jì)具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①其濾失介質(zhì)和濾液收集器位于儀器上端，下端加壓，這與常規(guī)封堵濾失測(cè)定不同，目的是避免了加溫過(guò)程中加重劑沉降在濾失介質(zhì)上對(duì)濾失量可能產(chǎn)生的影響；

②采用液壓，保證了高壓安全性。

③雙極性安全泄壓：（安裝示意圖所示）由于設(shè)備具備高溫高壓使用性能，在操作實(shí)驗(yàn)中為安全操作，設(shè)備輸入壓力端設(shè)計(jì)安裝雙泄壓閥（示意圖2、3所示），在壓力增高超過(guò)設(shè)定壓力時(shí)，泄壓閥內(nèi)部放氣閥芯會(huì)受到超過(guò)設(shè)定壓力、承受高壓后即時(shí)自動(dòng)打開，做到能夠安全排放泄壓；在杯體下部安裝泄壓閥（示意圖2所示），泄壓閥內(nèi)部放氣閥芯會(huì)受到超過(guò)設(shè)定壓力而自動(dòng)打開，可同時(shí)減小杯體壓力，實(shí)現(xiàn)安全可靠操作設(shè)備；同時(shí)回壓泄壓閥是杯內(nèi)液體受壓力后通過(guò)砂盤或?yàn)V網(wǎng)過(guò)濾后產(chǎn)生的濾液，回壓表顯示高于回壓壓力，即可打開泄壓閥并接收濾液，達(dá)到安全泄壓的效果。

四、儀器操作

PPA 實(shí)驗(yàn)方法。PPA 實(shí)驗(yàn)方法與HTHP 濾失量濾失評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)操作步驟類似，即在一定壓差，溫度條件下搜集濾液。標(biāo)準(zhǔn)壓差7MPa（1000psi），也可以根據(jù)實(shí)際壓力情況調(diào)整。

警告：溫度設(shè)定：接通220V電源，打開電源開關(guān)，溫控儀SV與PV視窗數(shù)字碼顯示，設(shè)定溫度時(shí)按一下SET鍵，SV視窗數(shù)字閃爍，再按并排的方向箭頭，使SV視窗數(shù)字增加或減少至所需溫度并按下SET鍵鎖定，溫控儀開始控溫工作。溫控儀具有超溫?cái)嚯姽δ?，?qǐng)放心使用。

 1.將加熱套和相應(yīng)電壓電源接通，將溫度計(jì)插入溫度計(jì)孔。將加溫套加熱至比選定的測(cè)量溫度高10oF（6℃），在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中用溫控器保持溫度恒定。

2.將樣品攪拌10min。

3.檢查閥桿、浮動(dòng)活塞、鉆井液罐和端蓋上的O型圈，更換損壞或變脆的O型圈。全部O型圈涂抹上高溫油脂。在150℃（300℉）以上的溫度下實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)例行更換全部O型圈。

4.鉆井液罐螺紋、端蓋螺紋涂抹防磨潤(rùn)滑油。應(yīng)配戴防護(hù)手套。鉆井液罐有應(yīng)力斷裂或嚴(yán)重點(diǎn)蝕跡象的鉆井液罐體不應(yīng)使用。

5.砂盤處理

PPA 封堵實(shí)驗(yàn)通常采用圓形陶瓷砂盤作為濾失介質(zhì)，過(guò)濾面積22.6cm2 （3.5in2），有多種孔滲規(guī)格。另外，也可使用金屬封板、研磨砂盤作為過(guò)濾介質(zhì)，砂盤不能重復(fù)使用。陶瓷砂盤規(guī)格表1所示。

表1 砂盤型號(hào)及參數(shù)

濾芯制作工藝穩(wěn)定，質(zhì)量控制嚴(yán)格，具有良好的實(shí)驗(yàn)重復(fù)性，如表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)條件：濾芯編號(hào)BRD05、7MPa、120°C。      

 表2   重復(fù)性實(shí)驗(yàn)  

    實(shí)驗(yàn)前要用基液對(duì)陶瓷砂盤進(jìn)行充分飽和，基液會(huì)根據(jù)所用實(shí)驗(yàn)溶液有所不同（淡水、鹽水、基礎(chǔ)油等），飽和方法即將陶瓷砂盤浸泡在基液中直至充分飽和，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，浸泡10min 可以充分飽和。

6 .組裝PPA鉆井液罐

 (1) T型扳手?jǐn)Q入活塞，并安裝于鉆井液罐中，上下活動(dòng)活塞確保其移動(dòng)自如，使T型扳手上的刻線與杯體頂部平齊，然后從活塞上擰下T型扳手。

 (2)使活塞至鉆井液罐端的螺紋處，充滿液壓油，推薦使用46號(hào)液壓油。

（3）擰入螺紋蓋，用二銷式螺帽扳手?jǐn)Q緊，不宜過(guò)緊。

 (4)液壓油從端蓋螺紋孔中流出，說(shuō)明活塞與端蓋之間沒(méi)有氣體。

 (5)擰入帶有快速接頭的連通閥桿并擰緊。

 (6)另一端鉆井液罐端朝上放置，加入經(jīng)攪拌10min的鉆井液加到罐體刻線處位置。

(7)  放入處理好的濾芯。擰入頂蓋，用二銷式螺帽扳手?jǐn)Q緊。

(8)  擰入回壓接收器閥桿。

(9)  拉出鉆井液罐支架，把標(biāo)頂蓋端的鉆井液罐向上移入加熱套中，并轉(zhuǎn)動(dòng)，使加熱套底部的定位銷座落于鉆井液罐底部的孔中。插入溫度計(jì)。

(10)  液壓組件的軟管連接至刻線端蓋處閥桿的快接接頭處。

(11)  回壓接收器連接到頂蓋處的閥桿上，并用鎖銷鎖住。

  7.加熱

(1) 當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度超過(guò)93℃（225℉）時(shí)，參見表2相應(yīng)試驗(yàn)溫度的回壓值，并利用液壓泵向鉆井液罐施加該壓力。

注：要做超100℃實(shí)驗(yàn)時(shí)，需帶0.5MPa壓力加溫。

表2：各種試驗(yàn)溫度的起始及鉆井液罐加熱壓力或回壓表

(2) 當(dāng)關(guān)閉的鉆井液罐置于加熱套中時(shí)，罐中物質(zhì)和液壓油的熱膨脹將導(dǎo)致鉆井液罐內(nèi)壓力過(guò)高。室溫下的鉆井液罐置于熱的加熱套中時(shí)，必須迅速連接泵，以便排放液壓液體。加熱期間，應(yīng)定期排放過(guò)剩壓力，以控制鉆井液罐內(nèi)的壓力。加溫時(shí)間不宜超過(guò)1h。

8.濾失實(shí)驗(yàn)

(1)鉆井液罐內(nèi)樣品的溫度達(dá)到所需溫度時(shí)，給鉆井液罐內(nèi)樣品施加工作壓力和回壓（參見表2）。

(2)打開氮?dú)馄靠傞y，打開連接回壓接收器閥桿上的T型閥門。

(3)開始試驗(yàn)前，濾芯與回壓收集器出口之間的空間和接收閥門必須填充基液。

(4)擰開刻線端蓋處閥桿，開始試驗(yàn)。由泵的壓力表讀取的鉆井液罐內(nèi)壓力。

(5) 實(shí)驗(yàn)開始后在1min、2.5min、5min、7.5min、15min、25min 和30min 用量筒收集濾液，并準(zhǔn)確記錄收集時(shí)間和體積，用于繪制濾液總體積與時(shí)間平方根的關(guān)系圖和計(jì)算結(jié)果。

（5.1）實(shí)驗(yàn)期間，應(yīng)維持鉆井液罐壓力和收集器回壓穩(wěn)定。

（5.2）30 min，關(guān)閉過(guò)濾閥門，將回壓收集器剩余的全部濾液排放至量筒并記錄。

9  拆卸儀器

（1）斷開加熱套電源。

（2 ）關(guān)閉總氣源。關(guān)閉上閥桿。釋放回壓管線內(nèi)壓力。取下回壓接收器上的定位銷，取下回壓接收器。

（3）給液壓泵泄壓，直到壓力表顯示為零。關(guān)閉下閥桿。取下液壓軟管和快速接頭。

（4）取出鉆井液罐，冷卻到室溫。

（5）打開上閥桿，釋放上端壓力。確保鉆井液罐內(nèi)壓力全部釋放完。

（6）用二銷式螺帽扳手拆卸端蓋。

  （7）拆卸濾芯。用清水輕輕的沖洗濾餅，然后測(cè)量并記錄其厚度，并描述其狀態(tài)。

（8）倒出鉆井液罐內(nèi)剩余的鉆井液。

（9）用二銷式螺帽扳手拆卸刻線端蓋。

（10）鉆井液罐內(nèi)的液壓油倒入干凈的燒杯中。

（11）T型手柄擰入活塞，取出浮動(dòng)活塞。

（12）清洗并擦干鉆井液罐及其零配件。

10、PPA 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理。完成實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)記錄后要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析和計(jì)算結(jié)果。

①曲線繪制，圖3 舉例說(shuō)明：

圖3 濾液體積與時(shí)間平方根的關(guān)系圖

該關(guān)系曲線可分析記錄數(shù)據(jù)的相關(guān)性是否合理，以及濾失過(guò)程中封堵效果的變化。

②結(jié)果計(jì)算。最終需要計(jì)算三個(gè)結(jié)果

a.PPA 濾失量：

一、 PPA體積按式（1）計(jì)算。

     V_PPA＝2V₃₀              ……………………(1)

 式中：

V_PPA——滲透封堵試驗(yàn)體積，單位為毫升（mL)；

V₃₀——30min 濾液的體積，單位為毫升（mL)。

二、瞬時(shí)失水

  以過(guò)濾時(shí)間的平方根為X軸，濾液體積為y軸繪圖，靜態(tài)濾失率曲線在y軸上的截距為瞬時(shí)失水?；蛴檬剑?/span>2）計(jì)算其近似值。

V₁＝2〔V_7.5－(V₃₀－V_7.5)〕＝2(2V_7-.V₃₀)  ……………(2)

式中：

  V₁——瞬時(shí)失水，單位為毫升（mL)；

    V_7.5——7.5min的濾液體積，單位為毫升（mL)。

三、靜態(tài)濾失速率（流動(dòng)速度）按式（3）計(jì)算。

              ……………………(3)

 式中：

V_sf——靜態(tài)濾失速率，單位為毫升每平方分鐘（mL/min²) ；

四、濾餅

    測(cè)量并記錄濾餅厚度，精確到0.5mm。描述狀態(tài)，宜使用下列詞匯描述泥餅狀態(tài)，如厚、薄、虛、致密、堅(jiān)硬柔韌、有彈性等。PPA 封堵實(shí)驗(yàn)實(shí)例。選用渤海常用PEC 鉆井液體系作為實(shí)驗(yàn)樣漿，所用濾芯分別是BRD07 和BRD10，并與HTHP FL 試驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4、表5、表6。

熱滾條件：80℃，16h。

實(shí)驗(yàn)條件：HTHP 濾失量：3.5MPa，80℃，30min；PPA：7MPa，80℃，30min。

從PPA 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析：

① PPA 濾失量明顯大于HTHP 濾失量，說(shuō)明過(guò)濾介質(zhì)對(duì)于濾失量有重要影響，單純?cè)u(píng)價(jià)鉆井液處理劑顆粒（外濾餅）的匹配程度不能真實(shí)反映鉆井液在井下表現(xiàn)出的封堵性，應(yīng)綜合考察各種處理劑與地層整體（內(nèi)、外濾餅）的匹配程度。PPA 試驗(yàn)?zāi)軌蚋诱鎸?shí)的評(píng)價(jià)封

堵劑顆粒與地層的匹配程度，反映鉆井液對(duì)地層的封堵性。

② HTHP 濾失和PPA 試驗(yàn)（BRD07 濾芯）試驗(yàn)結(jié)果顯示，封堵劑ABCD 都能夠改善鉆井液的封堵性能，降低濾失。然而，PPA 試驗(yàn)（BRD10濾芯）發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該滲透率的地層，加入封堵劑A、C 反而使濾失量增大。說(shuō)明封堵劑的加入不一定能夠降低濾失，粒度分布的變化可能引起封堵性朝不適于某些孔經(jīng)的趨勢(shì)變化。不考慮地層的滲透性而僅評(píng)價(jià)封堵材料之間的復(fù)配性能，或者誤判地層的滲透性，可能對(duì)鉆井液封堵性能的評(píng)價(jià)和調(diào)整造成誤導(dǎo)。

③該體系在使用了封堵劑A、B、C 后相對(duì)孔經(jīng)較大的BRD10濾芯濾失量反而小于BRD07 濾芯；使用封堵劑D 后BRD10 濾芯濾失量大于BRD07濾芯，說(shuō)明封堵劑A、B、C 較封堵劑D 更適合封堵滲透率較大的地層（BRD10 濾芯），封堵劑D 相對(duì)適合封堵滲透率較小的地層（BRD07 濾芯），若地層滲透率未知，可考慮將封堵劑B、D 復(fù)配使用。

五、概述

（1）通過(guò)對(duì)鉆井液封堵性能機(jī)理的分析可知：提高鉆井液物理封堵能力與降低濾失量目的一致，物理封堵是通過(guò)天然材料和化學(xué)材料降低鉆井液的侵入深度；

（2）通過(guò)對(duì)鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)方法的細(xì)節(jié)對(duì)比可知：PPA 封堵評(píng)價(jià)方法相對(duì)科學(xué)合理、數(shù)據(jù)重復(fù)性好；

（3）通過(guò)PPA 封堵評(píng)價(jià)方法可得到信息量更大，更有利于深入研究鉆井液的封堵性能。

六、儀器的維護(hù)與保養(yǎng)

1、清洗各部件并干燥待用，儀器置于干燥環(huán)境中。確保通氣孔內(nèi)清潔。“○”型圈和濾網(wǎng)未變形、無(wú)破損，密封面無(wú)損傷。

2、移動(dòng)、維修或保養(yǎng)儀器時(shí)。要輕拿、輕放，以免造成部件變形影響精度和使用。

3、放置時(shí)要將調(diào)壓手柄處于自由狀態(tài)。調(diào)壓手柄螺栓處，應(yīng)定期旋下涂抹潤(rùn)滑脂，以免生銹，造成調(diào)壓失靈。

4、調(diào)節(jié)壓力時(shí)不能將壓力調(diào)至超過(guò)壓力表總量程的2/3，逐漸加壓，不得敲擊壓力表。

5、儀器使用結(jié)束后，應(yīng)將各部件內(nèi)的壓力、氣體釋放干凈。泄壓后方可打開漿杯清洗干燥。

6、輸氣管禁止與腐蝕性介質(zhì)接觸，不得敲擊和劃傷。

7、氣源嚴(yán)禁使用氧氣。七、故障的判定與排除