一、儀器作用
井塌、井漏、油氣層保護是制約鉆井工程順利進行的3大技術難題。對于層理、裂隙發育的地層,為防止地層井塌、漏失,減少對油氣層的損害,要求鉆井液具有強的封堵性,有效封堵地層層理、裂隙,阻止鉆井液及其濾液進入地層,達到提高地層承壓能力、穩定井壁、防止井漏、保護油氣層的目的。鉆井液封堵技術是鉆井液性能評價的重要指標，關系到井眼穩定和儲層保護，通過對封堵機理的分析和封堵評價方法的對比，認識到PPA 封堵評價方法更加科學合理。
鉆井液封堵性能的實質是指：在一定溫度和壓力條件下，通過鉆井液與井壁的動態接觸提高近井壁環帶的致密程度（降低滲透率），以減少濾液侵入深度和壓力傳遞速度。其作用主要包括穩定井壁和減少儲層損害。封堵從機理上分主要包括物理封堵和化學封堵，其中物理封堵是普遍研究的內容，即利用合理的固相顆粒分布附著在井壁形成相對致密內濾餅和外濾餅來實現；化學封堵與“逆滲透”（Reverse osmosis）相關，“逆滲透”即當利用半透膜把兩種不同濃度的溶液隔開時，濃度較低的溶液中的溶劑（如水）自動地透過半透膜流向濃度較高的溶液，直到化學位平衡為止的現象，鉆井液利用該原理可實現延緩孔隙壓力傳遞速度、延長泥頁巖坍塌周期的目的。
鉆井液物理封堵作用：在一定壓力條件下，鉆井液滲透進入井壁的同時，一部分固相物質進入井壁的孔隙或裂縫中沉積并形成內濾餅，降低了近井壁的滲透率；另外一部分固相物質被阻擋在井壁之外形成外濾餅。鉆井液物理封堵技術本質就是通過內濾餅和外濾餅的共同作用來實現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雜，通常包括水、膠體物質（土）、鹽類物質、降濾失劑、高分子聚合物、加重材料及其他化學添加劑，他們之間相互作用，其顆粒分布復雜。顆粒達到相當數量、呈現較穩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境下以物理方式作用在井壁內外并壓實才能達到理想的封堵效果。鉆井液封堵性能測試儀是青島森欣機電設備有限公司生產的一種測試鉆井液滲透封堵性能的專用儀器。
滲透封堵儀（PPA）是一種改進的高溫高壓失水儀，通過使用不同規格孔滲濾芯介質進行封堵評價，所用濾芯通過嚴格生產工藝控制，性能穩定。同標準的高溫高壓失水儀一樣，是國際鉆井液行業通用的封堵評價方法。封堵儀是對500毫升高溫高壓失水儀標準的改進。它可以用于室外或實驗室環境。在加熱的過程中，不受過濾介質上沉淀粒子的干擾下，該儀器可以執行過濾測試。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，并能防止產生壓差卡鉆。通常壓差要遠高于高溫高壓測試下的壓差。
杯體配有一個實驗用的杯蓋，一個浮動的活塞和一個的刻線底蓋。這杯體有一個比標準杯體要深的1/4" (6.35 mm)凹槽，用來放置濾芯。
二、技術參數
名稱 | 技術參數 |
電源 | 220V±5% 50/60Hz |
功率 | 1KW |
工作溫度 | 常溫至260℃ |
漿杯工作壓力 | ≤40MPa |
容量 | 500ml |
有效失水面積 | 3.5in2 (22.6 cm2 ) |
氣源 | 氮氣、二氧化碳氣體 |
油壓 | 46號液壓油 |
三、儀器結構
儀器主體設計具有以下三個優點：
①其濾失介質和濾液收集器位于儀器上端，下端加壓，這與常規封堵濾失測定不同，目的是避免了加溫過程中加重劑沉降在濾失介質上對濾失量可能產生的影響；
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）由于設備具備高溫高壓使用性能，在操作實驗中為安全操作，設備輸入壓力端設計安裝雙泄壓閥（示意圖2、3所示），在壓力增高超過設定壓力時，泄壓閥內部放氣閥芯會受到超過設定壓力、承受高壓后即時自動打開，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），泄壓閥內部放氣閥芯會受到超過設定壓力而自動打開，可同時減小杯體壓力，實現安全可靠操作設備；同時回壓泄壓閥是杯內液體受壓力后通過砂盤或濾網過濾后產生的濾液，回壓表顯示高于回壓壓力，即可打開泄壓閥并接收濾液，達到安全泄壓的效果。
四、儀器操作
PPA 實驗方法。PPA 實驗方法與HTHP 濾失量濾失評價實驗操作步驟類似，即在一定壓差，溫度條件下搜集濾液。標準壓差7MPa（1000psi），也可以根據實際壓力情況調整。
警告：溫度設定：接通220V電源，打開電源開關，溫控儀SV與PV視窗數字碼顯示，設定溫度時按一下SET鍵，SV視窗數字閃爍，再按并排的方向箭頭，使SV視窗數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。溫控儀具有超溫斷電功能，請放心使用。
1.將加熱套和相應電壓電源接通，將溫度計插入溫度計孔。將加溫套加熱至比選定的測量溫度高10oF（6℃），在整個測試過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℉）以上的溫度下實驗后，應例行更換全部O型圈。
4.鉆井液罐螺紋、端蓋螺紋涂抹防磨潤滑油。應配戴防護手套。鉆井液罐有應力斷裂或嚴重點蝕跡象的鉆井液罐體不應使用。
5.砂盤處理
PPA 封堵實驗通常采用圓形陶瓷砂盤作為濾失介質，過濾面積22.6cm2 （3.5in2），有多種孔滲規格。另外，也可使用金屬封板、研磨砂盤作為過濾介質，砂盤不能重復使用。陶瓷砂盤規格表1所示。
表1 砂盤型號及參數
濾芯制作工藝穩定，質量控制嚴格，具有良好的實驗重復性，如表2 實驗數據，實驗條件：濾芯編號BRD05、7MPa、120°C。
表2 重復性實驗
實驗前要用基液對陶瓷砂盤進行充分飽和，基液會根據所用實驗溶液有所不同（淡水、鹽水、基礎油等），飽和方法即將陶瓷砂盤浸泡在基液中直至充分飽和，根據實驗驗證，浸泡10min 可以充分飽和。
6 .組裝PPA鉆井液罐
(1) T型扳手擰入活塞，并安裝于鉆井液罐中，上下活動活塞確保其移動自如，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號液壓油。
（3）擰入螺紋蓋，用二銷式螺帽扳手擰緊，不宜過緊。
(4)液壓油從端蓋螺紋孔中流出，說明活塞與端蓋之間沒有氣體。
(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，用二銷式螺帽扳手擰緊。
(8) 擰入回壓接收器閥桿。
(9) 拉出鉆井液罐支架，把標頂蓋端的鉆井液罐向上移入加熱套中，并轉動，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。
(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) 當實驗溫度超過93℃（225℉）時，參見表2相應試驗溫度的回壓值，并利用液壓泵向鉆井液罐施加該壓力。
注：要做超100℃實驗時，需帶0.5MPa壓力加溫。
表2：各種試驗溫度的起始及鉆井液罐加熱壓力或回壓表
溫度范圍 | 加熱壓力或回壓 | ||
℃ | ℉ | kPa | psi |
低于95 | 200 | 0 | 0 |
95—150 | 200—300 | 6900 | 100 |
151—175 | 301—350 | 10500 | 150 |
178—190 | 351—375 | 14000 | 200 |
(2) 當關閉的鉆井液罐置于加熱套中時，罐中物質和液壓油的熱膨脹將導致鉆井液罐內壓力過高。室溫下的鉆井液罐置于熱的加熱套中時，必須迅速連接泵，以便排放液壓液體。加熱期間，應定期排放過剩壓力，以控制鉆井液罐內的壓力。加溫時間不宜超過1h。
8.濾失實驗
(1)鉆井液罐內樣品的溫度達到所需溫度時，給鉆井液罐內樣品施加工作壓力和回壓（參見表2）。
(2)打開氮氣瓶總閥，打開連接回壓接收器閥桿上的T型閥門。
(3)開始試驗前，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。由泵的壓力表讀取的鉆井液罐內壓力。
(5) 實驗開始后在1min、2.5min、5min、7.5min、15min、25min 和30min 用量筒收集濾液，并準確記錄收集時間和體積，用于繪制濾液總體積與時間平方根的關系圖和計算結果。
（5.1）實驗期間，應維持鉆井液罐壓力和收集器回壓穩定。
（5.2）30 min，關閉過濾閥門，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 ）關閉總氣源。關閉上閥桿。釋放回壓管線內壓力。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，然后測量并記錄其厚度，并描述其狀態。
（8）倒出鉆井液罐內剩余的鉆井液。
（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，取出浮動活塞。
（12）清洗并擦干鉆井液罐及其零配件。
10、PPA 實驗數據計算和處理。完成實驗和數據記錄后要對數據進行處理分析和計算結果。
①曲線繪制，圖3 舉例說明：
圖3 濾液體積與時間平方根的關系圖
該關系曲線可分析記錄數據的相關性是否合理，以及濾失過程中封堵效果的變化。
②結果計算。最終需要計算三個結果
a.PPA 濾失量：
一、 PPA體積按式（1）計算。
VPPA＝2V30 ……………………(1)
式中：
VPPA——滲透封堵試驗體積，單位為毫升（mL)；
V30——30min 濾液的體積，單位為毫升（mL)。
二、瞬時失水
以過濾時間的平方根為X軸，濾液體積為y軸繪圖，靜態濾失率曲線在y軸上的截距為瞬時失水。或用式（2）計算其近似值。
V1＝2〔V7.5－(V30－V7.5)〕＝2(2V7-.V30) ……………(2)
式中：
V1——瞬時失水，單位為毫升（mL)；
V7.5——7.5min的濾液體積，單位為毫升（mL)。
三、靜態濾失速率（流動速度）按式（3）計算。
……………………(3)
式中：
Vsf——靜態濾失速率，單位為毫升每平方分鐘（mL/min2) ；
四、濾餅
測量并記錄濾餅厚度，精確到0.5mm。描述狀態，宜使用下列詞匯描述泥餅狀態，如厚、薄、虛、致密、堅硬柔韌、有彈性等。PPA 封堵實驗實例。選用渤海常用PEC 鉆井液體系作為實驗樣漿，所用濾芯分別是BRD07 和BRD10，并與HTHP FL 試驗對比，實驗數據見表4、表5、表6。
熱滾條件：80℃，16h。
實驗條件：HTHP 濾失量：3.5MPa，80℃，30min；PPA：7MPa，80℃，30min。
從PPA 實驗數據結果分析：
① PPA 濾失量明顯大于HTHP 濾失量，說明過濾介質對于濾失量有重要影響，單純評價鉆井液處理劑顆粒（外濾餅）的匹配程度不能真實反映鉆井液在井下表現出的封堵性，應綜合考察各種處理劑與地層整體（內、外濾餅）的匹配程度。PPA 試驗能夠更加真實的評價封
堵劑顆粒與地層的匹配程度，反映鉆井液對地層的封堵性。
② HTHP 濾失和PPA 試驗（BRD07 濾芯）試驗結果顯示，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（BRD10濾芯）發現，對于該滲透率的地層，加入封堵劑A、C 反而使濾失量增大。說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的趨勢變化。不考慮地層的滲透性而僅評價封堵材料之間的復配性能，或者誤判地層的滲透性，可能對鉆井液封堵性能的評價和調整造成誤導。
③該體系在使用了封堵劑A、B、C 后相對孔經較大的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 復配使用。
五、概述
（1）通過對鉆井液封堵性能機理的分析可知：提高鉆井液物理封堵能力與降低濾失量目的一致，物理封堵是通過天然材料和化學材料降低鉆井液的侵入深度；
（2）通過對鉆井液封堵性能評價方法的細節對比可知：PPA 封堵評價方法相對科學合理、數據重復性好；
（3）通過PPA 封堵評價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、儀器的維護與保養
1、清洗各部件并干燥待用，儀器置于干燥環境中。確保通氣孔內清潔。“○”型圈和濾網未變形、無破損，密封面無損傷。
2、移動、維修或保養儀器時。要輕拿、輕放，以免造成部件變形影響精度和使用。
3、放置時要將調壓手柄處于自由狀態。調壓手柄螺栓處，應定期旋下涂抹潤滑脂，以免生銹，造成調壓失靈。
故障 | 原因 | 維修方法 |
濾失實驗時，樣品從連通閥桿滴口處溢出 | ①連通閥桿損壞 ②杯蓋損壞 | ①更換新的連通閥桿 ②更換新杯蓋 |
打開電源開關指示燈不亮 | ①電源插座未插好 ②熔斷絲燒斷 | ①重新按裝電源插座使其接觸良好 ②更換熔斷絲 |
不能加熱 | ①加熱棒燒壞 ②電器元件損壞 | ①打開加熱殼底蓋，取出保溫層，更換已燒壞的加熱棒 ②檢查電路更換相應電器件 |
按啟動按鈕，無指示信號 | ①線路開路 ②繼電器損壞 | ①找出斷線點重新接入 ②更換同型號繼電器 |
升溫太慢 | 加熱棒有燒壞現象 | 打開加熱殼底蓋，取出保溫層，更換已燒壞的加熱棒 |
如何鑒別連通閥桿的好壞 |
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4、調節壓力時不能將壓力調至超過壓力表總量程的2/3，逐漸加壓，不得敲擊壓力表。
5、儀器使用結束后，應將各部件內的壓力、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接觸，不得敲擊和劃傷。
7、氣源嚴禁使用氧氣。七、故障的判定與排除