KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液研究及應用

謝海龍

中國石化西北油田分公司 工程監(jiān)督中心（新疆 庫爾勒 841600）

玉北地區(qū)是中國石化西北油田分公司外圍勘探開發(fā)的重要區(qū)塊。鉆進中主要表現(xiàn)為上部帕卡布拉克、克孜洛依組造漿嚴重，泥頁巖吸水膨脹和分散，導致井眼縮頸和起下鉆具阻卡；開派茲雷克組下部褐色泥巖水敏性極強，遇水迅速分散，使上部地層失去支撐，垮塌而形成大井眼使得鉆屑聚集，停泵后迅速下沉埋鉆。自2009 年至今布署的24 口井中發(fā)生卡鉆、卡套管、填井側(cè)鉆等各類故障25 起，損失臺時超過5 000h，嚴重制約了該地區(qū)鉆井速度提高。為解決上述問題，所采用的方法通常有2 種：一是對水基鉆井液進行改性，增強對泥頁巖的抑制和封堵防塌；二是采用油基鉆井液。油基鉆井液雖然具有良好的熱穩(wěn)定性、井壁穩(wěn)定性和潤滑性等優(yōu)點，但影響測井、增加循環(huán)漏失，同時其配制成本較高。目前用于深部鉆探的防塌鉆井液仍然傾向采用水基鉆井液。

針對玉北區(qū)塊的難點，控制盡可能低的自由水侵入、抑制泥頁巖及玄武巖中粘土礦物水化膨脹、封堵微裂縫加固井眼及選擇合適的力學支撐是解決問題的關鍵?；谝陨纤悸?，研究和開發(fā)了具有強抑制作用的KCL 聚胺多元抑制塌鉆井液體系，其主要由頁巖抑制劑、包被劑、降濾失劑、潤滑劑及封堵材料組成，其實質(zhì)是應用了一種新的陽離子胺基聚合物。該胺基聚合物具有更高的抑制能力和防泥包能力，配合封堵防塌劑使用具有更好的成膜作用，能有效解決井壁失穩(wěn)，減少卡鉆故障。

1 KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液室內(nèi)研究

1.1 作用機理

聚胺類頁巖抑制劑分子中具有大量游離的胺基基團[1]。聚胺抑制劑主要作用機理是通過胺基特有的吸附而起作用，低分子胺如K 離子一樣穿透粘土層，鑲嵌在粘土層間，并使粘土層緊密結(jié)合在一起，降低粘土水化層厚度，抑制粘土水化層分散[1]。低濃度的胺類解吸附帶水化膜的可交換陽離子，通過靜電吸附、氫鍵作用和偶極作用等將粘土片層束縛在一起，阻止水分子進入[2]。

KCL 聚胺鉆井液采用聚胺作主要抑制劑,保持一定量的氯化鉀作為次要抑制劑，依靠聚胺的強抑制性和K 離子的嵌入作用及大分子包被劑的包被封堵協(xié)同作用保持巖屑的完整，防止巖屑在流動過程中崩散，有效降低泥頁巖水化的高膨脹壓[3],同時加入降濾失劑和低滲透成膜封堵劑,以減少濾液侵入地層，達到優(yōu)良的抑制效果，實現(xiàn)多元協(xié)同抑制的總體目標，從而有效防止井壁失穩(wěn)和保護儲層。該體系配漿過程中本著“先護膠，后加鹽；先有機物，后無機物”的原則進行配制，減少由于鉆井液性能波動引起的井壁失穩(wěn)。

1.2 頁巖抑制劑及加量篩選

鉆井液的抑制性是指其抑制地層造漿的能力。鉆井液的抑制性：一方面是控制地層造漿；其次是穩(wěn)定井壁，打出規(guī)則的井眼，減少井下復雜情況。從本質(zhì)上講，抑制性是指鉆井液對泥頁巖地層中的粘土水化膨脹及水化分散的抑制能力。采用玉北10 井3 700～4 000m 混合鉆屑進行試驗。

1.2.1 氯化鉀抑制劑加量優(yōu)選

將50g 巖屑放入不同濃度的氯化鉀水溶液中，80℃滾動老化16h，過0.425mm(40 目)篩，用水漂洗后烘干稱重。重復上邊實驗將上述巖屑過0.850mm(20 目)篩，用大于0.850mm 的鉆屑。評價結(jié)論：氯化鉀加量在5%～6%時泥頁巖滾動回收率最高。

1.2.2 聚胺抑制劑加量優(yōu)選

過0.850mm(20 目)篩，用大于0.850mm 的鉆屑50g 放入不同濃度的聚胺抑制劑水溶液中，80℃滾動老化16h，過0.425mm(40 目)篩，用水漂洗后烘干稱重。評價結(jié)論：聚胺抑制劑在加量0.5%時抑制性能最好，滾動回收率達到了9.1%。

1.2.3 防塌劑及大分子包被劑優(yōu)選

為客觀地評價頁巖抑制劑產(chǎn)品的抑制防塌效果，按照Q/SH 0323-2009 標準要求，分別選用6 種包被劑（加量0.5%）和6 種防塌劑（加量3%），在120 ℃滾動16h 進行相對抑制率實驗。評價結(jié)論：優(yōu)選防塌劑中高軟化點瀝青RHJ-3、多元醇SYP-1，包被劑中陽離子乳液聚合物DS-301、KPAM4 種材料相對抑制率較高。

1.3 KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液體系評價

在常規(guī)聚磺鉆井液基礎上，通過添加聚胺和KCL，優(yōu)化設計出了KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液體系。配方組成為：淡水+7%膨潤土+0.2%～0.4%NaOH+0.5%KPAM+0.5%DS-301+2%～3%SMP-2+2%～3%SPNH+3%RHJ-3+3%SYP-1+1%RH-3D+5%～6%KCL+0.5%聚胺。使用重晶石加重至1.55g/cm3。

1.3.1 抑制性評價

抑制性主要有2 種評價方法：一是抑制分散性（即滾動回收）實驗；二是抑制膨脹實驗[4]。現(xiàn)場取YB6A 井混合巖樣，分別采用2 種方法對KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液的抑制性進行了評價，并與聚磺、KCL 聚磺等體系進行了對比實驗（表1）。（老化條件：150℃、16h）

實驗結(jié)果表明：YB6A 井沙井子組玄武巖巖屑清水回收率很低，容易水化分散（清水中滾動回收率僅為6.8%和7.4%）、膨脹率中等特點[1]。KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液回收率達到86.6%和89.3%，高于聚磺和KCL 聚磺鉆井液體系，特別是加入封堵防塌劑后，對微裂縫實現(xiàn)了有效封堵，防止了微裂縫的開啟；同時做浸泡實驗發(fā)現(xiàn)，巖屑在清水中侵泡24h后完全散開，說明巖屑有很強的水敏性；而在KCL聚胺多元抑制防塌鉆井液中浸泡24h 后其形狀保持完好，能有效阻止巖屑水化分散，說明該體系具有很強的抑制性，防止巖屑分散破壞鉆井液的流變性和失水造壁性，能夠有效保證鉆進過程中井壁穩(wěn)定。

表1 不同流體滾動回收率及膨脹率對比

1.3.2 抗溫性能評價

玉北地區(qū)油層埋藏深，平均完鉆井深6 100m，地溫梯度2.2℃/100m，井底溫度達到130℃以上，高溫老化之后,要求鉆井液流變性能良好，具有優(yōu)良的抑制性與抗溫性能，因此需對KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液的抗溫性能進行評價。

實驗結(jié)果表明：在150℃熱滾16h 后，鉆井液體系的流變性和失水、高溫高壓失水都得到了明顯改善，其他性能變化不大；老化后的鉆井液分別取上下2 部分測定密度，結(jié)果是1.53 和1.58g/cm3，表明KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液體系在150℃高溫下具有較強的沉降穩(wěn)定性，能滿足玉北地區(qū)深井鉆井需要。

1.3.3 潤滑性能評價

鉆井液除了必須具備優(yōu)良的流變性及較好的抑制性之外，還必須具有良好的潤滑性能。鉆井液潤滑性能評價包括泥餅粘附系數(shù)及E-P（孔隙比與壓力的關系曲線）極壓潤滑性能測定[5]。KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液泥餅粘附系數(shù)為0.06，與油基鉆井液接近，表明該體系具有良好的潤滑性能。

1.3.4 封堵防塌性能評價

鉆井液的封堵防塌性能直接決定井壁的穩(wěn)定性和鉆井施工順利。分別選用空白基漿、聚磺鉆井液、油包水鉆井液及油基鉆井液,用無滲透成膜封堵儀[4]評價了鉆井液的封堵效果。

實驗結(jié)果表明：基漿中因未加任何封堵材料，侵入深度較大，各種體系的鉆井液侵入深度不同，其中KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液體系侵入深度最小僅為3.4cm，證明該體系具有良好的封堵防塌性能。

2 現(xiàn)場應用

2.1 KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液現(xiàn)場應用地質(zhì)資料

玉北地區(qū)自上而下鉆遇地層依此是：第四系、新近系阿圖什N2a、帕卡布拉克N1p、安居安N1a、克孜洛依N1k、古近系E、二疊系沙井子P3s、開派茲雷克P2kp、庫普庫茲滿P1kk、南閘P1n、石炭系小海子C2x、卡拉沙依C1kl、巴楚C1b 及奧陶系鷹山組O1-2y。首次嘗試KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液在YB9井、YB1-3H 井和YB1-4 井應用。

2.2 鉆井液技術難點

玉北地區(qū)鉆井液施工存在以下難點：①二開鉆探多壓力系統(tǒng)，使用鉆井液密度1.10～1.80g/cm3，多套壓力系統(tǒng)鉆井存在壓差卡鉆、卡套管等一系列問題；②N1k 及以上井段泥巖水化膨脹分散，砂巖段易形成虛厚泥餅，極易造成縮頸和起下鉆阻卡嚴重；③二疊系P3s 組砂巖孔隙度大、滲透率高極易粘附卡鉆；④高強應力下P2kp 組硬脆性火山巖易剝落、垮塌掉塊導致井壁失穩(wěn)，蹩泵蹩轉(zhuǎn)盤時常出現(xiàn)；⑤P1n、C2x、C1kl 等深部地層軟硬交錯劇烈，極易造成井斜和垮塌埋鉆；⑥P2kp 組火成巖下部有8～10m水敏性極強的褐色泥巖，遇水迅速分散，垮塌形成的大井眼極易發(fā)生埋鉆。

2.3 現(xiàn)場鉆井液維護

1 000～3 000m 井段中心任務是增強鉆井液包被和抑制能力，做好上部井段防阻卡，保證低固相、低黏切鉆進。處理要點：①井深2 000m 左右一次性加3%～5%KCL 及0.5%聚胺轉(zhuǎn)換體系，轉(zhuǎn)換前強調(diào)低膨潤土含量、低固相；②強化短起下，每鉆進200～300m 短起下拉通井壁；③大排量沖刷井壁，降低環(huán)空巖屑濃度，在滿足攜砂和井眼穩(wěn)定前提下，盡可能控制低密度、低黏切、低固相鉆進；④利用氯化鉀、KPAM 及聚胺提高鉆井液抑制和包被能力，改善泥餅質(zhì)量，降低摩阻，解決大井眼快速鉆進攜巖及虛厚泥餅阻卡問題；⑤N2a 開始加入DF-1、瀝青等發(fā)揮物理封堵作用，維護井眼穩(wěn)定。

4 000～5 800m 井段鉆井液對策是秉承“先抑制、再封堵、最后提高密度”的原則，利用物理支撐和化學防塌相結(jié)合的方式強化井眼，提高地層穩(wěn)定性。處理要點：①N1k 下部加入3%磺化抗溫材料及3%RHJ-3、3%SYP-1 等轉(zhuǎn)換為KCL 聚胺防塌鉆井液體系；②嚴格控制API≤4mL，HTHP≤10mL，防止造成剝落掉塊和井壁失穩(wěn)；③泥頁巖地層加大各種抑制劑比例至1%以上，增強鉆井液抑制和包被能力；④維持一定的鉆井液黏度，保證良好的流變性（動塑比0.35～0.45），確保平板流層；補充潤滑劑和清潔劑，防止鉆頭泥包；⑤做好劣質(zhì)固相控制，避免鉆頭堵水眼；⑥采用DF-1、非滲透材料改善泥餅質(zhì)量；復配RHJ-3、SYP-1 等防塌材料封堵微裂縫，各防塌材料有效濃度大于5%，利用“多元協(xié)同”[6]抑制固結(jié)井壁，提高承壓能力，降低壓差卡鉆風險；⑦補充KCl 提高礦化度，增強鉆井液抑制能力，利用鉀離子“同離子效應”抑制防塌；⑧提高濾液液相黏度，減小泥餅滲透率；⑨火成巖及以下易垮井段控制好排量，不定點循環(huán)避免沖刷加劇垮塌。

2.4 應用效果評價

KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液成功在玉北地區(qū)應用，部分施工井技術指標（表2）。

分析結(jié)果表明：

（1）抑制性。使用KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液后返出巖屑規(guī)則成型，無分散，解決了N1k 及N1p 強造漿地層及火成巖下部強水敏性地層的抑制問題，鉆進及短起下無阻卡。

（2）鉆井周期及故障率。相同井深鉆探前提下，使用KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液施工井節(jié)約周期8～13 天；故障率平均下降71.6%，實現(xiàn)了鉆井提速目的。

表2 不同鉆井液體系施工井鉆井技術指標對比

（3）油層段井徑擴大率。KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液性能穩(wěn)定，鉆進中未出現(xiàn)劃眼、性能突變、井眼垮塌等復雜，油層段井徑擴大率均控制在8%以內(nèi)，證明該體系具有良好的封堵防塌性能。

（4）鉆井液成本。KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液使用后，每米鉆井液成本大幅降低，均控制在890元/m 以內(nèi)，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

（5）YB1-3H 井作為玉北地區(qū)第一口水平井，節(jié)約鉆井周期33 天，是該地區(qū)節(jié)約周期最多的一口井，且全井安全無故障，鉆井液每米成本709.1 元創(chuàng)造了歷史最低水平。

（6）YB9 井是玉北地區(qū)目前完鉆最深的一口井,完鉆井深達到7 091m，機械鉆速3.66m/h，創(chuàng)造了該地區(qū)井深和機械鉆速2 項最高紀錄。

3 結(jié)論與建議

（1）通過室內(nèi)配伍研究得到了一種新型的KCL聚胺多元抑制防塌鉆井液體系，通過相對抑制率、抑制分散性、抑制膨脹及極壓潤滑等實驗評價，表明該體系具有良好的抑制性、較高的抗溫性和優(yōu)秀的潤滑、封堵防塌能力，可以實現(xiàn)多元協(xié)同抑制的總體目標，有效的防止了井壁失穩(wěn)。

（2）聚胺抑制劑具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，能很好的吸附在粘土層間，并使粘土層緊密結(jié)合在一起，從而降低粘土水化膨脹的趨勢，具有很強的抑制泥頁巖分散能力和防塌作用，非常適合強水敏性地層鉆井施工。

（3）KCL 聚胺多元抑制防塌鉆井液體系很好的解決了玉北地區(qū)N1k 及N1p 強造漿地層及強水敏性地層的抑制及垮塌問題。

（4）正常鉆進中，要少量多次補充KCL 及聚胺，維護井漿中抑制劑有效含量，實現(xiàn)多元協(xié)同抑制的總體目標。

（5）抑制劑的加入要遵循先后順序，配漿過程中“先護膠，后加鹽；先有機物，后無機物”的原則進行配制，為提高密度后控制粘切創(chuàng)造條件，減少由于鉆井液性能波動引起的井壁失穩(wěn)。

（6）鉆井施工中鉆井液要秉承“先多元抑制、再復合封堵防塌、最后提高鉆井液密度”的原則，利用物理支撐和化學防塌相結(jié)合的方式強化井眼，提高井眼穩(wěn)定性解決現(xiàn)場施工復雜。

（7）實鉆中P2kp 組火成巖下部有8～10m 水敏性極強的褐色泥巖，遇水迅速分散，垮塌形成的大井眼極易發(fā)生埋鉆，在做好抑制、封堵固結(jié)井壁同時，保證密度在1.60g/cm3及以上，應對火成巖應力釋放和垮塌。

（8）建議形成隨鉆防漏堵漏體系，加入尺寸合適、強度較高的零滲透封堵劑，降低地層坍塌壓力，實現(xiàn)提高地層承壓能力，達到預防井漏、強化井眼的作用。

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[2]鐘漢毅,邱正松,黃維安,等.胺類頁巖抑制劑特點及研究進展[J].石油鉆探技術，2010,38(1)：104-108.

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