硝酸鈣胺基聚合物鉆井液技術

鄭玉輝，蔣振偉，凡　帆

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安710021）

硝酸鈣胺基聚合物鉆井液技術

鄭玉輝1，2，蔣振偉1，2，凡帆1，2

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710021；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，西安710021）

鄭玉輝等.硝酸鈣胺基聚合物鉆井液技術[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：50-54.

厄瓜多爾東南部區(qū)塊地層屬于海相沉積，地層新，欠壓實，成巖性差，吸水性強，分散度高，造漿嚴重，尤其是上部CHALCANA和ORTEGUAZA地層存在大段泥質(zhì)含量在80%以上的泥頁巖和間歇性摻雜有煤層，易出現(xiàn)垮塌和縮徑，導致井下情況復雜。針對上述技術難題，優(yōu)選出一種適合于該區(qū)塊表層大井眼井段安全鉆進的硝酸鈣胺基聚合物鉆井液體系。室內(nèi)評價顯示，該體系性能穩(wěn)定，抑制性好，16 h泥巖巖心膨脹量只有0.47 mm，巖屑一次回收率高達96%，二次回收率為88%，固相容量高，抗污染能力強，能抗6%黏土污染或8%的鉆屑污染，對鉆具腐蝕性小（腐蝕速率為0.058 5 mm/a），無毒易降解。目前該鉆井液體系在該區(qū)塊Tapir井場進行了現(xiàn)場試驗應用。應用結(jié)果表明，該鉆井液體系防塌抑制性強，井眼凈化和攜砂能力良好，潤滑降摩阻作用好，尤其是防泥包效果顯著，起下鉆暢通，φ339.7 mm套管下入一次成功率100%，保證了井壁穩(wěn)定和井下安全，縮短了鉆井周期。

井壁穩(wěn)定；井眼凈化；硝酸鈣胺基聚合物鉆井液；環(huán)境保護；海相沉積；厄瓜多爾

厄瓜多爾東南部區(qū)塊地處厄瓜多爾熱帶原始雨林環(huán)境保護區(qū)，該區(qū)塊為新生界海相砂泥巖沉積地層，地層新，欠壓實，成巖性差，泥質(zhì)含量高，造漿嚴重，給鉆井液性能控制、固相控制造成不利影響，尤其是一開上部CHALCANA和ORTEGUAZA地層，易發(fā)生井壁垮塌、鉆頭泥包、起下鉆遇阻、遇卡和下套管阻卡、下不到底等。另一方面，該區(qū)塊屬于亞馬遜河流域熱帶原始雨林自然保護區(qū)，環(huán)境保護要求十分嚴格。針對該區(qū)塊地質(zhì)概況和地層特點，經(jīng)過大量室內(nèi)實驗研究，優(yōu)選出一種適合于厄瓜多爾東南部區(qū)塊表層大井眼井段安全鉆進的環(huán)境保護型硝酸鈣胺基聚合物鉆井液體系，該鉆井液具有抑制性強、流動性好、抗污染能力強、固相容量大、泥餅薄而堅韌、流變性能易于調(diào)節(jié)、適度絮凝又穩(wěn)定等特點。目前已在厄瓜多爾東南部區(qū)塊Tapir井場應用了5口井[1-5]。

1　鉆井液技術難點

1）井壁穩(wěn)定問題突出[6]。由于厄瓜多爾東南部區(qū)塊上部地層存在大段泥質(zhì)含量在80%以上的泥頁巖，其成巖性差，水敏性強，與鉆井液及其濾液接觸后極易引起井壁坍塌、縮徑，并且在975～1 035 m存在間歇性煤巖夾層。井壁穩(wěn)定問題是制約該區(qū)塊正常鉆井和鉆井提速的重要技術難題。

2）井眼清潔和凈化難度大[7-8]。厄瓜多爾目的層為重油開發(fā)，為方便油層段電潛泵的使用，定向井多采用“S”型井眼軌跡，并以大位移開發(fā)井為主（井深3 500 m以上），造斜點較高（180 m），位移垂深比接近1∶1，井身結(jié)構(gòu)以大井眼為主，井身結(jié)構(gòu)多采用（φ406.4 mm鉆頭+φ339.7 mm套管×1 980 m）+（φ311.2 mm鉆頭+φ244.5 mm技術套管×2 895 m）+（φ215.9 mm鉆頭+φ177.8 mm生產(chǎn)套管×3 500 m）。在中國這種大井眼井身結(jié)構(gòu)用于定向井實屬罕見。特殊井身結(jié)構(gòu)造成井眼清潔困難，井下事故頻發(fā)，特別是φ339.7 mm表層套管下入困難，存在下不到底的問題。

3）環(huán)境保護要求高。該區(qū)塊處于亞馬遜熱帶原始雨林自然保護區(qū)域，環(huán)境保護要求極高，所使用的鉆井液不但要求具有好的井壁穩(wěn)定性、高效的攜砂能力，而且處理劑必須從源頭上要求無毒、易生物降解，以滿足當?shù)氐沫h(huán)境保護相關的法律要求。

4）鉆井液抗黏土污染和防泥包能力要強。該區(qū)塊上部泥巖水化分散性強，造漿十分嚴重，鉆井液性能如果控制不當很容易受黏土侵害導致增稠、增黏，流變性變差，甚至失去流動性；同時由于地層泥質(zhì)含量高，很容易造成PDC鉆頭泥包現(xiàn)象，。

5）鉆具腐蝕問題突出。該區(qū)塊屬于熱帶雨林氣候，氣溫常年30 ℃左右，空氣濕度在90%以上，在高溫潮濕環(huán)境中，鉆具極易發(fā)生腐蝕。

2　硝酸鈣胺基聚合物鉆井液室內(nèi)實驗

經(jīng)過多個方案的反復篩選，確定了硝酸鈣胺基聚合物鉆井液體系，其基本配方如下，性能見表1。

清水+0.5%NaOH+3%硝酸鈣+（1%～1.5%）胺基聚合物G319-FTJ+（0.3%～0.4%）提黏切劑G310-DQT+（0.8%～1%）降濾失劑G307-KGJ+（1.0%～1.5%）植物油潤滑劑G303-WYR+0.5%防泥包清潔劑TRE-100+重晶石粉

表1　硝酸鈣胺基聚合物鉆井液基本性能

2.1抑制性評價

1）巖心膨脹量。用清水和硝酸鈣胺基聚合物鉆井液浸泡巖心，測定在不同的時間內(nèi)巖心的膨脹量，結(jié)果見圖1。由圖1可知，巖心在清水中浸泡16 h后的線性膨脹量接近4.5 mm，在硝酸鈣胺基聚合物鉆井液中的膨脹量較小，16 h只有0.47 mm；在硝酸鈣胺基聚合物鉆井液中，巖心膨脹量在前2 h內(nèi)上升較快，3 h之后增長很小，基本趨于穩(wěn)定，而在清水中膨脹量一直呈上升趨勢。說明硝酸鈣胺基聚合物鉆井液的抑制性很快發(fā)生作用，且持續(xù)時間長。

圖1　清水與硝酸鈣胺基聚合物鉆井液膨脹曲線對比

2）巖屑回收率。分別取50 g粒徑為2.0～2.8 mm的Tapir x井（2 335～2 340 m井段）的巖屑樣品，做回收率實驗，結(jié)果見表2。由表2可知，泥巖巖屑在清水的回收率較低，僅為26%，說明巖屑水化分散性較強； PAC聚合物鉆井液和鉀鹽聚磺鉆井液的回收率均有不同的提高，而硝酸鈣胺基聚合物鉆井液回收率最高，一次回收率高達96%，二次回收率88%，表明其抑制頁巖膨脹和水化分散作用最好，有利于井壁的長期穩(wěn)定。

表2　巖屑在不同鉆井液體系中的滾動回收率 %

2.2潤滑性評價

采用硝酸鈣胺基聚合物鉆井液的基礎配方，改變潤滑劑G303-WYR的加量，借助DA-Ⅱ動態(tài)模擬潤滑儀，測其在不同側(cè)向力條件下的摩擦系數(shù)，觀察在不同側(cè)向力下體系的潤滑性能，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著G303-WYR加量的增加，不同側(cè)向力下的摩擦系數(shù)和扭矩逐漸降低，體系表現(xiàn)出良好的潤滑效果，并且當G303-WYR濃度超過2%時，摩擦系數(shù)和扭矩趨于穩(wěn)定，結(jié)合鉆井成本考慮，G303-WYR加量為1%～1.5%較為適宜。

表3　不同側(cè)向力下潤滑劑加量對硝酸鈣胺基聚合物鉆井液潤滑性能的影響

2.3抗污染能力評價

2.3.1抗黏土污染

不同黏土含量的硝酸鈣胺基聚合物鉆井液性能見表4。由表4可知，該鉆井液在黏土含量低于6%時，黏度、切力和失水量變化不大，大于6% 后，黏度和切力急劇上升，泥餅虛而厚，失水量劇增，說明硝酸鈣胺基聚合物鉆井液的黏土容量限為6%。

表4　不同黏土含量體系性能

2.3.2抗鉆屑污染

硝酸鈣胺基聚合物鉆井液的抗鉆屑污染性能見表5。由表5可知，鉆井液中加入8%鉆屑后性能仍然比較穩(wěn)定，說明該鉆井液能夠抗8%鉆屑污染。

表5　鉆屑含量不同的硝酸鈣胺基聚合物鉆井液基本性能

2.4腐蝕性

通過金屬刮片腐蝕實驗測試鉆井液對金屬掛片的腐蝕速率，結(jié)果見表6。

表6　不同鉆井液體系金屬刮片腐蝕速率對比結(jié)果

腐蝕率測定條件為90 ℃、72 h，每個樣品中掛2個掛片取平均值。由表6可知，硝酸鈣胺基聚合物體系對金屬掛片的腐蝕速率為0.058 5 mm/a，遠小于氯化鉀聚合物和氯化鈣聚合物體系，并且低于0.076 mm/a的標準要求，這對于厄瓜多爾熱帶雨林高溫潮濕氣候環(huán)境中降低鉆井液對鉆具的腐蝕程度是十分有利。

2.5環(huán)境保護性能

依據(jù)厄瓜多爾國家環(huán)境保護的要求及相關標準，對硝酸鈣胺基聚合物鉆井液進行了生物毒性測試，鎘、汞、鉻等5種重金屬含量和生物降解性進行了室內(nèi)實驗評價，結(jié)果見表7、表8。由此可知，硝酸鈣胺基聚合物鉆井液無毒，易生物降解，重金屬含量均在標準值范圍之內(nèi)，滿足當?shù)丨h(huán)境保護相關要求，體系中不含氯離子，不會造成環(huán)境土壤板結(jié)，而且硝酸鈣因具有快速補鈣和補氮的特點而對植物生長十分有利。

表7　硝酸鈣胺基聚合物鉆井液重金屬含量 （mg/kg）

表8　硝酸鈣胺基聚合物鉆井液生物降解性

3　現(xiàn)場應用

硝酸鈣胺基聚合物體系在厄瓜多爾東南部Tapir井場的5口井一開上部地層進行了現(xiàn)場試驗應用。5口井表層井段0～1 980 m為φ406.5 mm井眼，從200 m開始造斜，850 m達到33 °左右，然后一直穩(wěn)斜至表層完鉆。鉆井過程中鉆井液性能穩(wěn)定，有效地抑制了地層分散造漿，防塌性強，流變性易于調(diào)整，起下鉆順暢，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，下套管一次成功率100%。

3.1鉆井液配制與轉(zhuǎn)化

開鉆前用清水徹底清洗所有循環(huán)罐和配漿罐，按室內(nèi)實驗配方用量比例依次加入硝酸鈣、胺基聚合物G319-FTJ、G310-DQT、G307-KGJ等處理劑循環(huán)攪拌24 h，待處理劑充分溶解后，攪拌均勻備用。導管和頂部流沙層直井段用膨潤土漿鉆進，有利于攜砂和防止井漏。200 m開始定向造斜后，用好的硝酸鈣胺基聚合物鉆井液頂替井中膨潤土漿，將體系轉(zhuǎn)換成硝酸鈣胺基聚合物鉆井液繼續(xù)鉆進。

3.2鉆井液維護處理措施

1）鉆進過程中密切觀察振動篩上巖屑的完整性，及時補充硝酸鈣消耗量，維持鈣離子的濃度，保持胺基聚合物濃度不低于1%，充分發(fā)揮體系抑制活性泥巖分散造漿的作用。根據(jù)地層和井深及時調(diào)整鉆井液的密度，保持一定的正壓差，增加井壁的防塌性能。

2）以細水長流的方式添加聚合物膠液提黏切劑，保持鉆井液有較低的表觀黏度和較高的動塑比（0.5～0.75 Pa/mPa·s），形成平板型層流，有利于攜砂，每鉆進2～3柱，注入5 m3由G310-DQT和super sweep配制的稠漿清掃液，清掃井眼。

3）針對上部地層造漿性強、固相含量上升快的特點，保證現(xiàn)場配備的3臺DERRICK篩網(wǎng)孔徑為0.105～0.140 mm的振動篩、除砂器、除泥器，鉆進期間24 h運作良好，同時將2臺MI-SWACO高速離心機開啟至脫水模式，及時清除有害固相，防止CHALCANA層泥巖過度造漿，保持鉆井液處于良好的凈化狀態(tài)。

4） 每2～3柱注入3 m3由防泥包清潔劑TRE-100和ALL COARSE等配成的稀釋漿，清潔鉆頭，該做法起到很好的預防鉆頭泥包作用，在高鉆壓、高鉆速的情況下保持了鉆頭清潔。

5）為了平衡循環(huán)時的當量密度，保證下套管作業(yè)的順利，完鉆后將鉆井液密度提高到1.26～1.27 g/cm3，同時在井底注入20 m3潤滑劑含量為3%的潤滑封閉液，封閉井底及下部井段，為一開φ339.7 mm套管順利下至井底提供了技術保證。

4　現(xiàn)場應用效果

硝酸鈣胺基聚合物鉆井液體系在厄瓜多爾Tapir 區(qū)塊5口井的現(xiàn)場應用效果如下。

1）井壁穩(wěn)定，井徑擴大率小。過去在該區(qū)塊使用的常規(guī)鉆井液體系所鉆的井，由于鉆井液抑制性差，地層剝蝕掉塊多，引起井眼擴大、井壁失穩(wěn)、活性泥巖造漿嚴重，甚至使鉆井液受嚴重黏土污染而失去流動性，而硝酸鈣胺基聚合物體系的應用解決了這一難題，目前完鉆的5口井井下未出現(xiàn)任何復雜情況，起下鉆暢通無遇阻，基本無劃眼。

2）提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。由于該鉆井液具有良好的井壁穩(wěn)定性、較低的固相含量和較低的鉆井液密度[6-8]，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，5口井一開平均機械鉆速在20 m/h以上，和前期同一井場所開發(fā)的鄰井平均機械鉆速（13 m/h）相比，機械鉆速提高了近53.8%。

3）清潔井眼能力強，鉆頭防泥包效果顯著。鉆井液低黏高切的良好流變性保證了體系優(yōu)良的攜砂和清潔井眼能力，通過合理使用防泥包清潔劑，起到很好的清潔鉆頭、預防鉆頭泥包作用。

4）保證了下套管作業(yè)順利。前期在同一區(qū)塊所鉆的鄰井經(jīng)常遇到因井下復雜而下不到底的技術難題，而使用硝酸鈣胺基聚合物鉆井液體系所完鉆的5口井，一開完鉆后在不通井的情況下，φ339.7 mm表層套管全部一次順利到底，尤其是Tapir x5井僅僅用了8 h就將一開套管順利下至1 908 m的中途完鉆井深。

5　結(jié)論與認識

1.硝酸鈣胺基聚合物鉆井液體系具有較強的抑制性和防塌能力。巖屑一次回收率為96%，二次回收率為88%，16 h巖心膨脹量為0.47 mm，能夠克服CHALCANA地層活性泥巖惡性造漿和ORTEGUAZA硬脆性泥頁巖剝蝕掉塊引起的井壁垮塌，鉆屑規(guī)則，PDC鉆頭刮削齒痕明顯，振動篩清爽干凈，固相易于控制，起下鉆順利。

2.硝酸鈣胺基聚合物鉆井液易于保持較低的黏度和較高的切力，流動性好，觸變性強，適度絮凝而又穩(wěn)定，攜砂和清潔井眼能力強，利于安全快速鉆進。

3.現(xiàn)場應用5口井表明，硝酸鈣胺基聚合物體系不僅能夠提供優(yōu)良的井壁穩(wěn)定性，而且固相容量大、抗污染能力強，有效提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，下套管一次成功率為100%。

4.硝酸鈣胺基聚合物體系性能穩(wěn)定，易于調(diào)整，穩(wěn)定井壁能力強，同時由于體系不含氯離子，符合厄瓜多爾當?shù)丨h(huán)境保護要求，降低了鉆井液對鉆具的腐蝕影響，滿足了厄瓜多爾東南部區(qū)塊上部復雜地層大井眼安全快速鉆井施工的需求。

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Calcium Nitrate Treated Polyamine Drilling Fluid Technology

ZHENG Yuhui1,2, JIANG Zhenwei1,2, FAN Fan1,2
(1. State Engineering Laboratory of Low Permeability Reservoir Exploration and Development, Xi’an, Shaanxi 710021,China; 2.Drilling & Production Technology Research Institute of CCDC, Xi’an, Shaanxi 710021, China)

In the marine sedimentary area in southeast Ecuador, formations drilled are young, unconsolidated, ready-to-disperse and highly mud making, especially theChalcanaand Orteguaza layers, where long sections of formations with more than 80% shales and with interbeded coal seams are found. These formations, having poor diagenetic grade and strong water absorption capacity, are very unstable and downhole troubles have long been encountered during drilling operations. A calcium nitrate treated polyamine drilling fluid has been engineered to drill these formations. This drilling fluid has stable properties and strong inhibitive capacity， and the rate of linear expansion of shale cores is only 0.47 mm after immersing 16 h in the drilling fluid， and the primary recovery of shale cuttings on hot rolling test is 96%, the secondary recovery of shale cuttings 88%. Tolerance to clay contamination is 6% and tolerance to cuttings contamination is 8%. This drilling fluid has low corrosion to drilling tools （corrosion rate is 0.058，5 mm/a）， and is non-toxic and easy to degrade. Field application has demonstrated that this drilling fluid is highly inhibitive， has good hole cleaning capacity and cuttings carrying capacity. Good lubricity of the drilling fluid helped minimize bit balling. Borehole stabilization and safe drilling have been realized, and drilling time saved. The running of φ339.7 mm casing string has been completely successful.

Borehole stabilization； Hole cleaning； Calcium nitrate treated polyamine drilling fluid； Environment protection； Marine sedimentation;Ecuador

TE254.3

A

1001-5620（2016）02-0050-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.011

鄭玉輝，工程師，1981年生，現(xiàn)在從事鉆井液與完井液技術研究與應用工作。電話 15902920291；E-mail：zhengyh8108@163.com。

（2015-12-29；HGF=1601C2；編輯王超）