新型抑制性水基鉆井液技術(shù)及性能評(píng)價(jià)*

王 均，陶 操

（1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.長(zhǎng)慶油田分公司 采油三廠(chǎng)，陜西 西安710000）

油田化學(xué)

新型抑制性水基鉆井液技術(shù)及性能評(píng)價(jià)*

王 均1，陶 操2

（1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.長(zhǎng)慶油田分公司 采油三廠(chǎng)，陜西 西安710000）

針對(duì)該地區(qū)頁(yè)巖地層水平井段容易產(chǎn)生水化膨脹縮徑和造漿能力強(qiáng)的技術(shù)難題，利用新型無(wú)機(jī)鹽和聚合醇等處理劑，開(kāi)發(fā)一種新型水基鉆井液，并模擬焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組地層溫度（約80℃），開(kāi)展老化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)；實(shí)驗(yàn)表明：該鉆井液體系具有抑制性強(qiáng)，濾失量小的特點(diǎn)。此外，利用聚磺鉆井液濾液、聚合鉆井液濾液、清水和所研制的水基鉆井液的濾液浸泡頁(yè)巖巖心，評(píng)價(jià)常溫常壓膨脹量。由于聚合醇膠體填充頁(yè)巖的細(xì)小孔隙或微裂縫，阻擋濾液進(jìn)入泥頁(yè)巖地層；另一方面，無(wú)機(jī)鹽中水化能力弱的K+將晶層間隙中水化半徑較大和水化能力強(qiáng)的Ca+、Na+等離子交換出來(lái)，并與頁(yè)巖晶層牢固結(jié)合，阻止晶層間距增大，抑制頁(yè)巖水化膨脹；對(duì)頁(yè)巖開(kāi)展?jié)L動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)測(cè)試，頁(yè)巖在所研制的水基鉆井液中的回收率達(dá)到99.7%，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性能。

鉆井液；聚合醇；抑制性；失水量

隨著對(duì)頁(yè)巖氣資源的開(kāi)發(fā)，對(duì)頁(yè)巖層段井壁穩(wěn)定的要求越來(lái)越高；國(guó)外利用水基體系鉆進(jìn)的技術(shù)日趨成熟，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域還處于基礎(chǔ)研究階段，主要應(yīng)用油基鉆井液體系[1,2,3-5]；但隨著石油工業(yè)的發(fā)展，鉆井成本的控制和環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，油基鉆井液的使用受到一定的限制；為了解決頁(yè)巖井段的井壁穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題，本文研究了一種新型水基鉆井液技術(shù)，并與焦石壩頁(yè)巖巖心結(jié)合，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)和機(jī)理分析。實(shí)驗(yàn)表明:該鉆井液體系抑制能力強(qiáng)，環(huán)保效果好，對(duì)本地區(qū)頁(yè)巖氣井的鉆進(jìn)具有一定的借鑒意義。

1 焦石壩頁(yè)巖層段鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀

焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)含氣泥頁(yè)巖，集中分布在五峰組-龍馬溪組底部，底板為上奧陶統(tǒng)澗草溝組淺灰色瘤狀灰?guī)r，鉆井過(guò)程中，需要鉆井液保持低失水、優(yōu)良的造壁性和潤(rùn)滑性，以及良好流變性，保證安全快速鉆進(jìn)。目前，在焦石壩頁(yè)巖地層的鉆進(jìn)中，為了維持井壁穩(wěn)定、保證良好的潤(rùn)滑性，提速鉆進(jìn)，最大限度地保護(hù)油氣層，預(yù)防壓差卡鉆，采用強(qiáng)抑制性油基鉆井液技術(shù)。但是，我國(guó)配套的油基鉆井液技術(shù)尚不成熟，油基鉆井液沒(méi)有系列配套的處理劑、安全、環(huán)保技術(shù)，尚沒(méi)有鉆井液回收處理及循環(huán)使用技術(shù)和含油鉆屑的處理技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)低成本，環(huán)保問(wèn)題壓力大。

2 水基鉆井液的基本性能

2.1 水基鉆井液的配方

該鉆井液體系采用無(wú)機(jī)鹽（磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀）作為降濾失劑和頁(yè)巖封堵材料，酚醛樹(shù)脂作為抗高溫處理劑，聚合醇作為抑制劑，陽(yáng)離子乳化瀝青作為防塌和降濾失材料，KPAM作為頁(yè)巖抑制劑和包被劑以及水基潤(rùn)滑劑FK-10。經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出水基鉆井液體系的配方如下。

2.2 水基鉆井液體系的性能參數(shù)

為了模擬焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖層段實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為80℃，熱滾16h。

表1 水基鉆井液性能指標(biāo)Tab.1 Water-based drilling fluid performance indicators

2.3 幾種鉆井液性能參數(shù)對(duì)比研究

將所研究的水基鉆井液與聚合物體系、聚磺體系開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。其中聚合物和聚磺體系配方如下。聚合物：清水+4.0%膨潤(rùn)土+0.15%KPAM+0.15%FA-367+1.5%LS-2+3.0%SEB聚磺：清水+4.0%膨潤(rùn)土+0.2%FA-367+0.3%NaOH+3.0%SMC+4.0%SMP-1+3.0%RSTF+2.0%PPL

表2 3種鉆井液各項(xiàng)性能參數(shù)對(duì)比表Tab.2 Three kinds of drilling fluid performance parameters of the table

老化后，聚磺鉆井液的塑形粘度下降7mPa·s，聚合物鉆井液的塑形粘度保持不變；水基鉆井液的塑性粘度增高2mPa·s，由于無(wú)機(jī)鹽網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散于體系中，結(jié)合聚合醇濁點(diǎn)效應(yīng)的影響，形成了致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，塑形粘度必然略有增大。聚磺鉆井液體系動(dòng)切力下降1.5Pa，動(dòng)塑比下降；聚合物鉆井液體系動(dòng)切力增加1.5Pa，水基鉆井液體系的動(dòng)切力增加了2Pa，動(dòng)塑比最大，表明該體系攜帶巖屑能力較強(qiáng)[1，6，8，9]。老化后，聚磺鉆井液體系的失水量增加3.5mL，聚合物體系失水量增加20mL；水基鉆井液體系抑制性強(qiáng)，失水量?jī)H增加0.5mL，能很好的控制失水。其主要機(jī)理：無(wú)機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和隨溫度升高析出來(lái)的聚合醇分子在鉆井液體系中形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大塑性粘度，阻止了水分的滲濾。

3 水基鉆井液抑制性評(píng)價(jià)

3.1 頁(yè)巖的物性分析

對(duì)于本次取焦石壩地區(qū)自志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖巖心，利用DX-2700型號(hào)X-射線(xiàn)掃描儀對(duì)其展開(kāi)衍射實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，分析其礦物成分。見(jiàn)表3。

2．在國(guó)際貿(mào)易秩序恢復(fù)的過(guò)程中，國(guó)際貿(mào)易的制度安排是和美英兩國(guó)國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)政策緊密相聯(lián)的。當(dāng)時(shí)，無(wú)論是英國(guó)還是美國(guó)，凱恩斯主義的宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)政策均占據(jù)著絕對(duì)主導(dǎo)的地位。因此，對(duì)外貿(mào)易在一國(guó)的宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)中是總需求的重要組成部分，從這個(gè)角度出發(fā)，我們才能理解:一國(guó)的關(guān)稅減讓必須建立在貿(mào)易伙伴的關(guān)稅減讓的前提之下;一國(guó)的貿(mào)易開(kāi)放是為了創(chuàng)造出本國(guó)商品出口的外部條件。

圖1 X射線(xiàn)掃描儀以及頁(yè)巖衍射圖譜Fig.1 X ray scanner and shale diffraction patterns

表3 頁(yè)巖樣品粘土相對(duì)含量（%）Tab.3 Relative content of clay shale samples

實(shí)驗(yàn)表明：粘土礦物主要有石英、伊利石、綠泥石、云母和沸石，有少量的正長(zhǎng)石、石棉、蛇紋石、輝石、錳礦和大隅石等。伊利石含量最高，云母次之，其他礦物含量較少；亦即焦石壩頁(yè)巖水化膨脹性弱，脆性礦物含量高，硬脆性特征明顯。

3.2 頁(yè)巖測(cè)試樣品制備

本實(shí)驗(yàn)用頁(yè)巖取自焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組，將頁(yè)巖巖石碾碎成粉末狀。（1）將待測(cè)頁(yè)巖粉碎通過(guò)100目篩網(wǎng)，在烘箱內(nèi)105℃烘4h，冷卻至室溫；（2）稱(chēng)取10g處理后的巖樣粉末裝入巖心壓制模具中，在5MPa下，壓制5min取出，測(cè)量其厚度并記錄[1,6，10]。

圖2 頁(yè)巖餅制備過(guò)程Fig.2 Shale cake preparation process

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)選用ZNP-1型號(hào)的鉆井液常溫膨脹測(cè)試儀。（1）將相應(yīng)尺寸的濾紙放在頁(yè)巖餅兩端面后裝入測(cè)量杯內(nèi)；（2）放入測(cè)量連桿；（3）調(diào)整測(cè)量杯的位置使測(cè)量探頭對(duì)準(zhǔn)連桿；（4）打開(kāi)常溫常壓膨脹儀開(kāi)關(guān)，并將初始測(cè)量值置零；（5）將待測(cè)液體注入測(cè)量筒內(nèi)，把安裝好的測(cè)量杯放入測(cè)量筒中；（6）并開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄頁(yè)巖餅的膨脹量△H（mm）隨時(shí)間的變化關(guān)系[6，10，11]。

圖3 常溫膨脹量測(cè)定儀Fig.3 room temperature expansion of the tester

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)H為頁(yè)巖餅的高度，可由游標(biāo)卡尺測(cè)量，mm；△H表示試驗(yàn)溶液浸泡下頁(yè)巖餅的膨脹量，mm。其絕對(duì)膨脹率表示為：

表4 頁(yè)巖餅在幾種流體中的膨脹量Tab.4 Swelling of shale cake in several fluids

將頁(yè)巖樣品在幾種鉆井液中的膨脹量繪圖如下。

圖4 頁(yè)巖餅在不同流體濾液的膨脹曲線(xiàn)Fig.4 Swelling curve of shale cake in different fluid filtrates

水基鉆井液體系中的無(wú)機(jī)鹽含有K+，水化能力弱，容易進(jìn)入頁(yè)巖晶層間隙，將水化半徑和水化能較大的Ca+、Na+等離子交換出來(lái)，進(jìn)入六角環(huán)氧空間的K+與黏土晶片結(jié)牢固合，抑制晶層間距增大[1,10,12]；老化時(shí)，溫度升高，由于聚合醇濁點(diǎn)效應(yīng)，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇分子逐漸從水中分散出來(lái)，形成乳狀液，呈現(xiàn)出憎水性，在井壁上粘附形成一層憎水膜，與部分無(wú)機(jī)鹽進(jìn)入頁(yè)巖細(xì)微孔隙中或者吸附在頁(yè)巖表面，縮小孔隙尺寸甚至填充細(xì)小微裂縫，阻擋自由水份進(jìn)入巖石內(nèi)部，在頁(yè)巖外壁形成一層滲透率極低的隔膜，抑制頁(yè)巖水化，阻止其溶脹、脫落、垮塌，降低頁(yè)巖的水化膨脹量,真正起到穩(wěn)定井壁的效果[1,13-17]。

4 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率分析

泥頁(yè)巖滾動(dòng)分散實(shí)驗(yàn)是用于評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖分散性最常用的實(shí)驗(yàn)方法。該方法利用滾動(dòng)模擬巖屑在井下運(yùn)移情況，實(shí)驗(yàn)溫度可調(diào)節(jié)為井下溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般為16h[10]。本次實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將龍馬溪組頁(yè)巖粉碎，篩選取6～10目的巖樣碎屑，在烘箱中（105℃條件下）烘干4h，冷卻至室溫[6]；

（2）精確稱(chēng)取6～10目的巖樣碎屑50.0g，分別裝入盛有350mL清水、水基鉆井液、聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的老化罐中，擰緊杯蓋，確保密封良好[3]；

（3）將老化罐放入滾子加熱爐中，在80℃的恒溫條件下，熱滾16h，取出老化罐冷卻至室溫[4]；

（4）將老化罐內(nèi)的巖樣碎屑過(guò)30目篩網(wǎng)，并用自來(lái)水沖洗1min，將篩子內(nèi)的碎屑放到烘箱中（105℃條件下）烘干4h，取出巖樣碎屑冷卻至室溫并靜放24h后稱(chēng)重，記為Mg。

圖5 頁(yè)巖分散實(shí)驗(yàn)Figure 5 shale dispersion experiment

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：將巖樣回收率記為R30；

表5 滾動(dòng)回收率數(shù)據(jù)Tab.5 Scattered experimental data

頁(yè)巖在幾種流體中的回收率都較高，在所研制的水基鉆井液中的回收率高于其他流體，回收率達(dá)到99.7%，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性能。

5 結(jié)論

（1）本文研究的水基鉆井液體系熱穩(wěn)定性好，在80℃，濾失量較低。

（2）水基鉆井液體系能夠很好的抑制頁(yè)巖吸水膨脹，有利于維持頁(yè)巖段井壁穩(wěn)定。

（3）頁(yè)巖蒙脫石含量低，具備硬脆性礦物特征，不易水化膨脹、分散性差，在水基鉆井液中的回收率高。

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New water-based drilling fluids suppression technology and performance evaluation*

WANG Jun1，TAO Chao2
（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China;2.Changqing Oilfield Company Oil Production Factory,Xi′an 710000,China）

For the technical problems of shale formations horizontal section proning to hydration expansion necking and strong pulping in jiao shiba area,developmented a new water-based drilling fluids using new inorganic and polymeric alcohol treatment agent and conducted evaluation simulation Longmaxi Silurian formation temperature （about 80℃）.The results showed that:drilling fluid system has the characteristics of strong inhibition and a small amount of fluid loss.Moreover,evaluated shale expansion amount in normal temperature and pressure using polysulfonatemud filtrate,polymerization mud filtrate,water and the development of water-based drilling fluid filtrate soaked shale cores.Since the polymeric alcohol colloid filling small voids ormicrocracks shale barrier filtrate into shale formations;On the other hand,weak hydration K+inorganic salts exchange out larger radius and hydration hydration ability of Ca+,Na+ion from the crystal layer gap and combined with a solid shale crystal layer.prevents crystal layer spacing increasing,inhibition of shale hydration expansion.Scroll to carry out the recovery of shale experimental test,developed shale in water-based drilling fluid recovery rate of 99.7%,reflecting the strong rejection.

drilling fluid;polymeric alcohol;inhibiting;water loss

TE254

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170436

2017-01-16

重慶市教委基金項(xiàng)目“適于頁(yè)巖氣地層的新型鉆井液技術(shù)研究”（No.KJ131406）

王 均（1980-），男，漢族，碩士，講師，主要從事鉆井液技術(shù)方面研究。