高性能聚合醇鉆井液體系在水平鉆井中應(yīng)用研究

遲建功

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江大慶163000）

隨著鉆井技術(shù)不斷發(fā)展，水平井鉆井技術(shù)取得了長足進(jìn)步，在非常規(guī)油氣藏開發(fā)過程中，水平井鉆井技術(shù)應(yīng)用較為頻繁，有效提升了油氣產(chǎn)量和采收率，水平井鉆井工藝復(fù)雜，鉆井過程中摩阻扭矩較大，潤滑防卡要求高，同時水平段地層長期浸泡在鉆井液中容易發(fā)生垮塌，要求鉆井液具有較好抑制性能。聚合醇鉆井液防泥包、潤滑防卡效果好，且具有較強(qiáng)的抑制泥頁巖水化膨脹能力，在水平井鉆井中應(yīng)用越來越廣泛[1]，加強(qiáng)對高性能聚合醇鉆井液在水平井鉆井中應(yīng)用研究具有重要意義。

1 聚合醇鉆井液作用機(jī)理及特點(diǎn)

1.1 聚合醇鉆井液的作用機(jī)理

1.1.1 濁點(diǎn)效應(yīng)

聚合醇是一種非離子表面活性劑，其水溶液加熱時會出現(xiàn)渾濁，降溫時可由渾濁狀態(tài)變?yōu)橥该饕后w，透明和渾濁變化的臨界溫度即為濁點(diǎn)。聚合醇之所以會出現(xiàn)濁點(diǎn)效應(yīng)，與其特殊的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，聚合醇主要由聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、聚乙烯乙二醇等組成，其聚合醇鉆井液濁點(diǎn)受到溶液中礦化度、聚合醇分子量和濃度等影響[2]。在鉆井液中，聚合醇的作用主要表現(xiàn)在：①在淺井段鉆井液溫度低于濁點(diǎn)溫度，聚合醇溶于鉆井液，利用其表面活性，吸附在鉆具及固體顆粒表面，形成憎水膜，能夠有效阻止鉆井液中水分進(jìn)入泥頁巖地層，還能夠減少泥餅孔隙，降低泥餅滲透率，使得泥餅濾失量降低，從而防止井壁坍塌。此外，憎水膜還能改善潤滑性，降低鉆具摩擦阻力，降低扭矩，同時還能減少鉆頭出現(xiàn)泥包現(xiàn)象；②在深井段，由于鉆井溫度不斷升高，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)溫度時，聚合醇從鉆井液中析出來發(fā)生相分離，形成乳狀渾濁液，能夠有效封堵地層孔隙，聚合醇分子吸附在井壁和鉆具上，形成隔離膜，能夠有效抑制鉆井液中濾液進(jìn)入泥頁巖地層，防止地層發(fā)生水化膨脹。同時鉆井液的潤滑性大大增強(qiáng)，從而降低了鉆具與井壁的摩擦阻力，防止發(fā)生卡鉆及鉆頭泥包等情況出現(xiàn)。此外，當(dāng)鉆井液返出地面時，溫度降低，聚合醇又溶于鉆井液，避免被振動篩篩除，從而可以反復(fù)利用[3]。

1.1.2 聚合醇吸附機(jī)制

聚合醇在粘土表面具有較強(qiáng)的吸附性能，無論在純水還是KCl溶液中，吸附效果均較好，吸附量在濁點(diǎn)溫度以下隨溫度升高而降低，濁點(diǎn)溫度以上迅速增加，高于30℃時無明顯增加；聚合醇鉆井液在濁點(diǎn)溫度以下吸附量隨濃度增大而增大，濁點(diǎn)溫度以上，吸附量與分子濃度呈線性增長關(guān)系。聚合醇分子主鏈多為碳原子，側(cè)鏈為羧基，能夠與粘土顆粒形成氫鍵，從而搶占粘土礦物表面吸附位置，阻止水分子與粘土反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)地層效果。

1.2 聚合醇鉆井液作用特點(diǎn)

1.2.1 聚合醇鉆井液具有較強(qiáng)抑制性

研究表明，通過對一般水基鉆井液、油基鉆井液及多元醇類水基鉆井液進(jìn)行抑制性試驗，利用頁巖回收率、巖屑浸泡強(qiáng)度和高溫高壓動濾失等指標(biāo)來對比不同鉆井液的抑制性能，結(jié)果表明，聚合醇類水基鉆井液與油基鉆井液頁巖回收率接近，巖屑強(qiáng)度隨浸泡時間延長增強(qiáng)，溫度升高動濾失變化不明顯，多項指標(biāo)表明聚合醇鉆井液抑制性較強(qiáng)[4]。影響聚合醇抑制性的因素主要有：①無機(jī)鹽的影響。試驗表明無機(jī)鹽對多元醇抑制作用的影響順序為 KCl＞CaCl2＞NaCl＞H2O，KCl影響較明顯是因為K+與聚乙二醇能夠相互作用，壓縮粘土表面雙電層，聚乙二醇更容易吸附在粘土表面，從而阻止水與粘土顆粒接觸，起到較好的抑制頁巖水化分散作用；②不同聚合醇的影響。通過巖屑回收試驗表明，不同聚合醇抑制性大小順序表現(xiàn)為聚乙二醇＞乙二醇＞丙三醇，這種抑制性差異是由粘土表面的可交換K+與聚合醇分子中羧基作用的結(jié)果，此外，聚合醇分子間作用力也對抑制性產(chǎn)生影響；③聚乙二醇分子量的影響。聚乙二醇分子量范圍在200～20000之間，隨著其分子量增大，鉆井液抑制性增強(qiáng)，小分子量的聚乙二醇可以利用濁點(diǎn)效應(yīng)，在高溫時封堵地層，高分子量的聚乙二醇可以作為降濾失劑，為了達(dá)到較理想的使用效果，聚乙二醇的分子量應(yīng)控制在600～1000之間；④多元醇與聚合物復(fù)配。在聚合醇鉆井液中加入一定量的聚合物，能夠提升聚乙二醇的抑制性能。

1.2.2 潤滑性好

在鉆井過程中，聚合醇中乙二醇能起到較好的潤滑效果，研究表明，當(dāng)水基鉆井液中加入3%聚合醇時，鉆井液中的潤滑系數(shù)能夠降低到80%，此外聚合醇與石墨潤滑劑、極壓潤滑劑復(fù)配潤滑效果更好，在鉆大斜度井、水平井時，能夠降低扭矩，提升鉆速，同時還能防止和消除鉆頭泥包。

1.2.3 儲層保護(hù)效果好

聚合醇地層保護(hù)作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①聚合醇能夠鉆井液具有較強(qiáng)的粘度，能夠降低鉆井液濾失量；②溫度升高，聚合醇從鉆井液中析出，能夠較好地封堵孔隙；③聚合醇分子中的羧基與溶液中鉀離子協(xié)同作用，能夠減弱粘度雙電子層，降低粘土礦物水化膨脹能力；④聚合醇能夠降低油水界面張力，溶液中無機(jī)鹽含量增加或者溫度升高都能降低界面張力，有利于鉆井液返排，起到較好的油氣保護(hù)效果。

2 聚合醇水基鉆井液配方優(yōu)選

在水平井鉆井過程中，為了達(dá)到較好地抑制泥頁巖水化膨脹效果，提升井壁穩(wěn)定性，保護(hù)鉆井安全，需要優(yōu)選聚合醇鉆井液配方，具有較強(qiáng)抑制性、良好的潤滑性、鉆速快、儲層保護(hù)效果好、配伍性能好、安全環(huán)保等特性，具體配方如下：

5%土漿+3%JHC-G+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV

3 高性能聚合醇鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 Z41-P1井概況

Z41-P1井是Z41區(qū)塊內(nèi)的一口采油水平井，設(shè)計井深3335.00m，直井段長693.00m，造斜段長403.77m，水平段1461.23m。鉆遇地層為嫩江祖、青山口組、姚家組、泉頭組。儲層上部為綠灰色泥巖段，中下部為灰綠、綠灰色泥巖，灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，棕灰色含油粉砂巖呈不等厚互層。本井技套下深777m，二開裸眼長度為2558m，施工周期長，泥漿固相含量和坂土含量控制難度很大，鉆開嫩江組、姚家組、青山口組、泉四段不同巖性地層，泥漿參數(shù)調(diào)整頻繁，易發(fā)性能大幅波動。嫩二段地層有大段泥巖，泥巖遇水膨脹，易剝落，鉆井施工中易發(fā)生井塌和鉆具泥包卡鉆，同時鉆具泥包后可造成抽吸井噴。本井水平位移長達(dá)1645m，鉆進(jìn)過程易出現(xiàn)因井軌不斷調(diào)整造成拖壓，甚至卡鉆。

3.2 鉆井液配制

使用一完井（井深777.00m）內(nèi)鉆井液加水稀釋鉆掉水泥塞及其附件，鉆塞前加入適量純堿膠液，鉆塞過程中開啟除砂器和離心機(jī)清除劣質(zhì)固相，鉆塞后洗凈井筒，放掉污染的鉆井液。地面無預(yù)留老漿，地面采用水化坂土漿方式配漿，地面使用2、3、4、5號罐參與配漿，配量 152m3，加入土粉 6t，純堿0.24t，KOH0.05t，磺化瀝青 4t，KFT 6t,KOH 0.075t，NW-1 0.75t，復(fù)合抑制劑0.3t，包被劑0.5t，銨鹽2t，共計13.915t。采取地面循環(huán)方式對泥漿充分循環(huán)，符合開鉆要求。開鉆后未出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，返砂良好粘泥多。大分子聚合物要求緩慢加入，邊加邊觀察，嚴(yán)禁發(fā)生絮凝，控制地面和全井循環(huán)時間，鉆井液性能如表1所示。

3.3 造斜段維護(hù)

造斜段（井段1470.00～1873.77m）主要為嫩江組和青山口組泥巖，分散性強(qiáng)，要求泥漿潤滑性要好、攜砂能力強(qiáng)，預(yù)防卡鉆事故發(fā)生，補(bǔ)充鉆井液量時應(yīng)補(bǔ)充抑制劑，控制加入速度，防止發(fā)生絮凝。造斜初期井斜25°左右時加入1.02t白油、2t高效潤滑劑，施工中顯示摩阻不超過4t，在井斜不大于30°時，調(diào)整鉆井液性能粘度不要超過60s，使動塑比達(dá)到0.36～0.6，控制鉆井液固相含量及含砂量，為施工大斜度段做好準(zhǔn)備工作。0°～45°基本上每個單根鉆時在50min左右，施工過程中返砂良好，期間主要使用KFT和磺化瀝青膠液防塌，使用聚合醇、包被劑及NW-1膠液控制鉆井液抑制能力，返出物成形，顆粒規(guī)則。在井深1214m密度加到1.40g/cm3，粘度控制在55s左右。每鉆進(jìn)100m補(bǔ)充聚合醇0.4～0.6t，包被劑0.1～0.2t，NW-1抑制劑0.1～0.15t，潤滑劑白油1～1.5t，潤滑劑1～2t，提高鉆井液潤滑性，把摩阻控制在4t以內(nèi)在控制鉆井液流變性合理的前提下，嚴(yán)格按進(jìn)尺加足藥品密切關(guān)注鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)、排量、返砂量、摩阻、井軌等鉆井參數(shù)及工程變化情況，充分發(fā)揮固控設(shè)備作用，及時高效清除無用固相，防止巖屑進(jìn)一步分散。

表1 配漿鉆井液性能表

3.4 水平段維護(hù)

水平段（井段1873.77～3335.00m）為了保護(hù)油氣層，進(jìn)入油層前，鉆井液以四低兩高為控制主線，即低固相含量、低含砂量、低濾失量、低摩阻，高抑制性，高質(zhì)量泥餅。加入適量W-40，降低鉆井液濾液表面張力，減少水鎖對地層損害。在保證井眼清潔，凈化良好的情況下，水平井段振動篩使用率100%，除砂器每天開啟不少于6h，在保證泥漿密度的同時盡量使用離心機(jī)及清除泥漿中有害固相。每100m或每24h補(bǔ)加潤滑劑和白油，保證鉆井液中潤滑劑含量不低于6%，并關(guān)注提放顯示。由于本體系抑制性較強(qiáng)，水平段返出物成形度較好，顆粒規(guī)則，沒出現(xiàn)原體系返砂不成形的情況。水平段使用聚合醇8.2t，提高體系抑制性，保證井壁穩(wěn)定，包被劑0.15t，后期包被劑加入后有提粘顯示，為控制粘度嚴(yán)格控制包被劑在水平段使用量，NW-1使用0.4t，NW-1加入后對粘切無影響。水平段進(jìn)尺較慢，井下事故比較多，每鉆進(jìn)100m補(bǔ)充潤滑材料2t左右，從鉆井液上盡量將施工顯示摩阻控制到最低，由于水平段后期發(fā)生水侵，KFT加量為2.75t，2t磺化瀝青，目的是穩(wěn)定井壁，防止井壁坍塌，將泥漿中壓失水始終控制在4mL以下。

3.5 完井維護(hù)

鉆進(jìn)時充分使用固控設(shè)備清除劣質(zhì)固相，改善泥餅質(zhì)量。鉆井液密度盡量控制在下限，適當(dāng)降低壓差，并來保持較低的濾失量，來降低泥餅厚度。鉆進(jìn)盡可能使用較高的轉(zhuǎn)數(shù)提高井眼擴(kuò)大率。鉆井后期保持鉆井液性能穩(wěn)定，完鉆前應(yīng)提前50～100m處理好鉆井液各項性能。下套管前通井到底要充分清洗井筒，使用降粘劑控制鉆井液粘切，處理完粘切后使用石墨和潤滑劑配潤滑封閉液打入裸眼井段后停泵起鉆。通井起下鉆要控制速度，特別在曲率變化大的位置，起下至姚家組將速度控制最低；通井到底循環(huán)不少于2個循環(huán)周，循環(huán)時排量要逐步提升，盡量避免薄弱地層因壓力波動過大引發(fā)失穩(wěn)，鉆具始終保持緩慢活動狀態(tài)，提放范圍要超過5m，嚴(yán)禁定點(diǎn)循環(huán)沖蝕井壁。套管到底循環(huán)時，要求全井循環(huán)2周內(nèi)控制鉆井液性能符合設(shè)計中固井指標(biāo)，開啟固控設(shè)備充分凈化泥漿，保證井筒清潔，為固井做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)束語

配制的高性能水基鉆井液性能達(dá)到了預(yù)期效果。在鉆進(jìn)過程中，鉆井液始終保持了較好的流變性和穩(wěn)定性潤滑性，攜砂較好，鉆井液的密度粘度嚴(yán)格控制在所要求的范圍內(nèi)，保證了水平段施工的順利進(jìn)行。本體系中，在全井循環(huán)時加入1%～2%適當(dāng)濁點(diǎn)的聚合醇，每日補(bǔ)加0.8～1t，使得體系控制造漿能力強(qiáng)，巖屑侵入速度較慢，振動篩返出巖屑顆粒分明，棱角明顯，后期返砂困難時，及時補(bǔ)充提粘切處理劑，將鉆井液流變性調(diào)高，處理維護(hù)效果明顯。

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