準噶爾盆地南緣高性能水基鉆井液研究及應用

舒義勇，孫俊，陳俊斌，祝學飛，查凌飛

（1.川慶鉆探工程有限公司新疆分公司，新疆庫爾勒841000；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢618300）

準噶爾盆地南緣安集海河組地層復雜，阻卡問題突出?；?0井發(fā)生卡鉆事故9次，損失時間高達104 d；霍001井阻卡頻繁、鉆具卡死5次；霍002井頻繁發(fā)生阻卡；霍003井發(fā)生阻卡85次，10次鉆具卡死。由于復雜事故的存在，鉆井時效大幅降低、鉆井周期延長、鉆井液成本居高不下，嚴重制約了南緣的勘探進程。隨著霍101和霍11井油基鉆井液技術(shù)的應用，解決了南緣安集海河組鉆井諸多井下復雜難題[1-3]。但油基鉆井液也存在成本高昂、油基鉆屑處理難和環(huán)境污染風險大等棘手問題。而常規(guī)井[4-16]用的高性能水基鉆井液因抑制性不足，不能滿足安集海河組地層安全鉆井的需要。針對安集海河組鉆井過程中存在的技術(shù)難題，開展了強抑制高性能水基鉆井液體系研究，并在瑪河氣田MN1006井進行了現(xiàn)場應用。

1 強抑制高性能水基鉆井液作用機理

準噶爾盆地南緣安集海河組地層壓力系數(shù)高達2.20，事故復雜頻繁，稱之為“死亡之?！薄５貙羽ね恋V物含量高，伊/蒙混層黏土含量超過30%，“遇水即溶”形成劣質(zhì)土混入到鉆井液中，固控設備難以清除，劣質(zhì)土相的增加導致鉆井液流變性能迅速惡化，影響鉆井作業(yè)的安全進行。常規(guī)井用的高性能鉆井液存在鉆頭泥包、機械鉆速慢、鉆屑堵塞出口管、井壁垮塌、鉆井液的膨潤土含量值增長快、性能穩(wěn)定周期短等鉆井難題，歸根到底是因為鉆井液的抑制封堵性能不足造成的。據(jù)此，在常規(guī)高性能水基鉆井液的基礎上，引入了雙胺基、鍵合劑和剛性+柔性兩種微納米級封堵劑，強化了體系的抑制封堵性能。主要處理劑的作用機理：胺基硅醇HAS通過在黏土表面形成疏水層，減緩和阻止黏土表面的水化作用；胺基抑制劑SIAT則是鑲嵌在黏土層間，拉近黏土層間距離，限制黏土吸水膨脹[17]；鍵合劑HBA與水分子通過氫鍵形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[18-22]，一方面減少鉆井液中的自由水，降低活度，一方面提高鉆井液的懸浮穩(wěn)定性；雙胺基抑制劑和鍵合劑的協(xié)同作用增強了體系的抑制性能；微納米石蠟TYRF-1和微納米封堵劑HSM則是通過對地層孔隙進行有效封堵，改善泥餅質(zhì)量，阻止濾液滲入地層，保持井壁穩(wěn)定。

2 室內(nèi)實驗

2.1 抑制劑復配

安集海河組伊/蒙混層黏土具有極強的造漿性，在以7%KCl+20%Weigh3+2%SIAT為抑制劑的基礎上，復配了2%HAS和15%HBA，進一步增強體系的抑制性，通過巖屑滾動回收率對其抑制泥巖水化造漿性能進行評價，結(jié)果見表1。從表1可知，清水的巖屑滾動回收率只有12.1%，說明安集海河組泥巖具有很強的水化特性，隨著試驗液中抑制劑種類的增加，試驗液的抑制性明顯增強，巖屑回收率也大幅增加；5#試驗液配方巖屑回收率達到96.24%，能有效抑制泥頁巖水化膨脹分散造漿。

表1 巖屑滾動回收率實驗結(jié)果

2.2 封堵性能

為了提高鉆井液的封堵性能，引入了剛性+柔性2種微納米級的封堵劑，2種封堵劑的粒度分布特征值和封堵性能評價見表2、表3。

表2 2種封堵劑粒度分布特征值

表3 加入2種封堵劑（1%HSM+1%TYRF-1）前后對鉆井液流變性和封堵性的影響

從表2和表3可以看出，封堵劑的加入能顯著降低鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量，且對鉆井液流變性能的影響很小，2種微納米封堵劑的粒徑均小于泥頁巖的平均孔隙，通過架橋和填充作用，對泥頁巖孔隙進行封堵。

2.3 強抑制高性能水基鉆井液體系構(gòu)建

依托鉆井液公司已有技術(shù)積累，在已有鉆井液技術(shù)、文獻調(diào)研的基礎上，優(yōu)選了天然高分子強包被抑制劑IND30作為強抑制高性能水基鉆井液的包被劑，針對安集海河組泥巖強水敏特性，以無機鹽和有機鹽，復配2種胺基抑制劑提高體系的抑制性，引入HBA增強體系的抑制性，降低活度。以TYRF-1和HSM 2種微納米級封堵劑提高體系的封堵性能。采用L9（34）正交實驗，將膨潤土、IND30、Redu1和HBA作為考慮的4個因素，以漏斗黏度、切力值和濾失量作為指標來衡量，對強抑制高性能水基鉆井液配方進行了優(yōu)化，通過綜合分析方法確定其配方如下，性能見表4。

1%膨潤土+0.2%NaOH+0.8%IND30+1.5%Redu1+15%HBA+7%KCl+20%Weigh3+2%SIAT+2%HAS+1%HSM+1%TYRF-1+高密度重晶石粉

表4 強抑制高性能水基鉆井液的基本性能

3 強抑制高性能水基鉆井液體系評價

3.1 抑制性能

通過頁巖滾動回收率和線性膨脹率實驗，研究強抑制高性能水基鉆井液的抑制性能，結(jié)果見表5。

表5 頁巖滾動回收率和線性膨脹率實驗結(jié)果

從表5可以看出，強抑制水基鉆井液的一次巖屑回收率達到98.60%，比常規(guī)高性能水基鉆井液高；8 h線性膨脹量僅2.19 mm，比常規(guī)高性能水基鉆井液低。

3.2 抗污染性能

在鉆井過程中，鉆井液不可避免地會受到地層流體、劣質(zhì)土等污染，鉆井液的性能會發(fā)生相應變化，嚴重時會導致鉆井液性能惡化，影響鉆井作業(yè)的安全進行。主要從抗鹽、膏及抗黏土污染3方面對強抑制高性能水基鉆井液的抗污染性能進行室內(nèi)評價，結(jié)果見表6和表7。

表6 高性能水基鉆井液抗 NaCl能力

表7 高性能水基鉆井液抗鈉膨潤土污染能力

從表6可以看出，強抑制高性能水基鉆井液具有很強的抗鹽和抗石膏污染能力，濾失量變化小，鹽濃度達到過飽和的時候，鹽發(fā)生重結(jié)晶析出，影響泥餅質(zhì)量，濾失量有所上升；當CaSO4加量達到2%時，鉆井液的流變性和濾失量有所上升，但仍在合理范圍內(nèi)。在鉆井過程中，為了防止鹽發(fā)生重結(jié)晶造成井下復雜，在鉆井液中添加0.2%～0.4%的鹽重結(jié)晶抑制劑NTA-2。

從表7可以看出，強抑制高性能水基鉆井液具有良好的抑制性能，鈉膨潤土在鉆井液中基本不水化，對鉆井液的φ6/φ3和靜切力影響很小；隨著鈉膨潤土加量的增加，塑性黏度和動切力值有所上升，主要是因為低密度固相增加的原因造成的；在加入20%的鈉膨潤土后，鉆井液表觀黏度和塑性黏度增加，但φ6/φ3和靜切力增加幅度不大，鉆井液性能仍能滿足鉆井作業(yè)的要求。

3.3 抗溫性能

測定強抑制高性能水基鉆井液在不同溫度下熱滾后的性能變化，實驗結(jié)果見表8?？梢钥闯?，強抑制高性能水基鉆井液具有良好的抗溫性能，在120 ℃以下熱滾各項性能基本無變化，滿足南緣安集海河組鉆井的要求。

表8 強抑制高性能水基鉆井液在不同溫度下熱滾后的性能

3.4 沉降穩(wěn)定性

將老化后的鉆井液用高速攪拌器攪拌10 min，靜置24 h后測量上下密度差為0.02～0.03 g/cm3，老化罐中鉆井液表面無自由水，說明強抑制高性能水基鉆井液具有良好的沉降穩(wěn)定性能。

4 現(xiàn)場應用

準噶爾盆地南緣瑪河氣田MN100X井四開完鉆井深2614 m。三開安集海河組專打?qū)７?，為本井的復雜地層（700～2379 m），巖性為大段灰綠色泥巖，伊/蒙混層黏土含量超過30%。鉆井過程中出現(xiàn)鉆頭泥包、巖屑堵塞防溢管、鉆井液膨潤土含量增加快，性能穩(wěn)定周期短（3～4 d性能惡化，需大型處理一次鉆井液，每次處理置換鉆井液費用15～20萬）等復雜情況。轉(zhuǎn)換前鉆井液配方：1%膨潤土+0.2%NaOH+0.8%IND30+1.5%Redu1+7%KCl+20%Weigh3+2%SIAT+2%潤滑劑+重晶石粉。該井在井深1200 m轉(zhuǎn)換成強抑制高性能水基鉆井液，鉆井液性能穩(wěn)定（轉(zhuǎn)換前后鉆井液性能見表9），無排放，巖屑代表性好，掉塊少，中途完鉆電測和下套管等特殊作業(yè)均安全進行。

表9 準噶爾盆地南緣瑪河氣田MN100X井轉(zhuǎn)換前后的鉆井液性能

5 結(jié)論與認識

1.安集海河組地層伊/蒙黏土含量超過30%，常規(guī)井用的高性能水基鉆井液體系不適應該地層的安全快速鉆井。優(yōu)選了對伊/蒙混層黏土抑制性能好的抑制劑，保證一次巖屑滾動回收率在90%以上，有效抑制了伊/蒙混層黏土的水化分散造漿，TYRF-1和HSM兩種微納米封堵劑的平均粒徑均小于泥頁巖的平均孔隙，兩者的加入能顯著降低鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量，且對鉆井液流變性能影響很小。通過正交實驗，形成了一套強抑制高性能水基鉆井液體系。

2.現(xiàn)場應用表明，強抑制高性能水基鉆井液能滿足準噶爾盆地南緣安集海河組強水敏性地層安全快速鉆井的需要，鉆頭無泥包現(xiàn)象，巖屑代表性好，井眼穩(wěn)定，電測和下套管作業(yè)順利。

3.轉(zhuǎn)換體系前鉆井液抑制能力不足，膨潤土含量增加快，鉆井液性能穩(wěn)定周期短，反復處理鉆井液，成本高昂。轉(zhuǎn)換后鉆井液抑制性能明顯增強，鉆井液穩(wěn)定周期長，無排放，節(jié)約了鉆井液維護處理成本。

4.鉆井液中沒有添加褐色有毒的添加劑，鉆屑便于處理，環(huán)境更友好，為南緣安集海河組的安全鉆井提供了新的鉆井液技術(shù)思路。