三效合一強抑制鉆井液技術(shù)的研究及應用

李 瓊

中國石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000

隨著新疆準噶爾中部區(qū)塊、準噶爾周緣山前構(gòu)造帶勘探進程加快，下部地層井壁穩(wěn)定成為當前提速的難題。泥頁巖的水化膨脹分散導致的井壁失穩(wěn)、鉆頭泥包和井眼凈化差等問題，造成鉆井井下復雜或卡鉆情況頻發(fā)，嚴重威脅著鉆井井下安全。勝利油田東部區(qū)塊鉆井施工中，采用常規(guī)的聚磺鉆井液技術(shù)在鉆二開時，不能有效地控制造漿，遇到大段泥頁巖層，鉆井液變稠，為了稀釋和降低鉆井液黏度，需反復加水和處理劑處理鉆井液，以調(diào)整其性能，因此大大增加了材料消耗，使鉆井液成本增加。勝利油田東營凹陷上部地層泥巖易水化膨脹，造漿嚴重，沙三段及以下地層，主要硬脆性泥頁巖容易出現(xiàn)掉塊垮塌，造成井壁失穩(wěn)。深水平井，特別是頁巖水平井，井壁穩(wěn)定問題尤為突出[1-3]。因此，針對山前構(gòu)造及勝利油田當前狀況，研究開發(fā)了一種新型環(huán)保型鉆井液泥頁巖抑制劑，將封堵、成膜、強抑制技術(shù)有機結(jié)合在一起，形成一套強抑制鉆井液體系及現(xiàn)場施工工藝，從而實現(xiàn)井壁穩(wěn)定達到快速鉆進的目的，同時有效減少鉆井液處理劑種類和用量，降低勞動強度，縮短建井周期，對鉆井液區(qū)域化施工具有重要意義。

1 三效合一強抑制劑的制備及評價

1.1 制備方法

通過化學耦合對不同粒度剛性顆粒進行表面修飾，使其表面可與聚合單體有效聯(lián)結(jié)。對天然纖維進行堿化、高溫裂解處理后，在催化劑作用下使其與不飽和有機胺化合物進行縮聚反應，在剛性顆粒表面聚合并粘結(jié)，得到以剛性顆粒為內(nèi)核、以有機胺天然纖維聚合物為外層的三效合一強抑制劑。

1.2 作用機理

研制的三效合一強抑制劑是一種核殼類聚合物，通過不同粒度剛性顆粒(納米級和微米級)合理級配，可實現(xiàn)對微納米級裂縫的封堵，引入的低分子聚合物鏈和特殊官能團，使分子鏈上含有大量陽離子化基團，可對黏土顆粒晶層形成多點吸附，抑制黏土分散，并在泥餅表面形成較為牢固的膜結(jié)構(gòu)，阻止鉆井液濾液向地層滲透，從而起到穩(wěn)定井壁并保護儲層的作用。

1.3 性能評價

1.3.1 抑制性評價

1)線性膨脹量測試實驗

對比了三效合一強抑制劑、KCl溶液、有機胺與蒸餾水的線性膨脹量，結(jié)果見表1。

表1 線性膨脹率測試結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，三效合一強抑制劑8 h線性膨脹率是蒸餾水的17%，各時段的線性膨脹率較KCl溶液和有機胺更小，抑制性更好。

2)頁巖回收率測試實驗

對比了三效合一強抑制劑、復合鹽、有機胺與聚磺防塌劑的頁巖滾動回收率，結(jié)果見表2。

表2 頁巖回收率測試結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，在加量均為2%的情況下，三效合一強抑制鉆井液的頁巖回收率最高，達95.4%，其抑制性非常好。

1.3.2 封堵性評價

對比了三效合一強抑制劑與幾種常用封堵劑的API濾失量與砂床侵入深度，結(jié)果見表3。

表3 FA型砂床濾失儀實驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，三效合一強抑制劑鉆井液進入砂床的深度最小，表明其形成的泥餅的封堵效果好。

1.3.3 成膜效果評價

對膨潤土基漿及加入不同成膜劑的試驗漿，進行高溫高壓濾失量測試，將測試完的高溫高壓濾失后的泥漿倒出，保留形成的泥餅，加入蒸餾水，再次進行高溫高壓濾失量實驗，測試蒸餾水的濾失量V及泥餅厚度H，計算泥餅的滲透率K，結(jié)果見表4。

表4 泥餅滲透率實驗結(jié)果

通過表4可以看出，三效合一強抑制劑與其他產(chǎn)品相比，形成的泥餅更薄，濾失量小，泥餅滲透率更低。

對膨潤土基漿與加入三效合一強抑制劑的樣漿進行中壓濾失量測試實驗，對得到的泥餅進行SEM電鏡測試，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 基漿形成的泥餅

圖2 加入三效合一強抑制劑的樣漿形成的泥餅

加入三效合一強抑制劑后泥餅表面形成膜結(jié)構(gòu)，使形成的泥餅表面更加均勻致密，質(zhì)量更高。

2 封堵成膜強抑制鉆井液體系研究及性能評價

2.1 體系設計思路

根據(jù)山前帶等井壁易坍塌地層特征，結(jié)合近幾年在該地區(qū)鉆井施工情況、鉆井液使用及現(xiàn)場處理技術(shù)，提出解決井壁不穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)對策如下。

1)適當?shù)你@井液密度

保持正壓差鉆井是防止井壁垮塌的先決條件，任何由于力學因素引起的井壁垮塌，只有通過力學支撐即選用合適的鉆井液密度才能解決。

2)鉆井液抑制性強

鉆井液抑制性是防塌、防縮、防造漿的關鍵。針對目標區(qū)塊地層水化、分散性能強的特點，要求鉆井液體系抑制性強，以降低泥頁巖及黏土礦物的水化程度，防止井壁失穩(wěn)。

3)鉆井液封堵性強

對于微裂隙發(fā)育的泥頁巖地層，鉆井液體系對于微裂縫能夠進行有效封堵，使得鉆井液向地層內(nèi)部的滲透率接近于零，可以控制和減少鉆井液濾液沿裂縫侵入地層，從而防止坍塌。

4)鉆井液流變性好

山前高陡構(gòu)造地層黏土礦物含量高，地層造漿性強，鉆探過程中黏土易侵入鉆井液體系中，造成鉆井液流變性差。如果流變性差，黏度、切力過高，在近井壁形成虛厚泥餅，必將導致扭矩增大，阻卡嚴重。因此必須保持鉆井液體系具有良好的流變性。

5)鉆井液具有較高的膜效率

山前高陡構(gòu)造地層破碎，裂縫發(fā)育，要求鉆井液能夠在井壁上形成一層封堵層，在井壁的外圍形成保護層，封堵地層孔隙、微細裂隙和地層破碎帶。

2.2 鉆井液體系配方

通過優(yōu)選降濾失劑和潤滑劑，引入具有復合作用的封堵成膜強抑制劑，形成了封堵成膜強抑制鉆井液室內(nèi)基本配方：水+膨潤土(2%～6%)+磺化酚醛樹脂(1%～3%)+復合抑制劑(2%～3%)+抗高溫抗鹽降濾失劑(1%～3%)+

PAM(0.5%～1%)+XCD(0.2%～0.5%)+油基潤滑劑(0.5%～2%)+井眼清潔劑(1%～2%)+加重劑。鉆井液體系的性能測試結(jié)果如表5所示。

表5 鉆井液體系性能測試結(jié)果

由表5可知，鉆井液體系流變性良好，濾失量很小，當密度提升到1.80 g/cm3時，體系各項性能良好。

2.3 鉆井液體系性能評價

2.3.1 體系抗溫性評價

將鉆井液體系置于不同溫度下分別老化16 h，測試其流變性及濾失量，結(jié)果如表6所示。

表6 鉆井液體系抗溫性評價

高溫老化后，鉆井液各種性能參數(shù)基本穩(wěn)定，無嚴重稀釋、顯著增稠、固相聚沉、高溫膠凝現(xiàn)象，表明體系具有優(yōu)良的抗溫能力。

2.3.2 體系抑制性評價

選取區(qū)塊泥巖巖屑，磨碎后加入到清水和所研發(fā)的鉆井液體系中，150 ℃下熱滾16 h，測量巖屑的回收率，結(jié)果見表7。

表7 體系的頁巖滾動分散性評價結(jié)果

由表7中看出，巖屑在清水中老化16 h后巖屑回收率為14.6%；封堵成膜強抑制鉆井液體系的巖屑回收率達到91.54%，高于聚磺體系和復合鹽體系，表明該鉆井液體系具有較強的抑制能力，能有效地抑制巖屑的高溫下分散。

將膨潤土在4.0 MPa下壓制成巖心，將各種鉆井液體系壓制出濾液，使用頁巖膨脹測試儀測試其線性膨脹量，結(jié)果如表8所示。

表8 體系的線性膨脹性評價結(jié)果

浸泡在封堵成膜強抑制鉆井液體系濾液中的巖心16 h后膨脹率遠小于蒸餾水中的巖心膨脹率，表明鉆井液體系具有較強的抑制泥頁巖水化膨脹的能力。

2.3.3 體系封堵性評價

對封堵成膜強抑制鉆井液體系進行高溫高壓砂床濾失實驗，測試結(jié)果見表9。

表9 體系高溫高壓砂床濾失實驗結(jié)果

由表9可知，封堵成膜強抑制鉆井液體系形成的泥餅薄而韌，滲透率低且承壓能力好，能有效降低鉆井液的濾失量，防止井壁巖石水化膨脹、剝落掉塊，具有較強的封堵能力。

2.3.4 體系潤滑性評價

為評價體系的潤滑性，對封堵成膜強抑制鉆井液進行極壓潤滑測試實驗，對體系形成的泥餅進行摩擦系數(shù)測試實驗，結(jié)果見表10。

表10 體系泥餅摩擦系數(shù)

體系的極壓潤滑系數(shù)和泥餅摩擦系數(shù)均較低，表明鉆井液和泥餅均具有良好的潤滑性能，有利于保持鉆頭潤滑、井眼清潔，防止泥包、阻卡、憋泵發(fā)生，避免形成小井眼，能有效減少井下復雜事故的發(fā)生。

2.3.5 保護油氣層性能評價

為評價體系的油層保護效果，對封堵成膜強抑制鉆井液體系和復合鹽水鉆井液體系進行巖心滲透率測試，結(jié)果見表11。

表11 體系的巖心滲透率恢復值

從評價結(jié)果可以看出，巖心的滲透率恢復率比復合鹽體系更高，表明鉆井液具有很好的保護油氣層作用。

3 封堵成膜強抑制鉆井液體系現(xiàn)場應用

3.1 勝利油田義古地區(qū)現(xiàn)場應用

義古地區(qū)二開上部井段鉆遇地層為館陶組、東營組、沙一、沙三段。上部地層成巖性差，泥巖性較軟且砂層發(fā)育，防坍塌卡鉆，鉆井液主要以抑制地層造漿、攜帶巖屑、防止泥巖縮徑、確保安全鉆進為目的。

封堵成膜強抑制鉆井液體系很好地解決了該地區(qū)造漿性強給鉆井液帶來的流變性調(diào)控難題，應用于義古72-斜8井，義古72-斜9井和義古72-斜10井，在該地區(qū)應用效果良好，井徑規(guī)則，井徑擴大率小，全井施工順利，起下鉆順暢。

將義古地區(qū)應用復合封堵成膜強抑制鉆井液的3口井與之前該區(qū)塊用常規(guī)體系施工的3口井進行比較，結(jié)果如表12所示。

表12 義古地區(qū)現(xiàn)場應用效果比較

應用該體系后井徑擴大率顯著降低，建井周期明顯縮短，處理劑種類及用量大幅減少，現(xiàn)場施工更為簡便，實現(xiàn)了施工過程提速提效。

3.2 西部地區(qū)阿1井現(xiàn)場應用

阿1井位于山前結(jié)構(gòu)，地層傾角大，應力集中，增加了井壁防塌的難度，砂泥巖互層井段，褐灰色泥巖易水化分散，不利于巖屑攜帶，造成起下阻卡，克拉瑪依、上倉房溝群、梧桐溝組不整合面地層破碎，易塌易漏。鄰井在鉆探過程中多次出現(xiàn)惡性事故，帶來重大經(jīng)濟損失。小3井因井壁失穩(wěn)發(fā)生卡鉆1次，鉆具斷裂1次；達1井因處理井下掉塊造成重大經(jīng)濟損失；米泉1井累計卡鉆4次，因井壁失穩(wěn)無法處理提前完鉆，未達到勘探目的。

阿1井鉆井過程中未發(fā)生坍塌掉塊、卡鉆憋泵、鉆頭泥包等復雜情況，井壁穩(wěn)定，起下鉆和下套管作業(yè)順暢，電測一次成功率100%，二開平均井徑擴大率3.8%，順利鉆完目的層。良好的流變性和潤滑性保證了體系的攜巖能力和清潔井眼能力，使得鉆井液保持清潔，井眼通暢，鉆進順利。阿1井鉆井液體系性能測試結(jié)果如表13所示。

表13 阿1井鉆井液體系現(xiàn)場性能測試結(jié)果

4 結(jié)論

1)三效合一強抑制劑可實現(xiàn)封堵、成膜、抑制功能的復合，通過封堵微裂縫，抑制黏土水化分散并在泥餅表面形成聚合物膜，防止地層水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定。

2)封堵成膜強抑制鉆井液體系配方簡單，性能易于調(diào)控，體系封堵、抑制性能突出，超過常規(guī)聚磺、復合鹽等體系，其良好的流變性、潤滑性有利于保持井眼清潔，同時具有較好的保護油氣層作用。

3)封堵成膜強抑制鉆井液體系在西部山前地區(qū)及勝利區(qū)塊進行了現(xiàn)場應用，未發(fā)生掉塊卡鉆等復雜情況，平均井徑擴大率均在10%以下，建井周期縮短，施工效率提高，實現(xiàn)了優(yōu)快鉆井。