臨興區(qū)塊新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

賈 佳，蔣官澄，馮 雷

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249

致密砂巖氣作為非常規(guī)天然氣的重要組成部分，在國(guó)家非常規(guī)氣能源結(jié)構(gòu)中的地位和作用日益突出［1］。臨興致密氣區(qū)塊逐步轉(zhuǎn)入“大開(kāi)發(fā)”階段，因?yàn)橹旅軞馀c常規(guī)天然氣之間存在差異，所以要求該區(qū)塊必須走低成本高效開(kāi)發(fā)之路。近年來(lái)，隨著臨興區(qū)塊的鉆井逐步增多，鉆井過(guò)程中的儲(chǔ)層傷害問(wèn)題較為突出，影響后期的壓裂改造效果。臨興區(qū)塊地層具有低孔、低滲、低溫、低壓及非均質(zhì)性強(qiáng)的敏感特征，給儲(chǔ)層保護(hù)造成了一定的困難，前期的鉆井液體系已經(jīng)無(wú)法滿足儲(chǔ)層保護(hù)的要求，因此有必要開(kāi)展新型儲(chǔ)層保護(hù)研究，以形成一套高效的新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系，實(shí)現(xiàn)致密氣的規(guī)?；_(kāi)發(fā)。20世紀(jì)70年代，針對(duì)聚合物鉆井液處理劑少的問(wèn)題，人們先后研制了丙烯酸鹽共聚物系列、聚陰離子纖維素系列、多功能聚合電解質(zhì)系列鉆井液處理劑［2-4］?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明，以這些處理劑為主導(dǎo)的鉆井液體系難以滿足安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的鉆井要求。因此，人們后續(xù)又研發(fā)了以陽(yáng)離子和兩性離子聚合物為主要添加劑的聚合物鉆井液，但是，隨著致密氣采收的迅速發(fā)展，這種鉆井液體系在使用過(guò)程中仍存在摩阻高、鉆速慢、成本高和儲(chǔ)層易污染的問(wèn)題［5-6］，制約了致密氣采收的發(fā)展進(jìn)程。為此，本研究研制剛性和柔性相結(jié)合的超雙疏劑以及以超雙疏劑為主要添加劑的新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以期為新鉆井液的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

納米SiO2、全氟辛基三已氧基硅烷、二甲基二烯丙烯氯化銨（DMDAAC）、液化聚合氯化鋁（ETPAC）、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、鈉膨潤(rùn)土、無(wú)水Na2CO3、NaOH、NaCl、KCl、聚合醇，均為市售分析純?cè)噭?/p>

ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、NZ-3A 型黏滯系數(shù)測(cè)定儀、變頻高速攪拌機(jī)、中壓濾失儀、XGRL-4 型高溫滾子加熱爐，青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器有限公司；Fann21200 型極壓潤(rùn)滑儀，美國(guó)Fann公司；KMY201-1A 型抗磨試驗(yàn)機(jī)，武漢神州機(jī)電有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在溫度為20～30 ℃時(shí)，將納米SiO2、全氟辛基三已氧基硅烷、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯反應(yīng)10～100 min，產(chǎn)生超雙疏劑，形成納米-微米多級(jí)粗糙物理結(jié)構(gòu)，經(jīng)全氟辛基三已氧基硅烷表面改性后，可降低超雙疏劑的表面自由能，同時(shí)，接觸角也會(huì)由20°以下增至150°以上，表面潤(rùn)濕性由親水親油向超雙疏性轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)超雙疏性能。

1.3 評(píng)價(jià)方法

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)中鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（第1 部分：水基鉆井液）》、GB/T 29170—2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液實(shí)驗(yàn)室測(cè)試》、SY/T 6335—1997《鉆井液用頁(yè)巖抑制劑評(píng)價(jià)方法》、SY/T 6094—1994《鉆井液用潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)程序》來(lái)測(cè)試鉆井液各項(xiàng)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 超雙疏劑結(jié)構(gòu)

臨興區(qū)塊儲(chǔ)層的孔喉尺寸小，存在大量的“毛細(xì)管”，容易因毛細(xì)管效應(yīng)造成水鎖傷害，所以，筆者從改變毛細(xì)管作用力的角度對(duì)鉆井液開(kāi)展研究。熱帶地區(qū)的豬籠草口緣區(qū)同時(shí)具有疏油疏水的功能［7-10］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可知：豬籠草口緣區(qū)表面呈大量的乳突形狀，這是能夠?qū)崿F(xiàn)疏油疏水的關(guān)鍵。根據(jù)這個(gè)原理，筆者研制了超雙疏劑，它可以使油/水接觸角由小于90°反轉(zhuǎn)為大于90°，使儲(chǔ)層毛細(xì)管吸力反轉(zhuǎn)為毛細(xì)管阻力，從而解決低滲儲(chǔ)層的損害難題。

圖1 豬籠草口緣區(qū)微凸結(jié)構(gòu)

2.2 超雙疏劑微觀形態(tài)及特征分析

對(duì)超雙疏劑進(jìn)行透射電鏡掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知：超雙疏劑尺寸均介于50～100 nm，處理劑表面有許多凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，同時(shí)產(chǎn)物之間存在著互相連接的枝杈。

圖2 超雙疏劑透射電鏡圖

考察超雙疏劑處理前后的巖心表面，并以掃描電鏡分析，結(jié)果見(jiàn)圖3 和圖4。由圖3～4 可知：未處理過(guò)的巖心表面在納米-微米尺度是非常光滑的，僅存在少量的層狀結(jié)構(gòu)，所以最初的巖心表面表現(xiàn)出親水親油的雙親特性。當(dāng)使用超雙疏劑對(duì)巖心進(jìn)行處理后，整體體現(xiàn)出一種微米尺度的物理結(jié)構(gòu)，再加上其本身的納米結(jié)構(gòu)，形成了納米-微米結(jié)構(gòu)，從而使表面具有了一定的疏油疏水性質(zhì)。

圖3 超雙疏劑處理前的巖心表面

圖4 超雙疏劑處理后的巖心表面

2.3 超雙疏劑對(duì)表面接觸角的影響

研究不同濃度超雙疏劑處理后的巖心表面接觸角變化規(guī)律，結(jié)果如圖5 所示。選擇的水相測(cè)試液為去離子水，油相測(cè)試液為正十六烷。由圖5 可知：巖心表面未經(jīng)處理時(shí)，水相接觸角為34°，油相正十六烷接觸角為0°；當(dāng)巖心被超雙疏劑處理后，表面接觸角隨著超雙疏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷增大，最后保持恒定，水相接觸角維持在150°不變，油相接觸角大于90°。由此可知，超雙疏劑能夠改變表面潤(rùn)濕性，使其表面由親液向疏液轉(zhuǎn)變［11-12］。

圖5 超雙疏劑處理濃度對(duì)巖心表面接觸角的影響

2.4 超雙疏劑對(duì)巖心自然滲吸的影響

測(cè)定超雙疏劑處理前后巖心對(duì)水、油兩相的滲吸量，其中水相測(cè)試液為去離子水，油相測(cè)試液為正十六烷，結(jié)果見(jiàn)圖6～7。

圖6 巖心自然滲吸去離子水的量

圖7 巖心自然滲吸正十六烷的量

由圖6～7可知：超雙疏劑處理前，巖心對(duì)去離子水以及正十六烷的自然滲吸量分別達(dá)到8.38和4.9 mL；超雙疏劑處理后，自然滲吸量分別只有0.025 和0.002 mL，證明巖心內(nèi)部孔喉表面潤(rùn)濕性由親水親油向疏水疏油轉(zhuǎn)變，有效降低了低滲儲(chǔ)層發(fā)生自吸水鎖效應(yīng)等儲(chǔ)層損害的概率。

2.5 超雙疏劑對(duì)毛細(xì)管作用力的影響

由于低滲儲(chǔ)層中存在許多微毛細(xì)管，易發(fā)生水鎖效應(yīng)，從而對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重傷害［13］，因此考察超雙疏劑對(duì)毛細(xì)管液面高度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 超雙疏劑對(duì)毛細(xì)管液面高度的影響

由圖8 可知：當(dāng)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的超雙疏劑對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行處理后，毛細(xì)管作用力已經(jīng)明顯減小且方向發(fā)生改變，與儲(chǔ)層中毛細(xì)管作用力方向相比，力的方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)，使原本堵塞微毛細(xì)管孔喉的力轉(zhuǎn)變成促進(jìn)微毛細(xì)管中液相流出的推力。由此證明，超雙疏劑可通過(guò)改善微毛細(xì)管表面的潤(rùn)濕性能，解決儲(chǔ)層微毛細(xì)管中存在的水堵效應(yīng)，從而達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層的目的。

2.6 超雙疏劑對(duì)抑制性的影響

將合成的超雙疏劑進(jìn)行抑制性能評(píng)價(jià)，線性膨脹結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9 可知：不同濃度的超雙疏劑都能夠有效抑制膨潤(rùn)土線性膨脹，同時(shí)3%超雙疏劑比傳統(tǒng)使用的抑制劑KCl、聚醚胺等具有更好的抑制性能。

圖9 超雙疏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同種類(lèi)抑制劑對(duì)膨潤(rùn)土線性膨脹高度的影響

將合成的超雙疏劑進(jìn)行抑制性能評(píng)價(jià)，滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。

由圖10 可知：不同濃度的超雙疏劑都能夠有效提高頁(yè)巖滾動(dòng)回收率，同時(shí)3%超雙疏劑比傳統(tǒng)使用的抑制劑KCl、聚醚胺等具有更高的滾動(dòng)回收率。

圖10 超雙疏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同抑制劑對(duì)滾動(dòng)回收率的影響

2.7 鉆井液配方

基于以上研究建立了臨興區(qū)塊新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系基本配方：1%膨潤(rùn)土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+1.5%超雙疏劑+0.3%弱凝膠+8%KCl，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液老化前后性能試驗(yàn)

由表1 可知：鉆井液黏度低，切力高，老化前后性能幾乎沒(méi)有變化，性能穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

超雙疏劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果見(jiàn)圖11～12。由圖11～12 可知：添加超雙疏劑后的鉆井液具有極強(qiáng)的抑制性，能夠控制泥巖水化膨脹分散，抑制性達(dá)到高效能鉆井液水平；在鉆進(jìn)過(guò)程中，能夠有效控制進(jìn)入鉆井液中的細(xì)小顆粒，使其表面疏水疏油，從而使細(xì)小顆粒可以被離心機(jī)等下一級(jí)固控設(shè)備清除。

圖11 平均機(jī)械鉆速對(duì)比

圖12 平均井徑擴(kuò)大率對(duì)比

此外，在解決井壁失穩(wěn)的同時(shí)通過(guò)表面雙疏改性，提高了鉆井液的潤(rùn)滑性能，有效地降低了井眼擴(kuò)大率，提升機(jī)械鉆速?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明，相對(duì)于普通鉆井液體系，機(jī)械鉆速提高32.33%，井徑擴(kuò)大率降低33.89%。

日產(chǎn)量即為某一油田或氣田單日內(nèi)所開(kāi)采出的石油或天然氣總量，其可以有效驗(yàn)證儲(chǔ)層保護(hù)效果。圖13 為應(yīng)用新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系后井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況。由圖13 可知：應(yīng)用新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系，施工井的產(chǎn)量最高可達(dá)74 593 m3/d，平均日產(chǎn)氣量35 973.5 m3/d，表明儲(chǔ)層保護(hù)效果良好。

圖13 應(yīng)用新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系后各井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1）超雙疏劑尺寸為50～100 nm，表面存在凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，使油/水接觸角由小于90°反轉(zhuǎn)為大于90°，可以達(dá)到疏水疏油的效果。

2）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的超雙疏劑比傳統(tǒng)使用的抑制劑KCl、聚醚胺等具有更好的抑制性能。

3）形成了適合臨興區(qū)塊的新型儲(chǔ)層保護(hù)配方：1%膨潤(rùn)土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+1.5%超雙疏劑+0.3%弱凝膠+8%KCl。

4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，新型儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液具有極強(qiáng)的抑制性，能夠控制泥巖水化膨脹分散，可以提速32.33%，降低井眼擴(kuò)大率33.89%，作業(yè)井日產(chǎn)量平均在35 973.5 m3/d，表明儲(chǔ)層保護(hù)效果良好。