KCl/NaCl/CPI復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液在南海大斜度井段中的應(yīng)用*

趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)，吳 宇，侯珊珊，由福昌

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，廣東深圳 518000；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

南海東部惠州25-8 油田開(kāi)發(fā)井上部地層大多以砂泥巖互層為主，其12-1/4"井段皆為大斜度井段，鉆穿大段泥巖后于儲(chǔ)層砂巖層水平著陸，平均井深4100 m，平均井底溫度130℃。該區(qū)塊大斜度井段存在大量的泥巖和砂泥巖互層，對(duì)鉆井液的抑制性及攜砂能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的PLUS（部分水解聚丙烯酰胺類聚合物）/KCl 體系已無(wú)法滿足安全高效鉆井要求，導(dǎo)致頻繁起下鉆阻卡、憋泵、憋扭矩等井下復(fù)雜情況，進(jìn)而影響整個(gè)氣田的開(kāi)發(fā)進(jìn)程和開(kāi)發(fā)效果［1—3］。

惠州25-8 油田前期鉆井12 口，其中定向井1口，水平井9口，水平領(lǐng)眼井2口，鉆井總進(jìn)尺45483 m，平均井深3558 m，最大井深4281 m，最大水平位移2258 m，最大位垂比為0.89。其中12-1/4"井段皆為大斜度井段，鉆穿新近系中新統(tǒng)粵海組、韓江組、珠江組，巖性主要為灰色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖。通過(guò)X射線衍射（XRD）分析巖樣中的黏土礦物組分，伊蒙混層含量最高，占40%～68%，混層中蒙脫石含量較高，高嶺石占10%～23%，伊利石占12%～24%，綠泥石占10%～14%。采用PLUS/KCl體系作業(yè)，在鉆進(jìn)過(guò)程中KCl含量最高達(dá)到15%，但漏斗黏度（FV）仍然從剛開(kāi)鉆的29 s 上漲至最高83 s，動(dòng)切力（YP）由剛開(kāi)鉆的8 Pa 上漲至最高26 Pa。KCl 加量足夠多也無(wú)法解決流變惡化的問(wèn)題［4—8］，繼而影響大斜度井段攜砂和造成井壁剝落掉塊，影響鉆井作業(yè)效率和危害井下安全。為此，開(kāi)展復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液研究，著重提高體系抑制性和改善流變性能，改善現(xiàn)場(chǎng)因泥巖水化造漿而引起的井壁失穩(wěn)和鉆井液增稠影響攜砂的問(wèn)題，對(duì)南海東部大斜度井作業(yè)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

鈉膨潤(rùn)土、燒堿、純堿、聚陰離子纖維素類降濾失劑PF-PAC-LV、改性陽(yáng)離子淀粉類降濾失劑PF-FLOCAT、聚丙烯酰胺類包被劑PF-PLUS、聚合物包被劑PF-VISPLUS-Y、黃原膠類增黏提切劑PF-XC、瓜爾膠PF-GUAR、磺化瀝青類封堵劑PF-FT-1、改性樹(shù)脂類封堵劑PF-LSF、大羥基成膜劑PF-LPF-H、多元共聚物類封堵劑PF-CMJ、無(wú)機(jī)鹽類抑制劑KCl 和NaCl、有機(jī)陽(yáng)離子聚合物抑制劑PF-CPI、納米聚醚類潤(rùn)滑劑PF-GREENLUBE、重晶石，中海油田服務(wù)股份有限公司；惠州25-8 油田現(xiàn)場(chǎng)海水，礦化度為33260 mg/L，水型為氯化鎂型。

GJS-B12K 型變頻高速攪拌器、ZNN-D6B 型電動(dòng)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、SD6B 型常溫中壓API 濾失儀、GGS42-A型高溫高壓濾失儀、DZKW-D-6型電熱恒溫水浴鍋、XYM-2型液體密度計(jì)、XGRL-4A型滾子加熱爐，青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司；EP-2 型極壓潤(rùn)滑儀、高溫高壓PPA 封堵裝置，F(xiàn)ann Instrument Company；FA 型無(wú)滲透鉆井液濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器廠；大斜度井可調(diào)可視化模擬攜砂裝置，中海油田服務(wù)股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)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）》測(cè)試鉆井液性能，評(píng)價(jià)鉆井液流變性、失水造壁性（中壓、高溫高壓）、抑制性、封堵性和潤(rùn)滑性，測(cè)試溫度為40℃。鉆井液老化條件為：130℃（地層溫度）熱滾16 h。鉆屑回收率實(shí)驗(yàn)選取惠州25-8 油田A1H井韓江組地層泥巖段（井深約2000 m）的巖屑，粉碎后過(guò)100 目（0.15 mm）篩。鉆井液封堵性測(cè)試采用高溫高壓PPA封堵裝置，制作具有目標(biāo)區(qū)塊地層特性（相同巖性、滲透率、孔隙度等）的沙盤（比濾紙更貼近真實(shí)）進(jìn)行鉆井液封堵性評(píng)價(jià)，根據(jù)濾失量大小表征封堵效果。

2 結(jié)果與討論

為解決上述技術(shù)難題，需要從鉆井液設(shè)計(jì)著手，其中兩點(diǎn)很關(guān)鍵：一是強(qiáng)化鉆井液的抑制性能，即抑制黏土水化膨脹和水化分散性能，以保護(hù)泥巖井壁穩(wěn)定；二是改善鉆井液流變性能，即控制合理的黏切，以提高鉆井液攜砂能力。同時(shí)也要兼顧良好的封堵降濾失和潤(rùn)滑減阻性能，最終可達(dá)到提高鉆井作業(yè)效率、保障井下安全的目的。鑒于此，在現(xiàn)有成熟PLUS/KCl 體系（配方：3%海水坂土漿+0.25%燒堿+0.25%純堿+0.3% PF-PAC-LV+1.5%PF-FLOCAT+0.5% PF-PLUS+0.15% PF-XC+2%PF-FT-1+3%PF-LPF-H+5%～10%KCl+重晶石）基礎(chǔ)上做出優(yōu)化改進(jìn)，一方面可以快速適應(yīng)目標(biāo)區(qū)塊地層環(huán)境，另一方面便于優(yōu)快施工，有利于推廣應(yīng)用。

2.1 鉆井液抑制性能優(yōu)化

前期12口井鉆進(jìn)過(guò)程中，主要通過(guò)增加體系中KCl 的含量來(lái)加強(qiáng)抑制，但是應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)并不能解決起下鉆阻卡等問(wèn)題。這是由于K+主要是通過(guò)其鑲嵌作用阻止水進(jìn)入黏土顆粒來(lái)抑制黏土水化膨脹，但過(guò)多的K+反而會(huì)導(dǎo)致井壁硬化而引起阻卡問(wèn)題［9］，同時(shí)K+抑制黏土水化分散的能力較弱，泥漿后期受到鉆屑侵污后增稠明顯，嚴(yán)重影響攜砂效果，也會(huì)造成阻卡問(wèn)題。因此，要解決起下鉆阻卡問(wèn)題，必須在控制K+含量的前提下強(qiáng)化鉆井液抑制黏土水化膨脹和水化分散的性能。

2.1.1 抑制黏土水化膨脹性能優(yōu)化

為避免過(guò)多K+造成井壁硬化，采用低濃度KCl與高濃度NaCl復(fù)配，并通過(guò)防造漿與防膨脹實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)其抑制黏土水化膨脹性能，結(jié)果見(jiàn)表1～表3。實(shí)驗(yàn)配方A：水+0.05%NaOH+樣品+15%鈉膨潤(rùn)土；實(shí)驗(yàn)配方B：海水+0.3% NaOH+2% PF-FLOCAT+0.5% PF-VISPLUS-Y+0.4% PF-XC+2% PF-FT-1+3% PF-LSF+2% PF-CMJ+2% PF-GREENLUBE+樣品+重晶石+15%鈉膨潤(rùn)土，密度為1.30 g/cm3。熱滾條件為130℃下熱滾16 h，在40℃下測(cè)試流變性能。由表1～表3 可見(jiàn)，3%KCl 在清水（自來(lái)水）中具有較好的抑制黏土造漿的性能，但其在鉆井液體系中的抑制效果仍有不足，15%鈉膨潤(rùn)土侵污后，體系YP高達(dá)19.5 Pa，Φ6高達(dá)17，泥漿仍然較為黏稠；另外，實(shí)驗(yàn)表明12%NaCl 與3%KCl 防造漿和防膨脹性能相近。由于NaCl 是通過(guò)壓縮擴(kuò)散雙電層和調(diào)節(jié)活度而起抑制作用，而KCl 則主要是通過(guò)離子交換和晶格固定而起到抑制作用［10］，兩者復(fù)配使用可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，起到相互協(xié)同增效作用，故控制KCl加量為3%來(lái)優(yōu)選合適的NaCl加量。結(jié)果表明，當(dāng)NaCl 加量為12%時(shí)，復(fù)配抑制效果有明顯提升。清水實(shí)驗(yàn)中，泥漿YP從2 Pa降至0 Pa，Φ6從2～3 降至0，濾液防膨率升高至93.91%；鉆井液體系實(shí)驗(yàn)中，泥漿YP從16～19.5 Pa 降至12 Pa，Φ6從13～17 降至9，濾液防膨率升高至90.85%（由于體系濾液透過(guò)濾餅時(shí)，有效抑制劑含量會(huì)有損失，故對(duì)比單劑清水濾液防膨率要略低一些）。繼續(xù)提高NaCl 加量，復(fù)配抑制效果提升有限。綜合考慮，優(yōu)選12%NaCl與3%KCl為最佳復(fù)配組合。

表1 KCl與NaCl在配方A中的防造漿性能（熱滾后）

表2 KCl與NaCl在配方B中的防造漿性能（熱滾后）

表3 KCl與NaCl在配方A和配方B中的防膨脹性能

2.1.2 抑制黏土水化分散性能優(yōu)化

PF-CPI是一種小分子量的有機(jī)陽(yáng)離子聚合物，其分子量比通常的有機(jī)陽(yáng)離子小的多。在鉆井液中可以通過(guò)靜電吸附于黏土顆粒的表面，并且通過(guò)與黏土表面電負(fù)性大的原子形成氫鍵加強(qiáng)相鄰黏土顆粒之間的相互作用力，起到防止黏土分散的作用。其抑制機(jī)理不同于K+，不具備K+的晶格固定作用，抑制黏土水化膨脹效果不及K+，但是具有比K+更好的抑制黏土水化分散的能力（見(jiàn)圖1），更易保持鉆屑的完整性，便于鉆屑的清除。由表4 可見(jiàn)，PF-CPI 加量在2.0%以下時(shí)，隨著加量增加，體系流變性及濾失量變化很小，且防膨率和鉆屑回收率明顯提高，體系抑制黏土水化分散性能得到加強(qiáng)。繼續(xù)增加PF-CPI 加量至3.0%時(shí)，體系黏切出現(xiàn)較大幅度下降，鉆屑回收率增幅較小（見(jiàn)圖1），因此，優(yōu)選PF-CPI的加量為2.0%。

已有研究表明，有機(jī)陽(yáng)離子聚合物與無(wú)機(jī)鹽復(fù)配使用可增加其在黏土顆粒上的吸附量，起到協(xié)同抑制效果［11］。由此，結(jié)合NaCl、KCl、PF-CPI 三者的抑制特性及相互協(xié)同效果，形成“多點(diǎn)平衡”控制合理的抑制性，不僅強(qiáng)化了體系抑制黏土水化膨脹和水化分散的性能，又控制了較低的K+含量，有利于穩(wěn)定井壁，避免了因井壁硬化而帶來(lái)的起下鉆阻卡問(wèn)題［12—13］。

圖1 KCl和PF-CPI抑制性能對(duì)比

表4 PF-CPI加量對(duì)體系流變性能及抑制性能的影響

2.2 鉆井液攜砂性能優(yōu)化

鉆井過(guò)程中影響攜砂的因素較多，其中黏度對(duì)攜砂的影響較大［14—15］。室內(nèi)利用可視化攜砂模擬裝置研究了流體黏度對(duì)攜砂效率的影響。實(shí)驗(yàn)用高黏高切（高動(dòng)切力）流體（清水+0.05% NaOH+0.7%PF-XC+0.5%PF-GUAR）與低黏高切流體（清水+0.05% NaOH+0.1% PF-PLUS+0.5% PF-XC）的流變性能見(jiàn)表5。對(duì)比高黏高切流體與低黏高切流體在60°（見(jiàn)圖2）、90°（見(jiàn)圖3）井斜角下的攜砂效率可見(jiàn)，對(duì)于大斜度及水平井鉆井，過(guò)高的黏切對(duì)攜砂不利，適當(dāng)降低流體黏度，控制合適切力，反而能提高攜砂效率。

表5 實(shí)驗(yàn)用高黏高切流體與低黏高切流體的流變性能

圖2 高黏高切流體與低黏高切流體在60度井斜角下的攜砂效率

圖3 高黏高切流體與低黏高切流體在90°井斜角下的攜砂效率

2.3 優(yōu)化后鉆井液性能評(píng)價(jià)

優(yōu)化后的鉆井液采用無(wú)黏土相，以KCl、NaCl和有機(jī)陽(yáng)離子聚合物PF-CPI 復(fù)配作為抑制劑，以PF-VISPLUS-Y 作為包被劑，以PF-FLOCAT、PF-FT-1、PF-LSF、PF-CMJ 復(fù)配作為封堵降濾失劑，以PF-XC 作為增黏劑，以PF-GREENLUB 作為潤(rùn)滑劑，配以重晶石加重形成KCl/NaCl/CPI復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系。其基本配方為：海水+0.3%NaOH +2% PF-FLOCAT+0.5% PF-VISPLUS-Y+0.4% PF-XC+2% PF-FT-1+3% PF-LSF+2%PF-CMJ+3% KCl+2% PF-CPI+12% NaCl+2%PF-GREENLUB+重晶石，密度為1.30 g/cm3。

2.3.1 基礎(chǔ)性能

由表6 可見(jiàn)，與PLUS/KCl 鉆井液相比，復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液具有較低的黏度和切力，滿足大斜度及水平井?dāng)y砂。另外，常溫中壓濾失量?jī)H2.0 mL，130℃下的高溫高壓濾失量?jī)H6.8 mL，有利于井壁穩(wěn)定。

表6 復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液與PLUS/KCl鉆井液基礎(chǔ)性能對(duì)比

2.3.2 抑制性能

由表7 可見(jiàn)，復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液的抗鉆屑污染能力好于PLUS/KCl鉆井液。在經(jīng)15%鉆屑侵污后，PLUS/KCl 鉆井液AV 上升率高達(dá)22.7%（（54-44）/44×100%），而復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液僅9.7%（（34-31）/31×100%）；且復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液鉆屑回收率更高，達(dá)到85%以上，濾液防膨率也達(dá)到了90%以上，說(shuō)明復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系具有更好的抑制泥巖水化分散和水化造漿的能力。

表7 復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液與PLUS/KCl鉆井液抑制性能對(duì)比

2.3.3 封堵性能

由表8 可見(jiàn)，復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液的封堵性能好于PLUS/KCl鉆井液。無(wú)滲透填砂實(shí)驗(yàn)侵入深度僅10 mm，高溫高壓PPA 封堵實(shí)驗(yàn)漏失量?jī)H8.0 mL，并且PPA 實(shí)驗(yàn)的泥餅厚度僅1.0 mm，更加薄而致密。

表8 復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液與PLUS/KCl鉆井液封堵性能對(duì)比

2.3.4 潤(rùn)滑性能

由表9 可見(jiàn)，復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液的潤(rùn)滑性能好于PLUS/KCl 鉆井液，極壓潤(rùn)滑系數(shù)僅0.09，滿足大斜度井段潤(rùn)滑減阻要求。

表9 復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液與PLUS/KCl鉆井液潤(rùn)滑性能對(duì)比

2.4 優(yōu)化后鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

KCl/NaCl/CPI 復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液在惠州油田A15H 井、A17H 進(jìn)行了應(yīng)用，設(shè)計(jì)井深分別為4100、4030 m，裸眼段長(zhǎng)分別為2340、2230 m，最大井斜分別為89.5°和88.7°，并與已鉆臨井A2H、A11H進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表10、表11。

表10 4口井鉆井液性能對(duì)比

2.4.1 鉆井液性能穩(wěn)定

由新鉆A15H 井、A17H 井的鉆井液性能（見(jiàn)表10）可見(jiàn)，與前期所鉆井相比，復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液中的Cl-濃度提高，K+濃度明顯降低，在鉆進(jìn)過(guò)程中FV 更低，YP 適中，流變隨井深變化平緩，說(shuō)明該體系性能更加穩(wěn)定。

2.4.2 起下鉆時(shí)效提高

新鉆A15H 井、A17H 井鉆井過(guò)程順利，無(wú)復(fù)雜情況發(fā)生，平均起下鉆速度明顯高于A2H 井和A11H井（見(jiàn)表11），并且A15H井、A17H井為直接起鉆，前期12 口井均無(wú)法直接起鉆，需要倒劃眼起鉆。這說(shuō)明復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液適應(yīng)該區(qū)塊地層特征，可改善該區(qū)塊的復(fù)雜問(wèn)題。

表11 4口井平均起下鉆速度（m/h）

3 結(jié)論

南海東部惠州油田12-1/4''井段泥巖含量高，易造漿，需要加強(qiáng)鉆井液抑制性和對(duì)鉆井液黏度的合理控制。傳統(tǒng)高濃度KCl的抑制特性不能滿足目標(biāo)區(qū)塊鉆井要求，通過(guò)引入小分子陽(yáng)離子抑制劑PF-CPI提高鉆井液抑制黏土水化分散的能力，同時(shí)采用低濃度KCl與高濃度NaCl復(fù)配，提高鉆井液抑制黏土水化膨脹的能力，合理控制K+濃度，在保證井壁穩(wěn)定的同時(shí)避免了因過(guò)多K+造成井壁硬化而引起下鉆阻卡的問(wèn)題。通過(guò)攜砂模擬裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了低黏高切流體的攜砂效率高于高黏高切流體，并引入NaCl 和PF-CPI，結(jié)合增黏提切劑PF-XC 可使鉆井液實(shí)現(xiàn)低黏高切流變特性，提高了鉆井液的攜砂效率，可以防止巖屑床的產(chǎn)生，達(dá)到井眼凈化的目的。同時(shí)調(diào)整封堵劑類型及配比，降低濾失量；并引入潤(rùn)滑劑PF-GREENLUBE，改善潤(rùn)滑性能?，F(xiàn)場(chǎng)使用復(fù)合鹽陽(yáng)離子聚合物鉆井液后，流變性得到了較好的控制，起下鉆順暢，無(wú)阻掛，提高了井壁穩(wěn)定和起下鉆速度。