毛偉漢

大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司

陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系研制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

毛偉漢

大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司

陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系的抑制、包被、絮凝效果顯蓍。對(duì)包被劑、抑制劑性能的評(píng)價(jià)有兩種方法：一是測(cè)定巖屑回收率，回收率越高，抑制分散效果越好；二是巖心膨脹量的測(cè)定，膨脹量越低，抑制性越好。確定鉆井液處理劑配方為：0.2%～0.3%HX—D+0.2%～0.3% NW—1+0～0.3%NPAN—2+0.2%～0.4%HPNH+0.2%～0.3%DJ—C（或0.2%FPS）。大、小陽(yáng)離子聚合物鉆井液是一種優(yōu)良的聚合物鉆井液體系，該體系對(duì)抑制大慶油田上部地層大段泥巖造漿和井壁泥巖水化膨脹效果顯著，可有效減少縮徑、井眼不暢、下鉆遇阻、鉆具泥包等井下復(fù)雜現(xiàn)象。該鉆井液體系性能穩(wěn)定，固相含量低，外排鉆井液量少。

大陽(yáng)離子；小陽(yáng)離子；聚合物鉆井液；黏度；實(shí)驗(yàn)

大慶油田油層以上為大段泥巖層，埋深最小達(dá)到800m，最大到1 000m。嫩江組從嫩4段到嫩1段長(zhǎng)600～800m，黏土礦物含量達(dá)到50%以上，其中以蒙脫石和伊利石為主。2000年以后，通過使用鉀銨聚合物鉆井液體系和乳液高分子聚合物鉆井液體系地層造漿得到有效控制，同時(shí)泥巖吸水膨脹導(dǎo)致的縮徑和井壁剝落坍塌現(xiàn)象大幅度減少。但是鉆井液穩(wěn)定性還不理想，鉆井液外派量大，還存在下鉆遇阻、泥包問題。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)聚合物鉆井液文獻(xiàn)的研究，陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系的抑制、包被、絮凝效果顯著。經(jīng)過對(duì)大陽(yáng)離子、小陽(yáng)離子性能以及與其他處理劑的配合性進(jìn)行研究，合成了一種適合強(qiáng)抑制鉆井液配方體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了顯著效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

抑制劑包括聚丙烯酸鉀K—PAM、乳液包被劑GJ—2、兩性離子聚合物FA368、大陽(yáng)離子聚合物包被絮凝劑XW—D、小陽(yáng)離子NW—1。防塌降濾失劑包括銨鹽NPAN、復(fù)合銨鹽NPAN—2、磺化瀝青FTD2、高溫高壓降濾失劑HPNH、褐煤樹脂SMLP。稀釋劑包括改性栲膠JN—A、兩性離子降黏劑XY27、低分子聚丙烯酸鈉DJ—C、復(fù)合甲基硅酸鈉。土粉為鈉膨潤(rùn)土，評(píng)價(jià)土為地層取芯泥巖。

使用的儀器有蘇氏漏斗黏度計(jì)、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、頁(yè)巖膨脹儀、標(biāo)準(zhǔn)篩、高速攪拌器、老化罐和滾子加熱爐。

1.1 處理劑抑制性能

對(duì)包被劑、抑制劑性能的評(píng)價(jià)有兩種方法：一是測(cè)定巖屑回收率，回收率越高，抑制分散效果越好；二是巖心膨脹量的測(cè)定，膨脹量越低，抑制性越好。

（1）巖屑回收率實(shí)驗(yàn)。用鈉膨潤(rùn)土和評(píng)價(jià)土制成人工巖屑，將待測(cè)抑制劑配成0.5%的水溶液，分別在120℃下做滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)。將地層泥巖井段的巖心制成過10目、余20目標(biāo)準(zhǔn)篩的巖屑，烘干，然后用0.5%抑制劑溶液在120℃下做滾動(dòng)16 h回收率實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，大陽(yáng)離子聚合物HX—D對(duì)巖屑的回收率最高，小陽(yáng)離子NW—1巖屑回收率達(dá)到65%，大陽(yáng)離子和小陽(yáng)離子配合巖屑回收率達(dá)到75%，且表觀黏度值最小，說明大陽(yáng)離子和小陽(yáng)離子有較好的配伍效果。

（2）巖心膨脹量實(shí)驗(yàn)。用地層泥巖粉制作巖心，分別做0.5%K—PAM、0.5%GJ—2、0.5% FA3—68、0.3%HX—D+0.2%NW—1溶液的膨脹量實(shí)驗(yàn)。所得結(jié)果數(shù)據(jù)表明，0.3%HX—D+0.2% NW—1溶液對(duì)泥巖的抑制性最好。因此，在下面的研究中選擇大、小陽(yáng)離子做聚合物鉆井液配伍性實(shí)驗(yàn)。

1.2 處理劑配伍性

（1）稀釋劑配伍性實(shí)驗(yàn)。取現(xiàn)場(chǎng)自然造漿鉆井液，加0.2%HX—D和0.2%NW—1后形成基漿，然后分別加0.4%JN—A、0.4%XY—27、0.4%DJ—C、0.4%FPS，對(duì)比稀釋效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與大、小陽(yáng)離子聚合物配合最好的是稀釋劑DJ—C和FPS；FPS在降切方面較好，動(dòng)塑比稍低，一定程度影響鉆井液的懸浮巖屑的能力。因此，在鉆井液體系中以DJ—C作為主稀釋劑，以FPS作為輔助稀釋劑，在懸浮性和電阻率條件允許情況下用FPS能更快地調(diào)整鉆井液性能。

（2）防塌降濾失劑配伍性實(shí)驗(yàn)。在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)5種防塌降濾失劑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各種防塌降濾失劑都能與大、小陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系配合使用，其中NPAN—2和SMLP降濾失效果顯著，但SMLP比HPNH增黏效果更好。因此選擇NPAN—2和HPNH作為體系的防塌降濾失劑。綜合以上實(shí)驗(yàn)，確定大、小陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系為：HX—D+NW—1+NPAN—2+ HPNH+DJ—C（或FPS）。

1.3 鉆井液配方性能

（1）聚合物加量實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，HX—D的加量以0.2%～0.3%為宜，超過0.4%的加量，黏度較大，不利于鉆井液后續(xù)調(diào)整。NW—1的加量以0.2%～0.3%為宜，蘇氏漏斗黏度計(jì)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)合適的鉆井液黏度一般在30～40 s，達(dá)到56 s的黏度已經(jīng)較高，這個(gè)黏度加稀釋劑容易調(diào)整。因此，確定聚合物抑制劑加量為：0.2%～0.3%HX—D+0.2%～0.3%NW—1。

（2）復(fù)合銨鹽加量實(shí)驗(yàn)。用加完0.3%NW—1的實(shí)驗(yàn)漿液作基漿，進(jìn)行復(fù)合銨鹽NPAN—2加量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，NPAN—2在開始時(shí)降低黏度；隨著NPAN—2加量增加，黏度又開始上升。從黏度和失水指標(biāo)看，NPAN—2的加量以0.2%～0.3%為宜。

（3）高溫高壓降濾失劑加量實(shí)驗(yàn)。在上述NPAN—2加量0.3%實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，做HPNH實(shí)驗(yàn)。由加量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，HPNH的加量為0.4%時(shí)可滿足需要。

（4）稀釋劑加量和加重實(shí)驗(yàn)。將上述0.4%加量的HPNH基漿用DJ—C調(diào)整后進(jìn)行加重實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)說明，鉆井液的流變性較好，塑性黏度和動(dòng)塑比都比較理想，經(jīng)過稀釋后鉆井液黏度、濾失量合理，加重鉆井液120℃熱滾老化后性能沒有顯著變化，證明各種處理劑的加量選擇比較合理。

（5）配方確定。綜上所述，最后確定鉆井液處理劑配方為：0.2%～0.3%HX—D+0.2%～0.3% NW—1+0～0.3%NPAN—2+0.2%～0.4%HPNH+ 0.2%～0.3%DJ—C（或0.2%FPS）。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鉆井液處理維護(hù)方法

（1）開鉆轉(zhuǎn)老泥漿10～15m3，加20～30m3水，HX—D加量0.15 t、NW—1加量0.2 t，地面經(jīng)鉆頭循環(huán)30min，充分水化后按要求加重到設(shè)計(jì)密度，然后加入銨鹽200 kg。

（2）鉆進(jìn)到350～400m時(shí)加入0.2 t的NPAN—2、0.2 t的HPNH。鉆進(jìn)過程用HX—D和NW—1水溶液維護(hù)，保持含量。黏度高時(shí)適當(dāng)用DJ—C處理。

（3）加重前用DJ—C調(diào)整好鉆井液黏度、切力，加入0.4 t的HPNH，加重后黏度升高可用FPS處理以穩(wěn)定性能。鉆進(jìn)時(shí)用DJ—C維護(hù)鉆井液性能，馬氏黏度控制在45～55 s之間。

（4）進(jìn)入P1組加入0.2 t HPNH，加入0.1～0.2 t NPAN—2，控制濾失量≤4mL，避免P1組高滲地層形成厚泥餅。

（5）完井前100 m，先用DJ—C將黏度處理到50～55 s；完鉆前50m盡量減少處理劑用量，電阻率保持在3.5～4.5Ω·m/18℃之間，大排量循環(huán)洗凈1.5 h以上；起鉆通井后電測(cè)。

（6）下套管用FPS處理鉆井液性能，達(dá)到要求再固井。

2.2 取得的效果

（1）鉆井液抑制效果顯著?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，鉆屑返出效果非常好，返出大量鉆屑，鉆屑經(jīng)過包被絮凝，成團(tuán)塊狀。

（2）由于鉆屑得到較好的絮凝清除，鉆井液含砂量低，固相含量低，性能穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，從而減少了廢鉆井液排放量，平均減少20%。

（3）鉆井施工順利?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)80口井，平均井徑擴(kuò)大率5.6%，沒出現(xiàn)井眼不暢、鉆具上頂、鉆具泥包等井下復(fù)雜現(xiàn)象，電測(cè)一次成功率98.2%。

3 結(jié)果與討論

3.1 陽(yáng)離子抑制劑作用機(jī)理

（1）大、小陽(yáng)離子在水中電離出有機(jī)陽(yáng)離子基團(tuán)，靠靜電與黏土表面負(fù)電吸附，這種吸附作用很強(qiáng)，因而比較牢固，不容易破壞。

（2）大陽(yáng)離子聚合物有較長(zhǎng)的分子鏈，依靠吸附基團(tuán)能進(jìn)行多點(diǎn)吸附，在黏土顆粒間進(jìn)行架橋；同時(shí)層間靜電吸附壓縮雙電層，因而可將黏土顆?；蜚@屑黏接在一起形成密實(shí)團(tuán)塊，這就是絮凝包被作用。

（3）小陽(yáng)離子聚合物是一種小分子化合物，由于分子量小，在水中的運(yùn)移比大陽(yáng)離子快，因而能夠優(yōu)先吸附在黏土表面進(jìn)入晶層間，阻止水分子進(jìn)入，從而抑制黏土進(jìn)一步水化分散，穩(wěn)定黏土顆粒。

（4）小陽(yáng)離子和大陽(yáng)離子相互配合，小陽(yáng)離子協(xié)同大陽(yáng)離子增強(qiáng)了抑制黏土水化分散的作用，在鉆屑團(tuán)塊表面形成的陽(yáng)離子溶劑層阻止了進(jìn)一步的水化分散，因此，鉆井液才具有了突出的包被絮凝作用。

3.2 其他處理劑的作用

在大、小陽(yáng)離子聚合鉆井液中，復(fù)合銨鹽NPAN—2是一種分子量在幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)的聚合物，帶有大量的羧基和氨基，增強(qiáng)了體系水化作用，所以具有一定的稀釋作用。復(fù)合銨鹽使鉆井液的濾液黏度增加；同時(shí)在濾餅表面形成聚合物膜，因而降低了鉆井液的濾失量。

在該體系中，降黏劑DJ—C是一種分子量為幾千的陰離子聚合物，依靠羧基較強(qiáng)的吸附和水化作用，顯示了較好的降黏作用；同時(shí)，低分子量聚合物和高分子聚合物有較好的配伍性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大、小陽(yáng)離子聚合物鉆井液體系有較好的抑制、包被、絮凝效果，是一種優(yōu)良的聚合物鉆井液體系。

（2）該體系對(duì)抑制大慶油田上部地層大段泥巖造漿和井壁泥巖水化膨脹效果顯著，可有效減少縮徑、井眼不暢、下鉆遇阻、鉆具泥包等井下復(fù)雜現(xiàn)象。

（3）該鉆井液體系性能穩(wěn)定，固相含量低，外排鉆井液量少。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.013