徐生江，戎克生，李建國(guó)，范 勁，肖京男，鄢捷年

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；3.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

準(zhǔn)噶爾盆地阜東斜坡區(qū)是新疆油田的主要探區(qū)之一，由于其侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層具有極強(qiáng)的水敏性，致使鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)問(wèn)題突出，并且實(shí)施儲(chǔ)層保護(hù)的難度很大。目前，國(guó)內(nèi)外在鉆進(jìn)強(qiáng)水敏性地層時(shí)普遍采用抑制性較強(qiáng)的超低滲透鉆井液、鉀基聚合物鉆井液、甲基葡萄糖甙鉆井液和有機(jī)鹽鉆井液等。為了有效保護(hù)水敏性儲(chǔ)層，筆者等人曾經(jīng)研發(fā)出以直鏈高分子有機(jī)鹽JN－2為核心處理劑的強(qiáng)抑制性有機(jī)鹽鉆井液，以替代常用的鉀鈣基聚磺鉆井液，但該鉆井液在阜東頭屯河組儲(chǔ)層應(yīng)用后，儲(chǔ)層保護(hù)效果并不理想，單井產(chǎn)量難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為此，筆者通過(guò)大量試驗(yàn)，在有機(jī)鹽鉆井液中添加胺基抑制劑，根據(jù)“理想充填理論”選擇暫堵劑，利用胺基抑制劑與“理想充填”暫堵劑的協(xié)同增效作用提高有機(jī)鹽鉆井液的抑制性和封堵性，實(shí)現(xiàn)保護(hù)極強(qiáng)水敏性儲(chǔ)層的目的。

1 儲(chǔ)層基本特征及保護(hù)技術(shù)思路

阜東斜坡區(qū)侏羅系頭屯河組（J2t）儲(chǔ)層自下而上可分為J2t1、J2t2和J2t3等3段，主力層為頭屯河組2段（J2t2）。頭屯河組2段地層巖性以細(xì)－中粒巖屑砂巖和泥質(zhì)砂巖為主，地層孔隙度7.4%～25.6%，平均為16.1%，滲透率0.02～433mD，平均為33.5mD，屬于中－低孔、中－低滲儲(chǔ)層。該油藏的實(shí)測(cè)靜壓為40.29MPa，地層壓力系數(shù)為1.36～1.57，儲(chǔ)層溫度約為85℃。

分別選取F05井和F052井具有代表性的儲(chǔ)層巖心，進(jìn)行了X射線衍射分析、全巖礦物和黏土礦物組分分析，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

由表1可以看出，這2口井儲(chǔ)層巖石中的石英和斜長(zhǎng)石的含量均較高，其次為鉀長(zhǎng)石，而黏土礦物含量分別高達(dá)26.8%和30.5%。從表2可見(jiàn)，在黏土礦物中，蒙脫石含量相當(dāng)高，特別是F052井儲(chǔ)層巖心的蒙脫石含量高達(dá)82%，表明頭屯河組儲(chǔ)層的水敏性極強(qiáng)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，頭屯河組儲(chǔ)層使用常規(guī)的聚磺鉆井液和有機(jī)鹽鉆井液無(wú)法取得預(yù)期的保護(hù)效果。因此，筆者根據(jù)頭屯河組儲(chǔ)層的特征，提出了鉆井過(guò)程中保護(hù)儲(chǔ)層的技術(shù)思路：

表1 F05井和F052井儲(chǔ)層巖心全巖礦物分析結(jié)果Table 1 The total rock mineral analysis of Well F05and Well F052

表2 F05井和F052井儲(chǔ)層巖心黏土礦物分析結(jié)果Table 2 The clay mineral analysis of cores of Well F05and Well F052

1）在現(xiàn)用以直鏈高分子有機(jī)鹽JN－2為核心處理劑的有機(jī)鹽鉆井液配方基礎(chǔ)上，引入國(guó)內(nèi)近期研發(fā)的新型胺基抑制劑，對(duì)原有配方進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以進(jìn)一步強(qiáng)化鉆井液的抑制性，提高井壁穩(wěn)定性［1］。

2）利用“理想充填”暫堵技術(shù)，使用不同粒徑CaCO3復(fù)配成酸溶性暫堵劑，對(duì)儲(chǔ)層中不同尺寸的孔喉進(jìn)行有效封堵，以盡可能降低鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的侵入深度［2－4］。

3）選擇合理的鉆井液流變參數(shù)，優(yōu)化鉆井水力參數(shù)，避免由于鉆井液對(duì)井壁的沖蝕導(dǎo)致濾失量增大。

2 “理想充填”暫堵方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)前期研究結(jié)果，對(duì)于中－低孔、中－低滲的阜東地區(qū)侏羅系頭屯河組儲(chǔ)層，“理想充填”暫堵劑的適宜加量約為3%［5］。根據(jù)阜東地區(qū)J2t2段地層取心井段儲(chǔ)層物性資料，該主力儲(chǔ)層最大孔喉直徑為42.58μm，利用軟件繪制出代表儲(chǔ)層孔喉分布的儲(chǔ)層保護(hù)基線［2－3］。

按照“理想充填”暫堵原理及D90暫堵規(guī)則，在酸溶性暫堵劑CaCO3的粒度分布數(shù)據(jù)庫(kù)中選取3種不同規(guī)格的CaCO3，其中要確保不同規(guī)格的CaCO3粒度分布曲線在儲(chǔ)?；€的兩側(cè)［5］。為此選擇了100、500和800目3種規(guī)格的CaCO3進(jìn)行復(fù)配。利用自主研發(fā)的配套軟件，計(jì)算出這3種規(guī)格CaCO3復(fù)配質(zhì)量比為4∶73∶23，并繪制出了主力儲(chǔ)層的保護(hù)基線（紅色線）、3種規(guī)格CaCO3的粒度分布曲線（藍(lán)色線），以及針對(duì)主力儲(chǔ)層的復(fù)配CaCO3粒度分布曲線（黃色線），如圖1所示。

圖1 頭屯河組儲(chǔ)層的“理想充填”暫堵劑優(yōu)化曲線Fig.1 The optimization curve of“ideal packing”temporary blocking agent for the high production formation of Toutunhe reservoir

2.2 確定最佳暫堵方案

考慮鉆井過(guò)程中暫堵劑顆粒在環(huán)空內(nèi)的剪切磨損，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)調(diào)整不同規(guī)格CaCO3的比例，使復(fù)配后CaCO3的粒度分布曲線略微偏向儲(chǔ)保基線的右側(cè)［2，4］。經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后，3種規(guī)格 CaCO3的復(fù)配質(zhì)量比為10∶60∶30。按照“理想充填”理論，采用該暫堵方案即可達(dá)到“理想充填”的最佳暫堵效果，其對(duì)應(yīng)的復(fù)配暫堵劑優(yōu)化曲線為圖1中的淺藍(lán)色線。

3 胺基抑制劑及其性能評(píng)價(jià)

3.1 胺基抑制劑

胺基抑制劑是高性能水基鉆井液中使用的核心處理劑，筆者選用了一種通過(guò)催化胺化法合成的新型胺基抑制劑SIAT。

SIAT的抑制機(jī)理為：1）SIAT含有多個(gè)胺基，易被黏土優(yōu)先吸附，促使黏土晶層間脫水，降低水化膨脹壓力；2）通過(guò)在分子中引入醚鍵，可適當(dāng)增長(zhǎng)骨架碳鏈，使其嵌入黏土晶層，阻止水分子進(jìn)入；3）分子鏈上的多個(gè)胺基對(duì)黏土晶片起固定作用，阻止黏土礦物層間距增大，如圖2所示［1，6］。

圖2 胺基抑制劑對(duì)黏土晶片的固定作用示意Fig.2 The fixation of amine inhibitor on clay particles

3.2 胺基抑制劑對(duì)有機(jī)鹽鉆井液性能的影響評(píng)價(jià)

目前，阜東地區(qū)使用的有機(jī)鹽鉆井液配方為：4.0%膨潤(rùn)土＋0.2%KOH＋15.0%JN－2＋4.0%PHT＋1.5%LV－CMC＋3.0%RSTF＋7.0%KCl＋2.0%MFG。為了考察胺基抑制劑對(duì)有機(jī)鹽鉆井液的基本性能的影響，測(cè)試了有機(jī)鹽鉆井液添加1.5%SIAT前后的基本性能，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

由表3和表4可以看出，有機(jī)鹽鉆井液加入1.5%SIAT后流變性在合理范圍內(nèi)，但高溫高壓濾失量由12.6mL降至8.6mL。這表明，抑制劑SIAT不會(huì)對(duì)有機(jī)鹽鉆井液的基本性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了檢驗(yàn)加入1.5%胺基抑制劑對(duì)鉆井液抑制性的影響，進(jìn)行了120℃下滾動(dòng)16h的巖屑滾動(dòng)回收試驗(yàn)和膨脹試驗(yàn)。為進(jìn)行比較，使用該地區(qū)常用的鉀鈣基聚磺鉆井液及清水進(jìn)行了巖屑滾動(dòng)回收率對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)所用巖屑均取自F051井頭屯河組2段（J2t2）儲(chǔ)層。鉀鈣基聚磺鉆井液的配方為4.0%膨潤(rùn)土 ＋0.2%Na2CO3＋0.2%KOH＋0.8%SP－8＋6.0%KCl＋0.4%FA－367＋0.5%NPAN＋1.0%SPNH＋3.0%SMP＋2.0%陽(yáng)離子乳化瀝青＋0.3%CaO＋1.0%KTL＋3.0%QCX－1＋重晶石。試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5和圖3。

表3 現(xiàn)用有機(jī)鹽鉆井液的基本性能Table 3 Evaluation of the present organic salt drilling fluid

表4 加入胺抑制劑后有機(jī)鹽鉆井液的基本性能Table 4 Evaluation of the organic salt drilling fluid with amine inhibitor

表5 不同鉆井液的巖屑回收率Table 5 Cutting recovery of different drilling fluids systems

圖3 有機(jī)鹽鉆井液加入胺基抑制劑前后的巖屑膨脹率Fig.3 Shale swelling rates before and after amine inhibitors were added into organic salt drilling fluid

從表5可以看出，清水的巖屑回收率很低（18.67%），有機(jī)鹽鉆井液的巖屑滾動(dòng)回收率（90.14%）高于鉀鈣基聚磺鉆井液（85.93%），由于加入胺基抑制劑SIAT增強(qiáng)了有機(jī)鹽鉆井液抑制巖屑水化分散的性能，巖屑回收率提高至91.25%。

從圖3可以看出，巖屑在加有胺基抑制劑SIAT的有機(jī)鹽鉆井液中浸泡18h之后，膨脹率均比在有機(jī)鹽鉆井液中有所降低。這表明有機(jī)鹽鉆井液加入胺基抑制劑后，其抑制性能得到增強(qiáng)。

4 優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液的性能評(píng)價(jià)

現(xiàn)用有機(jī)鹽鉆井液加入胺基抑制劑后，進(jìn)一步增強(qiáng)了其抑制性，但對(duì)其封堵性不會(huì)產(chǎn)生影響。為了提高其封堵性，還應(yīng)加入根據(jù)“理想充填”理論優(yōu)化的暫堵劑，利用兩者的協(xié)同增效作用，將鉆井液的濾失量和侵入深度控制在盡可能低的范圍內(nèi)。通過(guò)大量試驗(yàn)，對(duì)有機(jī)鹽鉆井液的配方進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的配方為4.0%膨潤(rùn)土＋0.2%KOH＋15.0%JN－2＋4.0%PHT＋1.5%LVCMC＋3%RSTF＋7.0%KCl＋2.0%MFG＋1.5%SIAT＋3.0%理想充填暫堵劑（100目∶500目∶1 000目＝30∶60∶10）＋重晶石。

4.1 基本性能評(píng)價(jià)

優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液的基本性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。巖屑在優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液中的回收率為91.8%。測(cè)試了巖屑在有機(jī)鹽鉆井液、加入胺基抑制劑有機(jī)鹽鉆井液和優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液中的膨脹率，結(jié)果見(jiàn)圖4。

表6 優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液的基本性能Table 6 Evaluation of the optimized organic salt drilling fluid

由表6和圖4可以看出，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液的API濾失量和高溫高壓濾失量明顯降低，巖屑膨脹率明顯下降，而巖屑滾動(dòng)回收率有所提高。

4.2 儲(chǔ)層保護(hù)效果評(píng)價(jià)

為了考察優(yōu)化后有機(jī)鹽鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果，按照SY／T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》，利用JHCF－1型巖心動(dòng)態(tài)污染損害評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置，分別測(cè)定了巖心經(jīng)5種鉆井液污染后的滲透率恢復(fù)率，結(jié)果見(jiàn)表7。其中油基鉆井液為阜東地區(qū)F053井三開(kāi)使用的鉆井液，其配方為90∶10（體積比）白油與5%CaCl2＋2.5%主乳化劑＋2.0%輔乳化劑＋1.0%潤(rùn)濕劑＋2.5%膨潤(rùn)土＋2.5%降濾失劑＋1.5%CaO＋2.0%天然瀝青＋重晶石。所用巖樣均取自F051井頭屯河組2段（J2t2）儲(chǔ)層。

圖4 加入胺抑制劑、理想充填暫堵劑前后有機(jī)鹽鉆井液的巖屑膨脹率Fig.4 Comparison of shale swelling rate in organic salt drilling fluid and optimized organic salt drilling fluid before and after amine inhibitors were added

常用的強(qiáng)抑制性鉆井液巖心滲透率恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)鹽鉆井液優(yōu)化后，巖心滲透率恢復(fù)率從優(yōu)化前的73.14%提高至82.15%，在各種水基鉆井液中最高，但與油基鉆井液相比還有一定的差距。

以上研究表明，優(yōu)化后的有機(jī)鹽鉆井液適用于阜東地區(qū)頭屯河組儲(chǔ)層，目前已推薦在該地區(qū)評(píng)價(jià)井的三開(kāi)井段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

5 結(jié)論與建議

1）盡管以直鏈大分子有機(jī)鹽JN－2作為核心處理劑的有機(jī)鹽鉆井液具有很強(qiáng)的抑制性，但對(duì)于阜東地區(qū)極強(qiáng)水敏性的頭屯河組儲(chǔ)層保護(hù)效果仍不夠理想，必須使用特殊的方法和手段對(duì)其實(shí)施保護(hù)。

表7 不同鉆井液損害油層評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of formation damage evaluation of different drilling fluids

2）利用胺基抑制劑與“理想充填”暫堵劑的協(xié)同增效作用，可以進(jìn)一步增強(qiáng)常規(guī)有機(jī)鹽鉆井液的抑制性和封堵性，在鉆井過(guò)程中實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)水敏性儲(chǔ)層的有效保護(hù)。

3）優(yōu)化后的有機(jī)鹽鉆井液對(duì)極強(qiáng)水敏性儲(chǔ)層的保護(hù)效果明顯優(yōu)于目前使用的任何一種水基鉆井液，但與油基鉆井液相比仍有一定差距。建議進(jìn)一步研發(fā)可替代油基鉆井液的低傷害水基鉆井液。

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