黃友亮，劉　興，薛　飛（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢40100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢40100；.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州400056）

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DN氣田水平井造斜段鉆井液體系優(yōu)化

黃友亮1，2，劉興1，2，薛飛3
（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北武漢430100；3.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州400056）

摘要：近些年，水平井開發(fā)技術應用得越來越廣泛。DN氣田開發(fā)區(qū)水平井造斜段位于目的層上部，其巖性主要為泥巖，極易水化膨脹，分散，造成地層掉塊、坍塌等井下復雜事故。本文主要在室內展開了不同濃度KCl，KPAM、CHM對鈉蒙脫石礦的膨脹率實驗，并將幾種優(yōu)選出來的抑制性進一步的就行了對比選出了8%KCl為最佳抑制劑。改進后的鉆井液體系在該區(qū)塊的應用情況表明，該鉆井液體系能很好的抑制泥頁巖的膨脹，值得進一步的推廣與應用。

關鍵詞：水平井；鉆井液；KCl；KPAM；CHM；泥巖

DN氣田開發(fā)區(qū)，面積3745.57km，該地區(qū)主要含氣目的層為上古生界和下古生界，儲層具有低壓、低孔、低滲、自產能力低等特點，因水平井具有生產條件優(yōu)越、效益產生顯著、油層較長、泄油面積較大等優(yōu)勢［1］，特別是對于低壓、低孔、低滲儲層，水平井在提高單井產量，延長開采時間，提高采收率等方面優(yōu)越性更為顯著。

該區(qū)塊水平井的造斜段主要在目的層上部，即石千峰組、石盒子組和山西組。石千峰組的棕褐、灰綠、棕紅色泥巖和石盒子組的棕褐色泥巖極易引起水化膨脹、分散，使地層易剝落、坍塌、掉塊。針對這一現狀，必須提高該區(qū)塊鉆井液體系對泥頁巖地層的抑制性。即提高鉆井液對泥頁巖地層的抑制性，防止地層坍塌是實現該區(qū)塊安全高效鉆井的前提。

1　室內鉆井液體系實驗

1.1實驗樣品選取

引起泥頁巖地層失穩(wěn)的粘土礦物主要是蒙脫石和伊利石［2］。選擇標準化實驗用新疆鈉蒙脫土進行線性膨脹率實驗，這是因為新疆實驗用鈉蒙脫土屬于鈉蒙脫石原生礦，是水化膨脹能力最強、也最具代表性的蒙脫石礦物［3］。

DN氣田造斜段的地層特征，決定著該地區(qū)鉆井施工的主要技術難點是泥巖地層的水化膨脹、分散。通過對該地區(qū)近年來所鉆井的調研發(fā)現，該區(qū)塊在造斜段采用的鉆井液體系主要為天然高分子聚合物鉆井液體系和鉀銨基聚合物鉆井液體系。前者配方為：4%鈉土+0.3%～0.5%IND30+0.5%～1% NAT20+0.5%～1%NFA25+1%～2%PGCS1）；后者配方6%～7%鈉土+0.3%～0.5%K-PAM+0.1%～0.3%NaOH +0.2%～0.3%K-PAN+0.5%～1%NH4-PAN+1.5%～2%防塌劑+1%～2%SMP+1%～2%SPNH+2%～3%超細碳酸鈣。

常用的頁巖抑制劑主要有聚合物類［4］、無機鹽類、瀝青類和腐植酸類［4］。但使用最多，與其它處理劑匹配較好的主要是K+。這是因為K+與蒙脫石間層的鑲嵌作用，對蒙脫石具有良好的抑制作用，其次這類處理劑如KCl，價格較便宜。含有K+的聚丙烯酸鉀，它既具有大分子的包被作用，又具有抑制作用，綜合效益好，在鉆井液處理劑中被廣泛使用。CHM陽離子聚丙烯酰胺鈉蒙脫石成分里陰離子的微粒發(fā)生中和作用，絮凝作用很好。筆者將對這些泥頁巖抑制劑進行室內實驗，首先進行不同濃度的抑制劑對樣品的膨脹率評價實驗，然后優(yōu)選出合適的濃度進行抑制劑的選擇，最終優(yōu)選出最適合該地層的泥頁巖抑制劑類型及添加濃度。

2　不同泥頁巖抑制劑抑制效果評價

2.1不同濃度KCl對標準實驗鈉基膨潤土的抑制效果實驗

KCl是使用最廣泛的泥頁巖抑制劑，在鉆遇泥頁巖地層，井下出現復雜時，KCl是最先想到的一種泥頁巖抑制劑。通過室內展開不同濃度KCl對鈉膨潤土的膨脹率評價實驗見圖1。

圖1　不同濃度KCl對樣品的膨脹率對比Fig.1 Comparison of the sample on different concentrations of KCl on the inflation rate

由圖1可知，KCl對標準實驗鈉土的抑制效果與其加量是成正相關的。當所加KCl為3%時，膨脹率隨著時間呈現出有一直上升的趨勢。當KCl加量為5%時，隨著浸泡時間的增加，膨脹率上升52.3%時，趨于穩(wěn)定，再隨著浸泡時間的增加，膨脹率也變化不大。當KCl加量達到8%時，當膨脹率達到10%以后膨脹率逐漸上升，達到12.5%后，隨著浸泡時間的增加，膨脹率上升極緩慢，逐步趨于平衡。實驗結果表明：KCl對鈉基膨潤土具有良好的抑制作用，這是由于K+與蒙脫土的層間距吻合，恰好起到良好的鑲嵌作用。

2.2不同濃度KPAM（聚丙烯酸鉀）對鈉膨潤土的線性膨脹率實驗

KPAM（聚丙烯酸鉀）對于鉀銨基鉆井液體系以及鉀銨基聚磺鉆井液體系是必不可少的處理劑，它具有增粘、包被、抑制作用，通過該處理劑單劑在不同濃度下對鈉基膨潤土的膨脹率評價實驗，有助于提高抑制性配方中對該劑加量的確定。

圖2　不同濃度KPAM對樣品的膨脹率對比Fig.2 Comparison of the sample on different concentrations of KPAM on the inflation rate

由圖2可知，隨著KPAM含量的增加，對鈉膨潤土的線性膨脹率呈現出上升的趨勢，說明其量越大，抑制性越差。這是由于KPAM（聚丙烯酸鉀）是高分子聚合物，濃度越高時，粘度越大，更多高分子鏈吸附在粘土表面，使K+不易進入到粘土間層的內部而起鑲嵌作用，抑制水化膨脹。因而對高分子聚合物的加量應適當，在現場使用過程中要根據實際情況提高加量。

2.3不同濃度CHM對鈉基蒙脫土的線性膨脹率實驗

由于DN氣田所用鉆井液體系中的天然高分子聚合物鉆井液與非離子型鉆井液體系具有相似的特性，筆者通過展開對CHM（陽離子聚丙烯酰胺）對那蒙脫石礦的線性膨脹率實驗的評價，為提高天然高分子聚合物的抑制性打下良好的基礎。通過室內展開不同濃度CHM對鈉蒙脫石的膨脹率實驗繪制出圖3。

圖3　不同濃度CHM對樣品的膨脹率對比Fig.3 Comparison of the sample on different concentrations of KCl on the inflation rate

由圖3可知，CHM（陽離子聚丙烯酰胺）對鈉蒙脫石礦的膨脹率與濃度的關系不是線性的。當CHM的濃度為0.3%時對鈉蒙脫石礦的抑制效果最佳。這是由于CHM（陽離子聚丙烯酰胺）是高分子聚合物，與鈉蒙脫石成分里陰離子的微粒發(fā)生中和作用才會發(fā)揮絮凝作用，當濃度超過一定值時，過大的陽離子濃度反而會抑制絮凝作用的進行，從而不能抑制鈉蒙脫石礦的膨脹。

3　泥頁巖抑制劑優(yōu)選

通過室內實驗對每種抑制劑濃度優(yōu)選后，筆者分別用以上幾種泥頁巖抑制劑作為添加劑進行不同泥頁巖抑制劑對鈉蒙脫石礦線性膨脹率的對比實驗，實驗結果見圖4。

圖4　不同泥頁巖抑制劑對樣品的膨脹率對比Fig.4 Comparison of the expansion rate of the samples with different shale inhibitor

從圖4可以看出，就從對蒙脫石的線性膨脹率方面來看，4種抑制劑對其抑制效果排序為8% KCl＞0.2%KPAM＞1%KPAN＞0.3%CHM，說明8% KCl對蒙脫石的晶層間具有良好的鑲嵌效果最佳。將8%KCl加入之前的鉀銨基鉆井液與天然高分子鉆井液中得到改進后的鉆井液，進行鉆井液基本性能測試后，將改進前后的鉆井液體系對實驗樣品進行滾動回收率的對比如圖，從圖中可以看出改進后的鉆井液體系滾動回收率有大幅度的增加，說明改進后的鉆井液體系對DN氣田泥頁巖的抑制性很好，值得進一步的推廣與應用。

圖5　鉆井液體系滾動回收率對比Fig.5 Comparison of the rolling recovery rate of drilling fluid system

4　應用情況

DN區(qū)塊石千峰組的棕褐、灰綠、棕紅色泥巖和石盒子組的棕褐色泥巖極易引起水化膨脹、分散，使地層易剝落、坍塌、掉塊。通過室內研究優(yōu)選出來的鉆井液體系如下：天然高分子聚合物鉆井液體系4%鈉土+0.3%～0.5%IND30+0.5%～1%NAT20+0.5% ～1%NFA25+1～2%PGCS1+8%KCl；鉀銨基聚合物鉆井液配方6%～7%鈉土+8%KCl+0.1%～0.3% NaOH+0.2%～0.3%K-PAN+0.5%～1%NH4-PAN+ 1.5%～2%防塌劑+1%～2%SMP+1%～2%SPNH +2%～3%超細CaCO3。使用改進后的鉆井液體系各項性能指標見表1,其粘度、泥餅質量、失水量等指標都控制得很好，井徑擴大率得到了很好的改善，說明改進后的鉆井液體系能很好的抑制該區(qū)塊水平段泥頁巖的膨脹。

表1　鉆井液體系性能指標對比Tab.1 Comparison of performance indexes of drilling fluid system

5　結論與建議

筆者通過大量的室內研究以及現在實際應用情況得到了以下結論：

（1）KCl對鈉基膨潤土具有良好的抑制作用，且隨濃度的增加其抑制作用更好。本次不同濃度KCl對標準實驗鈉基膨潤土的抑制效果評價實驗表明，8%KCl對樣品的抑制性最佳。

（2）隨著KPAM（聚丙烯酸鉀）加量的增加，對鈉基膨潤土的膨脹率上升，即抑制性下降。在現場選擇時候應該根據地層選擇合適的濃度。

（3）CHM（陽離子聚丙烯酰胺）對鈉蒙脫石礦的膨脹率與濃度的關系不是線性的。當濃度超過一定值時，過大的陽離子濃度反而會抑制絮凝作用的進行。

（4）通過室內對優(yōu)選出來的合適濃度的幾種抑制劑對蒙脫石的抑制效果表明8%KCl對蒙脫石的晶層間具有良好的鑲嵌效果最佳。

（5）本實驗只是針對某一種抑制性的效果進行評價，建議下一步開展幾種抑制劑共同作用的研究，這有利于我們優(yōu)選出更好的泥頁巖抑制劑。

參考文獻

［1］梁桂煌，王真毅，馮毓品.水平井鉆井技術及其在石油開發(fā)中的應用［J］.技術研究，2015，（3）.

［2］謝水祥，等.破解塔里木盆地群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)難題的鉆井液技術［J］.天然氣工業(yè)，2011,31（10）：68-72.

［3］孫紅娟，等.新疆某地鈉蒙脫石的季銨鹽處理與插層復合物制備［J］.非金屬礦，2002,25（3）:10-13.

［4］史俊，等.硅化腐植酸鈉GFN-1的研制［J］.鉆井液與完井液,2007，24（4）: 12-14；92.

導師簡介：樓一珊（1965-），博士生導師，教授，從事巖石力學相關研究。

Horizontal well drilling fluid system optimization of DN field deflecting section

HUANG You-liang1,2，LIU Xing1,2，XUE Fei3
（1. College of Petroleum Engineering in Yangtze University, Wuhan 430100，China；2.The Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Engineering in Hubei Province,Wuhan 430100，China；3.Sinopec, the West Branch of North China Petroleum Engineering Co., Zhengzhou 400056，China）

Abstract：In recent years, horizontal well development techniques has been widely used. DN gas field development zone deflecting section of horizontal well is located in the upper layer, Its lithology is mainly mudstone, which is hydration expansion, easily dispersed, formation impellers and collapse caused underground complicated accidents.In this paper, different concentration of KCl, KPAM, CHM to sodium montmorillonite quarry were studid the expansion rate experiment. Several optimization of inhibitory further line compared to select 8%KCl as the best inhibitor.The improved drilling fluid in the on-site application show that the drilling fluid system can restrain the expansion of the mud shale well, worthy of further popularization and application.

Key words：horizontal well；drilling fluid；KCl；KPAM；CHM；mudstone

中圖分類號：TE254

文獻標識碼：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160416

收稿日期：2015-12-30

作者簡介：黃友亮（1991-），男，在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學。