王 均，陶 操

（1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.長慶油田分公司 采油三廠，陜西 西安710000）

油田化學(xué)

新型抑制性水基鉆井液技術(shù)及性能評價*

王 均1，陶 操2

（1.重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶401331；2.長慶油田分公司 采油三廠，陜西 西安710000）

針對該地區(qū)頁巖地層水平井段容易產(chǎn)生水化膨脹縮徑和造漿能力強(qiáng)的技術(shù)難題，利用新型無機(jī)鹽和聚合醇等處理劑，開發(fā)一種新型水基鉆井液，并模擬焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組地層溫度（約80℃），開展老化實(shí)驗(yàn)評價；實(shí)驗(yàn)表明：該鉆井液體系具有抑制性強(qiáng)，濾失量小的特點(diǎn)。此外，利用聚磺鉆井液濾液、聚合鉆井液濾液、清水和所研制的水基鉆井液的濾液浸泡頁巖巖心，評價常溫常壓膨脹量。由于聚合醇膠體填充頁巖的細(xì)小孔隙或微裂縫，阻擋濾液進(jìn)入泥頁巖地層；另一方面，無機(jī)鹽中水化能力弱的K+將晶層間隙中水化半徑較大和水化能力強(qiáng)的Ca+、Na+等離子交換出來，并與頁巖晶層牢固結(jié)合，阻止晶層間距增大，抑制頁巖水化膨脹；對頁巖開展?jié)L動回收率實(shí)驗(yàn)測試，頁巖在所研制的水基鉆井液中的回收率達(dá)到99.7%，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性能。

鉆井液；聚合醇；抑制性；失水量

隨著對頁巖氣資源的開發(fā)，對頁巖層段井壁穩(wěn)定的要求越來越高；國外利用水基體系鉆進(jìn)的技術(shù)日趨成熟，國內(nèi)在該領(lǐng)域還處于基礎(chǔ)研究階段，主要應(yīng)用油基鉆井液體系[1,2,3-5]；但隨著石油工業(yè)的發(fā)展，鉆井成本的控制和環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，油基鉆井液的使用受到一定的限制；為了解決頁巖井段的井壁穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)等問題，本文研究了一種新型水基鉆井液技術(shù)，并與焦石壩頁巖巖心結(jié)合，開展實(shí)驗(yàn)效果評價和機(jī)理分析。實(shí)驗(yàn)表明:該鉆井液體系抑制能力強(qiáng)，環(huán)保效果好，對本地區(qū)頁巖氣井的鉆進(jìn)具有一定的借鑒意義。

1 焦石壩頁巖層段鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀

焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)含氣泥頁巖，集中分布在五峰組-龍馬溪組底部，底板為上奧陶統(tǒng)澗草溝組淺灰色瘤狀灰?guī)r，鉆井過程中，需要鉆井液保持低失水、優(yōu)良的造壁性和潤滑性，以及良好流變性，保證安全快速鉆進(jìn)。目前，在焦石壩頁巖地層的鉆進(jìn)中，為了維持井壁穩(wěn)定、保證良好的潤滑性，提速鉆進(jìn)，最大限度地保護(hù)油氣層，預(yù)防壓差卡鉆，采用強(qiáng)抑制性油基鉆井液技術(shù)。但是，我國配套的油基鉆井液技術(shù)尚不成熟，油基鉆井液沒有系列配套的處理劑、安全、環(huán)保技術(shù)，尚沒有鉆井液回收處理及循環(huán)使用技術(shù)和含油鉆屑的處理技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)低成本，環(huán)保問題壓力大。

2 水基鉆井液的基本性能

2.1 水基鉆井液的配方

該鉆井液體系采用無機(jī)鹽（磷酸二氫鉀和磷酸氫二鉀）作為降濾失劑和頁巖封堵材料，酚醛樹脂作為抗高溫處理劑，聚合醇作為抑制劑，陽離子乳化瀝青作為防塌和降濾失材料，KPAM作為頁巖抑制劑和包被劑以及水基潤滑劑FK-10。經(jīng)過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出水基鉆井液體系的配方如下。

2.2 水基鉆井液體系的性能參數(shù)

為了模擬焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖層段實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為80℃，熱滾16h。

表1 水基鉆井液性能指標(biāo)Tab.1 Water-based drilling fluid performance indicators

2.3 幾種鉆井液性能參數(shù)對比研究

將所研究的水基鉆井液與聚合物體系、聚磺體系開展對比實(shí)驗(yàn)評價，其性能指標(biāo)見表2。其中聚合物和聚磺體系配方如下。聚合物：清水+4.0%膨潤土+0.15%KPAM+0.15%FA-367+1.5%LS-2+3.0%SEB聚磺：清水+4.0%膨潤土+0.2%FA-367+0.3%NaOH+3.0%SMC+4.0%SMP-1+3.0%RSTF+2.0%PPL

表2 3種鉆井液各項(xiàng)性能參數(shù)對比表Tab.2 Three kinds of drilling fluid performance parameters of the table

老化后，聚磺鉆井液的塑形粘度下降7mPa·s，聚合物鉆井液的塑形粘度保持不變；水基鉆井液的塑性粘度增高2mPa·s，由于無機(jī)鹽網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散于體系中，結(jié)合聚合醇濁點(diǎn)效應(yīng)的影響，形成了致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，塑形粘度必然略有增大。聚磺鉆井液體系動切力下降1.5Pa，動塑比下降；聚合物鉆井液體系動切力增加1.5Pa，水基鉆井液體系的動切力增加了2Pa，動塑比最大，表明該體系攜帶巖屑能力較強(qiáng)[1，6，8，9]。老化后，聚磺鉆井液體系的失水量增加3.5mL，聚合物體系失水量增加20mL；水基鉆井液體系抑制性強(qiáng)，失水量僅增加0.5mL，能很好的控制失水。其主要機(jī)理：無機(jī)鹽類物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和隨溫度升高析出來的聚合醇分子在鉆井液體系中形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大塑性粘度，阻止了水分的滲濾。

3 水基鉆井液抑制性評價

3.1 頁巖的物性分析

對于本次取焦石壩地區(qū)自志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖巖心，利用DX-2700型號X-射線掃描儀對其展開衍射實(shí)驗(yàn)評價，分析其礦物成分。見表3。

2．在國際貿(mào)易秩序恢復(fù)的過程中，國際貿(mào)易的制度安排是和美英兩國國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)政策緊密相聯(lián)的。當(dāng)時，無論是英國還是美國，凱恩斯主義的宏觀經(jīng)濟(jì)政策均占據(jù)著絕對主導(dǎo)的地位。因此，對外貿(mào)易在一國的宏觀經(jīng)濟(jì)中是總需求的重要組成部分，從這個角度出發(fā)，我們才能理解:一國的關(guān)稅減讓必須建立在貿(mào)易伙伴的關(guān)稅減讓的前提之下;一國的貿(mào)易開放是為了創(chuàng)造出本國商品出口的外部條件。

圖1 X射線掃描儀以及頁巖衍射圖譜Fig.1 X ray scanner and shale diffraction patterns

表3 頁巖樣品粘土相對含量（%）Tab.3 Relative content of clay shale samples

實(shí)驗(yàn)表明：粘土礦物主要有石英、伊利石、綠泥石、云母和沸石，有少量的正長石、石棉、蛇紋石、輝石、錳礦和大隅石等。伊利石含量最高，云母次之，其他礦物含量較少；亦即焦石壩頁巖水化膨脹性弱，脆性礦物含量高，硬脆性特征明顯。

3.2 頁巖測試樣品制備

本實(shí)驗(yàn)用頁巖取自焦石壩地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組，將頁巖巖石碾碎成粉末狀。（1）將待測頁巖粉碎通過100目篩網(wǎng)，在烘箱內(nèi)105℃烘4h，冷卻至室溫；（2）稱取10g處理后的巖樣粉末裝入巖心壓制模具中，在5MPa下，壓制5min取出，測量其厚度并記錄[1,6，10]。

圖2 頁巖餅制備過程Fig.2 Shale cake preparation process

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試方法

本實(shí)驗(yàn)選用ZNP-1型號的鉆井液常溫膨脹測試儀。（1）將相應(yīng)尺寸的濾紙放在頁巖餅兩端面后裝入測量杯內(nèi)；（2）放入測量連桿；（3）調(diào)整測量杯的位置使測量探頭對準(zhǔn)連桿；（4）打開常溫常壓膨脹儀開關(guān)，并將初始測量值置零；（5）將待測液體注入測量筒內(nèi)，把安裝好的測量杯放入測量筒中；（6）并開始計時，記錄頁巖餅的膨脹量△H（mm）隨時間的變化關(guān)系[6，10，11]。

圖3 常溫膨脹量測定儀Fig.3 room temperature expansion of the tester

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)H為頁巖餅的高度，可由游標(biāo)卡尺測量，mm；△H表示試驗(yàn)溶液浸泡下頁巖餅的膨脹量，mm。其絕對膨脹率表示為：

表4 頁巖餅在幾種流體中的膨脹量Tab.4 Swelling of shale cake in several fluids

將頁巖樣品在幾種鉆井液中的膨脹量繪圖如下。

圖4 頁巖餅在不同流體濾液的膨脹曲線Fig.4 Swelling curve of shale cake in different fluid filtrates

水基鉆井液體系中的無機(jī)鹽含有K+，水化能力弱，容易進(jìn)入頁巖晶層間隙，將水化半徑和水化能較大的Ca+、Na+等離子交換出來，進(jìn)入六角環(huán)氧空間的K+與黏土晶片結(jié)牢固合，抑制晶層間距增大[1,10,12]；老化時，溫度升高，由于聚合醇濁點(diǎn)效應(yīng)，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)溫度時，聚合醇分子逐漸從水中分散出來，形成乳狀液，呈現(xiàn)出憎水性，在井壁上粘附形成一層憎水膜，與部分無機(jī)鹽進(jìn)入頁巖細(xì)微孔隙中或者吸附在頁巖表面，縮小孔隙尺寸甚至填充細(xì)小微裂縫，阻擋自由水份進(jìn)入巖石內(nèi)部，在頁巖外壁形成一層滲透率極低的隔膜，抑制頁巖水化，阻止其溶脹、脫落、垮塌，降低頁巖的水化膨脹量,真正起到穩(wěn)定井壁的效果[1,13-17]。

4 頁巖滾動回收率分析

泥頁巖滾動分散實(shí)驗(yàn)是用于評價泥頁巖分散性最常用的實(shí)驗(yàn)方法。該方法利用滾動模擬巖屑在井下運(yùn)移情況，實(shí)驗(yàn)溫度可調(diào)節(jié)為井下溫度，實(shí)驗(yàn)時間一般為16h[10]。本次實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）將龍馬溪組頁巖粉碎，篩選取6～10目的巖樣碎屑，在烘箱中（105℃條件下）烘干4h，冷卻至室溫[6]；

（2）精確稱取6～10目的巖樣碎屑50.0g，分別裝入盛有350mL清水、水基鉆井液、聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的老化罐中，擰緊杯蓋，確保密封良好[3]；

（3）將老化罐放入滾子加熱爐中，在80℃的恒溫條件下，熱滾16h，取出老化罐冷卻至室溫[4]；

（4）將老化罐內(nèi)的巖樣碎屑過30目篩網(wǎng)，并用自來水沖洗1min，將篩子內(nèi)的碎屑放到烘箱中（105℃條件下）烘干4h，取出巖樣碎屑冷卻至室溫并靜放24h后稱重，記為Mg。

圖5 頁巖分散實(shí)驗(yàn)Figure 5 shale dispersion experiment

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：將巖樣回收率記為R30；

表5 滾動回收率數(shù)據(jù)Tab.5 Scattered experimental data

頁巖在幾種流體中的回收率都較高，在所研制的水基鉆井液中的回收率高于其他流體，回收率達(dá)到99.7%，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性能。

5 結(jié)論

（1）本文研究的水基鉆井液體系熱穩(wěn)定性好，在80℃，濾失量較低。

（2）水基鉆井液體系能夠很好的抑制頁巖吸水膨脹，有利于維持頁巖段井壁穩(wěn)定。

（3）頁巖蒙脫石含量低，具備硬脆性礦物特征，不易水化膨脹、分散性差，在水基鉆井液中的回收率高。

［1］ 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.北京：中國石油大學(xué)出版社，2000.

［2］ 孫明波.鉀離子穩(wěn)定井壁作用機(jī)理研究［J］.鉆井液與完井液,2005，22（5）:7-9.

［3］ 徐建永.頁巖氣發(fā)展現(xiàn)狀及勘探前景［J］．特種油氣藏，2010，l7（5）：1-6．

［4］ 鄧虎.泥頁巖穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)耦合研究［J］．石油鉆探技術(shù)，2003，31（1）：33-36．

［5］ 馬世清.鉀鈣基有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)在MN 1005井研究與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程,2011,25（6）.

［6］ 劉彥妹.聚合醇與有機(jī)鹽的協(xié)同效應(yīng)［J］.鉆井液與完井液，2010.27（2）:32-33.

［7］ 鐘漢毅.新型聚胺頁巖抑制劑性能評價.石油鉆探技術(shù)2011.39（6）:44-4.

［8］ 劉曉棟.鉆井液用頁巖抑制劑聚醚多元醇研究進(jìn)展［J］.鉆井液與完井液，2003,30（1）:75-79.

［9］ 陸曉鋒.水平井井壁穩(wěn)定性ANSYS分析［J］.內(nèi)蒙古石油化工,2011,46-47.

［10］ 烏效鳴，等.鉆井液與巖土工程漿液實(shí)驗(yàn)原理與方法.中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2010.

［11］ 羅健生.硅酸鹽鉆井液對泥頁巖地層井眼穩(wěn)定性影響研究［J］．鉆井液與完井液，2006，23（2）：17-20.

［12］ 屈沅治．泥頁巖抑制劑S I A T的研制與評價［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（6）：53-57．

［13］ 沈建中.宣頁1井鉆井技術(shù)難點(diǎn)及對策.石油鉆探技術(shù).20l1.39（3）:41-45

［14］ 王炳印.泥頁巖地層井壁失穩(wěn)的一種新機(jī)理.內(nèi)蒙古石油化工，2008，129-132.

［15］ Klein AARON L,Aldea Catalin,Bruton James R,et al Field Verfication:inver-mud performance form water-based mud in GulfofMEXICOShelf［R］.spe84314,2003.

［16］ 黃榮樽,陳勉，鄧金根，等．泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)與化學(xué)的耦合研究［J］．鉆井液與完井液，1995,12（3）:15-21

［17］ 程遠(yuǎn)方，徐同臺．安全泥漿密度窗口的確立及應(yīng)用．石油鉆探技術(shù)，1999，17（3）.

New water-based drilling fluids suppression technology and performance evaluation*

WANG Jun1，TAO Chao2
（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China;2.Changqing Oilfield Company Oil Production Factory,Xi′an 710000,China）

For the technical problems of shale formations horizontal section proning to hydration expansion necking and strong pulping in jiao shiba area,developmented a new water-based drilling fluids using new inorganic and polymeric alcohol treatment agent and conducted evaluation simulation Longmaxi Silurian formation temperature （about 80℃）.The results showed that:drilling fluid system has the characteristics of strong inhibition and a small amount of fluid loss.Moreover,evaluated shale expansion amount in normal temperature and pressure using polysulfonatemud filtrate,polymerization mud filtrate,water and the development of water-based drilling fluid filtrate soaked shale cores.Since the polymeric alcohol colloid filling small voids ormicrocracks shale barrier filtrate into shale formations;On the other hand,weak hydration K+inorganic salts exchange out larger radius and hydration hydration ability of Ca+,Na+ion from the crystal layer gap and combined with a solid shale crystal layer.prevents crystal layer spacing increasing,inhibition of shale hydration expansion.Scroll to carry out the recovery of shale experimental test,developed shale in water-based drilling fluid recovery rate of 99.7%,reflecting the strong rejection.

drilling fluid;polymeric alcohol;inhibiting;water loss

TE254

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170436

2017-01-16

重慶市教委基金項(xiàng)目“適于頁巖氣地層的新型鉆井液技術(shù)研究”（No.KJ131406）

王 均（1980-），男，漢族，碩士，講師，主要從事鉆井液技術(shù)方面研究。