張坤 劉南清 王強 王磊磊 龔純武 郭劍梅

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司泥漿技術服務分公司

強抑制封堵鉆井液體系研究及應用

張坤 劉南清 王強 王磊磊 龔純武 郭劍梅

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司泥漿技術服務分公司

針對伊拉克米桑油田Fauqi區(qū)塊鉆井過程中易發(fā)生井壁坍塌、漏失難題，設計開發(fā)了新型強抑制封堵鉆井液體系。該體系通過KCl、硅酸鈉和聚胺抑制劑的多元復合作用，實現(xiàn)對頁巖水化分散的有效抑制，頁巖膨脹率較清水降低67.6%，毛細管吸入時間較清水降低64.4%。該體系在物理封堵基礎上配合硅酸鹽的化學固壁作用，低滲沙盤封堵試驗濾失量僅為9.6 mL，能有效封堵地層孔隙、微裂縫，減少濾液對地層侵入，提高井壁穩(wěn)定性，避免井下漏失發(fā)生。該體系在伊拉克米桑油田FQCS-41井的五開井段進行了現(xiàn)場應用，結果表明該體系在鉆進過程中性能穩(wěn)定，流變狀態(tài)良好，井徑規(guī)則，五開井段平均井徑擴大率僅為1.2%。

強抑制；強封堵；水基鉆井液；井壁穩(wěn)定

伊拉克米桑油田群是以白堊系和第三系碳酸鹽巖油藏為主的大型油田，主要開發(fā)對象包括第三系的Asmari油藏和白堊系Mishrif油藏［1］，其中Upper Fars地層上、中部主要為大套泥巖，下部為大套泥巖夾薄層石膏，Lower Fars地層主要為泥巖和厚薄不均的石膏不等厚互層，下部地層以灰?guī)r為主，鉆井施工中極易發(fā)生井壁失穩(wěn)、漏失等復雜情況［2］。針對地層特性開發(fā)新型強抑制封堵鉆井液體系，體系中引入硅酸鈉，不僅可以提高鉆井液的抑制性，還可以通過化學作用，有效封堵井壁孔隙和微裂縫，減小孔隙壓力傳遞作用，實現(xiàn)化學固壁，保障井下安全［3］。

1 實驗材料和儀器

Experimental materials and instruments

主要原料：膨潤土、Na2CO3、KCl、硅酸鈉、流型調節(jié)劑BZ-HXC、抗溫抗鹽降濾失劑BZ-JLS-I、聚合醇BZ-YRH、防塌封堵劑BZ-YFT、聚胺抑制劑BZYZJ、細目鈣、重晶石。

主要儀器：高溫滾動加熱爐，ZNN-D6S型旋轉黏度計，ZNS-4中壓失水儀，OFI高溫高壓濾失儀，CST毛細管吸入時間測定儀，OFI高溫高壓封堵儀，NP-01A線性頁巖膨脹儀。

2 各因素對鉆井液性能影響

Effects on the performance of drilling fluids

實驗鉆井液基漿配方如下：水+2%膨潤土+0.3%Na2CO3+1%～6%硅酸鈉+0.1%BZ-HXC+1.5%BZJLS-Ⅰ+1%BZ-YRH+1%BZ-YFT+7%KCl+0.5%BZYZJ+10%細目鈣（325目）+10%細目鈣（600目）+ 重晶石。

通過實驗考察硅酸鈉加量對鉆井液性能的影響，對鉆井液配方進行優(yōu)化。

2.1 硅酸鈉模數(shù)

Modular of sodium silicate

研究表明，硅酸鈉模數(shù)越大，抑制能力越強，但鉆井液體系的表觀黏度、塑性黏度及動切力均呈下降趨勢［4］，在綜合抑制防塌與流變性的基礎上，選擇模數(shù)為 2.4～2.8。

2.2 硅酸鈉加量

Dosage of sodium silicate

為提高體系的抑制性，采用KCl-硅酸鈉-聚胺抑制劑復合作用。采用大港油田明化鎮(zhèn)組泥頁巖巖樣，處理成過100目規(guī)格的巖屑，通過線性頁巖膨脹率及毛細管吸入時間測試法對該復合抑制體系進行抑制性評價，評價結果見表1。

從實驗結果可以看出，采用KCl-硅酸鈉-聚胺抑制劑復合作用，膨脹率和毛細管吸入時間都有明顯降低，抑制效果明顯優(yōu)于單一抑制劑。隨著硅酸鈉加量增加，抑制效果也進一步增強，但加量超過4%后，抑制效果增強幅度減弱。

表1 抑制性評價結果Table 1 Inhibition evaluation result

對不同硅酸鈉加量對體系性能影響進行評價，老化條件為120 ℃、16 h，結果見表2。

表2 不同硅酸鈉加量對體系性能影響Table 2 Effect of the dosage of sodium silicate on the performance of the drilling fluid system

從實驗結果可以看出，體系表觀黏度、動切力隨著硅酸鈉的加入先降低后升高，而濾失量在加量超過3%后增大趨勢明顯。綜合抑制性、流變性和濾失性，最終確定體系硅酸鈉加量為3%。

通過上述實驗，確定強抑制封堵鉆井液配方如下：水+2%膨潤土+0.3%純堿+3%硅酸鈉+0.1%BZ-HXC+1.5%BZ-JLS-I+1%BZ-YRH+1%BZ-YFT+7%KCl+0.5%BZ-YZJ+10%細目鈣（325目）+ 10% 細目鈣（600目）+重晶石。

3 強抑制封堵鉆井液體系性能評價

Evaluation on the performance of drilling fluid system with strong inhibition and sealing capacity

3.1 耐溫性能

Temperature resistance

測定了強抑制封堵鉆井液體系的耐溫性能，結果見表3。

表3 強抑制封堵鉆井液體系的耐溫性能Table 3 Temperature resistance of the drilling fluid system withstrong inhibition and sealing capacity

實驗結果可看出，隨著溫度升高，體系表觀黏度及動切力略有降低，濾失量有所增加，但體系在150℃熱滾后仍可保持穩(wěn)定的流變性和較小的濾失量。

3.2 抑制性能

Inhibition

采用滾動回收率實驗對鉆井液體系的抑制性進行了評價，并與采用相同實驗條件的7%KCl水溶液實驗結果進行了對比，結果如圖1所示。

圖1 120 ℃滾動回收率實驗Fig. 1 Rolling recovery rate experiment at 120 ℃

該實驗巖屑采用新疆克深208井的紅色泥巖。測試結果表明，強抑制封堵鉆井液體系的巖屑回收率為95.8%，遠高于7%KCl溶液的回收率（8.5%），表明該體系可有效抑制泥頁巖水化分散，具有良好的抑制性。

3.3 封堵性能

Sealing capacity

采用OFI高溫高壓封堵儀進行封堵性測試（測試用巖心滲透率為400 mD），在120 ℃、7 MPa條件下經(jīng)過實驗，封堵效果：瞬間失水3.4 mL，濾失量9.6 mL，靜態(tài)濾失速率1.1 mL/min。實驗結果表明，該體系具有較好的封堵效果，能有效填充井壁孔隙和微裂縫，提高井壁強度，防止漏失發(fā)生，保證井下施工安全。

3.4 抗巖屑污染能力

Debris contamination resistance

對強抑制封堵鉆井液體系的抗巖屑污染能力進行評價，見表4，在鉆井液中加入10%巖屑粉后，鉆井液仍具有良好的流變性和較低的濾失量，說明該鉆井液具有良好的抗巖屑污染能力。

表4 強抑制封堵鉆井液體系抗污染能力Table 4 Contamination resistance of the drilling fluid system with strong inhibition and sealing capacity

4 機理分析

Analysis on the mechanisms

（1）KCl和聚胺抑制劑可提供大量的K+和端氨基，二者均可進入黏土晶層間隙與黏土晶片進行較牢固的結合，從而抑制了黏土的水化膨脹［5-7］。

（2）硅酸鈉進一步降低了水活度，減弱了黏土滲透水化作用，此外硅酸鈉可以與高價態(tài)金屬離子（Ca2+、Mg2+）反應生成不溶物，封堵孔隙或微裂縫，從而降低孔隙壓力傳遞，保障井壁安全。當鉆遇低pH值地層水時，硅酸鈉可形成凝膠，在井壁附近形成一層保護膜，達到保護井壁的目的。

（3）體系中加入了聚合醇BZ-YRH，在鉆井過程中，體系溫度升高，聚合醇發(fā)生濁點效應，保持“親油、疏水、分散于水”的狀態(tài)，可吸附于鉆屑及黏土顆粒表面，抑制其水化分散與膨脹，進一步提高鉆井液體系的抑制性。

（4）體系中含有防塌封堵劑BZ-YFT、不同粒徑細目鈣，可以通過物理作用對井壁孔隙、微裂縫進行填充，配合硅酸鈉的化學固壁，能有效保障井壁穩(wěn)定，防止漏失發(fā)生。

5 現(xiàn)場應用

Field application

強抑制封堵鉆井液體系在伊拉克米桑油田FQCS-41井進行了現(xiàn)場應用。該井位于Fauqi油田南部，五開井段地層主要為Jeribe、Kirkuk、Low-Kirkuk，地層巖性上部以石膏、白云巖為主，下部以砂巖、頁巖和石灰?guī)r為主，極易發(fā)生井壁坍塌和漏失。鉆井過程中及時補充硅酸鈉，充分發(fā)揮其抑制性和化學固壁作用，現(xiàn)場施工順利。表5為五開井段現(xiàn)場鉆井液性能，圖2為五開井段井徑曲線。

表5 FQCS-41井（3 028.51～3 278 m）井段鉆井液性能Table 5 Performance of drilling fluid in the hole section 3 028.51～3 278 m of Well FQCS-41

圖2 FQCS-41井五開井段井徑曲線Fig. 2 Hole diameter curve of the fi fth section in Well FQCS-4

由圖1可知，該井在五開井段井徑規(guī)則，平均井徑擴大率僅為1.2%，抑制封堵效果明顯，體現(xiàn)了強抑制封堵鉆井液體系的多元復合抑制，起到了物理封堵和化學固壁的雙重作用。

6 結論與認識

Conclusions and cognitions

（1）強抑制封堵鉆井液體系通過多元復合作用，實現(xiàn)了體系的強抑制性與強封堵能力，能有效解決井壁穩(wěn)定難題，防止井下漏失發(fā)生。

（2）現(xiàn)場應用表明，強抑制封堵鉆井液體系可有效解決伊拉克米桑油田Fauqi區(qū)塊Jeribe、Kirkuk、LowKirkuk地層井壁坍塌及漏失難題，具有較好的現(xiàn)場應用效果。

［1］張義楷，王志松，史長林，李志明，張學敏. 伊拉克米桑油田碳酸鹽巖儲層成巖作用［J］. 科學技術與工程，2016，16（5）：45-53.ZHANG Yikai, WANG Zhisong, SHI Changlin, LI Zhiming, ZHANG Xuemin. Carbonate reservoir characteristics and diagenesis in Missan Oilfield, Iraq［J］.Science Technology and Engineering, 2016, 16（5）∶ 45-53.

［2］陳建新，趙振書，李廣環(huán)，侯士立，董殿彬，王孝琴，王倩.伊拉克米桑Fauqi油田水平井造斜段鉆井液技術［J］.鉆井液與完井液，2017，34（2）：70-74.CHEN Jianxin, ZHAO Zhenshu, LI Guanghuan, HOU Shili, DONG Dianbin, WANG Xiaoqin, WANG Qian.Drilling fluid technology for angle build section of horizontal wells in Iraq Missan Fauqi Oilfield［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid, 2017, 34（2）∶ 70-74.

［3］張金波，范維旺，寧軍明，趙后春，戴國祥. KCl/硅酸鹽鉆井液體系在蘇6區(qū)的成功應用［J］. 鉆井液與完井液，2007，24（6）：81-83.ZHANG Jinbo, FAN Weiwang, NING Junming, ZHAO Houchun, DAI Guoxiang. Research and application of KCL/silicate drilling lfuid in block 6 of Sudan［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid, 2007, 24（6）∶ 81-83.

［4］郭健康，鄢捷年. 硅酸鹽鉆井液體系的研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2003，25（5）：20-24.GUO Jiankang, YAN Jie’nian. Research advances in silicate-based drilling fluids and their applications［J］.Oil Drilling & Production Technology, 2003, 2（55）∶ 20-24.

［5］孫明波，侯萬國，孫德軍，何濤. 鉀離子穩(wěn)定井壁作用機理研究［J］. 鉆井液與完井液，2005，22（5）：7-9.SUN Mingbo, HOU Wanguo, SUN Dejun, HE Tao.Mechanism study on the potassium ion stabilizing wellbore［J］. Drilling Fluid &Completion Fluid, 2005,22（5）∶ 7-9.

［6］羅人文，龍大清，王昆，范建國，呂佳，白晶.馬深 1井超深井鉆井液技術［J］.石油鉆采工藝，2016，38（5）：588-593.LUO Renwen, LONG Daqing, WANG Kun, FAN Jianguo,LYU Jia, BAI Jing. Drilling fluid for the super-deep Well Mashen-1［J］. Oil Drilling & Production Technology,2016, 38(5)∶ 588-593.

［7］郭健康，鄢捷年，王奎才，劉德軍，范維旺，趙健，張洪靜，肖金裕.強抑制性KCl/硅酸鹽鉆井液體系及其在蘇丹六區(qū)的應用［J］.鉆井液與完井液，2005，22（1）：14-18.GUO Jiankang, YAN Jie’nian, WANG Kuicai, LIU Dejun,FAN Weiwang, ZHAO Jian, ZHANG Hongjing, XIAO Jinyu. Strong inhibitive KCl/Silicate based drilling fluid and its application in Sudan Block6［J］. Drilling Fluid &Completion Fluid, 2005, 22（1）∶ 14-18.

（修改稿收到日期 2017-08-23）

〔編輯 薛改珍〕

Research and application of drilling fluid with strong inhibition and sealing capacity

ZHANG Kun, LIU Nanqing, WANG Qiang, WANG Leilei, GONG Chunwu, GUO Jianmei
Mud Service Company,CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Tianjin300280,China

Wellbore collapse and lost circulation tend to happen during the drilling in Fauqi Block of Missan Oil field, Iraq. To deal with these difficulties, a new type of drilling fluid system with strong inhibition and sealing capacity was designed and developed in this paper. Based on the multi-component combination of KCl, sodium silicate and polyamine inhibitor, this system could inhibit shale hydration and dispersion effectively, and its shale swelling rate and capillary suction time are 67.6% and 64.4% lower than those in fresh water. Based on the combination of the physical sealing with chemical wall stabilization effect of silicate, the filtration loss of this system in low-permeability sand plugging test is only 9.6 mL. It is demonstrated that this system can seal the formation fractures and micro fractures effectively, reduce the intrusion of fi ltrate into the formation, enhance wellbore stability and avoid downhole leakage.This system was applied on site in the fi fth section of Well FQCS-41 in Missan Oil field, Iraq. It is indicated that its performance is stable with good rheological property in the process of drilling, and the borehole diameter is regular with average diameter enlargement rate of 1.2% in the fi fth section.

strong inhibition; strong sealing effect; water-base drilling fluid; hole stability

∶

張坤，劉南清，王強，王磊磊，龔純武，郭劍梅.強抑制封堵鉆井液體系研究及應用［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：580-583.

TE254

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0580 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.009

張坤（1984-），2010年畢業(yè)于南開大學有機化學專業(yè)，現(xiàn)從事鉆井液技術研究工作，工程師。通訊地址：（300280）天津市大港油田紅旗路東段。電話：022-25939276。E-mail：ywang1205@163.com

: ZHANG Kun, LIU Nanqing, WANG Qiang, WANG Leilei, GONG Chunwu, GUO Jianmei. Research and application of drilling fluid with strong inhibition and sealing capacity［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 580-583.