郭盛堂

(大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411)

高性能水基鉆井液體系研制與應(yīng)用

郭盛堂

(大慶鉆探工程公司鉆井一公司，黑龍江 大慶 163411)

針對(duì)水平井施工中井眼凈化、井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑防卡、保護(hù)油氣層等技術(shù)難題，研制了高性能水基鉆井液體系。通過對(duì)抑制劑、包被劑、降濾失劑等處理劑的優(yōu)選，最終確定了高性能水基鉆井液體系的配方，對(duì)該鉆井液體系配方進(jìn)行各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)表明，該鉆井液體系性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抑制性、潤(rùn)滑性、抗污染性和油氣層保護(hù)能力，在蘇德爾特油田的蘇平5井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中井壁穩(wěn)定，起下鉆無阻卡現(xiàn)象，取得了非常好的施工效果。

高性能水基鉆井液；處理劑優(yōu)選；性能評(píng)價(jià)；蘇德爾特油田

在水平井施工中鉆井液必須解決井眼凈化、井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑防卡、保護(hù)油氣層等技術(shù)難題。油基鉆井液可以很好地解決上述水平井施工的問題，但是油基鉆井液具有配比成本高、對(duì)環(huán)境污染大、后期鉆屑處理困難等缺點(diǎn)，因此急需研制一種新型高性能水基鉆井液(胺基鉆井液)體系來替代油基鉆井液，以此來降低鉆井施工的綜合成本、保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 高性能水基鉆井液主要處理劑優(yōu)選

1.1 胺基抑制劑優(yōu)選

1.1.1 巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)

泥巖與其它巖性相比較，遇水化膨脹分散，剝蝕掉塊是其主要的特征，所以應(yīng)用滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)測(cè)定泥巖的水化分散狀態(tài)，是評(píng)價(jià)抑制劑性能好壞的重要指標(biāo)之一。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選取泥巖巖屑100 g，分別平均裝入到500 mL清水中和不同的實(shí)驗(yàn)樣品胺基溶液的老化灌中，在模擬井下溫度120 ℃情況下進(jìn)行熱滾實(shí)驗(yàn)，計(jì)算每份樣品的回收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)圖

從圖1可以看出，聚胺樣品、聚醚胺樣品、聚胺酸樣品的滾動(dòng)回收率依次呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，聚胺樣品的滾動(dòng)回收率最高，約為81%，也就是說明聚胺樣品對(duì)泥頁(yè)巖的抑制性最好。

1.1.2 激光粒度分析實(shí)驗(yàn)

巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)只能從宏觀上評(píng)價(jià)聚胺抑制劑的性能，因此室內(nèi)對(duì)聚胺抑制劑與其它胺基抑制劑進(jìn)行激光粒度實(shí)驗(yàn)，從微觀上評(píng)價(jià)其抑制性能。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的聚胺溶液、聚醚胺溶液和聚胺酸溶液各500 mL，然后將能過180目振動(dòng)篩篩布的泥巖巖屑加入到配制好的各種胺基溶液中，當(dāng)配制膨潤(rùn)土比例為7%時(shí)，將配制好的膨潤(rùn)土漿水平放置在振蕩器上，每過2 h后對(duì)該實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行振蕩30 min。從第一次開始振蕩進(jìn)行計(jì)時(shí)，在膨潤(rùn)土水化24 h后進(jìn)行激光粒度實(shí)驗(yàn)分析，分別讀取實(shí)驗(yàn)中的d10值(當(dāng)顆粒體分?jǐn)?shù)占10%時(shí)的粒徑值),d50值(顆粒體積分?jǐn)?shù)占50%時(shí)的粒徑值)，d90值(顆粒體積分?jǐn)?shù)占90%時(shí)的粒徑值)并分別記錄，見表1所示。

表1 激光粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，聚胺溶液的d10、d50、d90的值都最大，這也就說明加入聚胺溶液中的巖屑在激光粒度實(shí)驗(yàn)中水化分散的能力最小，也就證明了聚胺的抑制性在幾種實(shí)驗(yàn)樣品中是最強(qiáng)的。

1.2 包被劑優(yōu)選

在所有的包被劑中，聚合物包被劑在包裹鉆井巖屑的同時(shí)，還能夠快速吸附在井壁上，堵塞井壁的微小裂縫，起到加固井壁，防止鉆井液中濾液進(jìn)入井壁的作用。因此，本研究選用清水、陽(yáng)離子包被劑AY，陰離子包被劑NW，聚合物包被劑FA367進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 包被劑抑制效果評(píng)價(jià)

從表2巖屑回收率上可以看出，兩性聚合物包被劑FA367的巖屑回收率最高，為93.5%；巖屑膨脹量最小，為6.1 mm，因此，包被劑兩性復(fù)合離子聚合物FA367對(duì)鉆井巖屑具有非常好的包被效果，可作為高性能水基鉆井液體系的包被劑使用。

1.3 降濾失劑優(yōu)選

通過在鉆井液中應(yīng)用降濾失劑，可以有效減少鉆井液中的自由水進(jìn)入到井壁中，同時(shí)能夠在井壁表面形成一層薄而致密，堅(jiān)固的泥餅，保證井壁穩(wěn)定。本研究對(duì)比評(píng)價(jià)了低粘聚陰離子纖維素PAC-LV、超低滲透處理劑SDN-1、羧甲基磺化酚醛樹脂SD-101、羧甲基淀粉CMS等處理劑的作用效果，以120 ℃、24 h熱滾后的API失水量為考核指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 降濾失劑優(yōu)選數(shù)據(jù)

從表3可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件和各種處理劑加量相同的情況下，熱滾前后的API失水量最小的為PAC-LV，因此，可以把PAC-LV作為高性能水基鉆井液體系配方的降濾失劑。

2 高性能水基鉆井液配方的確定與性能評(píng)價(jià)

2.1 鉆井液體系配方的確定

以抑制劑聚胺、包被劑聚合物FA367、降濾失劑PAC-LV為實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行三因素正交實(shí)驗(yàn)，以此來確定各種處理劑的合理加量；以表觀粘度和API最低失水量為主要目標(biāo)來對(duì)鉆井液體系進(jìn)行極差分析，初步形成了高性能水基鉆井液體系的基礎(chǔ)配方：3%～5%膨潤(rùn)土+0.35%純堿+0.05%氫氧化鉀+0.4%～0.7%聚胺+0.3%～0.5%包被劑FA367+1.5%～2.5%降濾失劑PAC-LV+適量消泡劑。在此配方的基礎(chǔ)上，通過4組實(shí)驗(yàn)來調(diào)整潤(rùn)滑劑的加量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，當(dāng)潤(rùn)滑劑加量達(dá)到5%以后潤(rùn)滑系數(shù)就不再降低了，在繼續(xù)加入潤(rùn)滑劑只能是增加鉆井液的成本，因此，該鉆井液體系中加入5%潤(rùn)滑劑就可以滿足要求。鉆井液的最終配方為：3%～5%膨潤(rùn)土+0.35%純堿+0.05%氫氧化鉀+0.4%～0.7%聚胺+0.3%～0.5%包被劑FA367+1.5%～2.5%降濾失劑PAC-LV+2%石墨+5%潤(rùn)滑劑+適量消泡劑。

表4 不同潤(rùn)滑劑加量情況下鉆井液性能

2.2 配方性能評(píng)價(jià)

2.2.1 抑制性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)選取過140篩布的泥巖巖屑50 g，在120 ℃情況下采用滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)該鉆井液體系的抑制性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。高性能水基鉆井液體系的巖屑回收率為90%，與油基鉆井液巖屑回收率基本相當(dāng)，證明了該鉆井液體系對(duì)泥巖具有良好的抑制性，能夠防止泥巖水化分解，保證了井壁的穩(wěn)定。

表5 巖屑滾動(dòng)回收數(shù)據(jù)

2.2.2 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

采用極壓潤(rùn)滑儀和濾餅粘附系數(shù)測(cè)定儀，對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性和濾餅的粘附系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)得極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.08，濾餅粘附系數(shù)為0.087，說明高性能水基鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性，可滿足水平井施工對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性的要求。

2.2.3 抗污染性能

抗污染性是評(píng)價(jià)鉆井液在使用中性能是否穩(wěn)定的一項(xiàng)重要指標(biāo)。室內(nèi)將過180目篩布的泥巖巖屑按照不同比例加入到配制好的高性能水基鉆井液中，測(cè)量其老化前后的性能，結(jié)果見表6所示。從表6中可以看到，隨著巖屑加量的不斷增加，表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和API失水量都無明顯變化，表面該鉆井液體系具有良好的抗污染能力。

表6 不同巖屑加量情況下鉆井液性能

2.2.4 保護(hù)油氣層性能

室內(nèi)選用人造巖心作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象來做儲(chǔ)層靜態(tài)傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果發(fā)現(xiàn)該鉆井液體系對(duì)儲(chǔ)層巖心的滲透率恢復(fù)率都在90%以上，表明高性能水基鉆井液體系具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

高性能水基鉆井液體系在蘇德爾特油田的蘇平5井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，蘇平5井完鉆斜深3336.00 m，垂深1451.26 m，水平位移1826.31 m，水平段長(zhǎng)1508.00 m，最大井斜角90.37°。全井施工井壁穩(wěn)定，起下鉆無阻卡現(xiàn)象，施工非常順利，取得了非常好的施工效果。

3.1 二開直井段應(yīng)用

在二開直井段由于上部地層軟，鉆速快，而且存在大段泥巖，泥巖造漿能力強(qiáng)，并且泥巖水化膨脹，因此，控制地層造漿，保證井壁穩(wěn)定是該段施工的重點(diǎn)。因此，在該段初始施工中加入0.4%的聚胺，1.5%降濾失劑PAC-LV和0.4%包被劑FA367，提高鉆井液的抑制能力和攜巖能力，同時(shí)使用離心機(jī)控制鉆井液中的有害含量，保證井眼清潔和井壁穩(wěn)定。隨著井深的不斷增加，不斷補(bǔ)充各種處理劑，使鉆井液中聚胺含量≮0.5%，降濾失劑PAC-LV含量≮2%，包被劑FA367含量≮0.5%。該段鉆井液性能為：密度1.15～1.20 g/cm3，漏斗粘度50～70 s，塑性粘度9～13 mPa·s，動(dòng)切力4～9 Pa，API失水量1.9～2.2 mL，初切2.5～5.5 Pa，終切11～15 Pa。

3.2 三開造斜段和水平段應(yīng)用

造斜段除了要保持上述處理劑合理加量外，在造斜初期一次性加入2%的潤(rùn)滑劑，至井斜角80°的時(shí)候潤(rùn)滑劑含量不能低于4%，保證鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性能。水平段施工中逐漸調(diào)整各種處理劑的加量，鉆井液中聚胺含量≮0.7%，降濾失劑PAC-LV含量≮2.5%，包被劑FA367含量≮0.5%，潤(rùn)滑劑含量≮5%，確保其鉆井液整體性能優(yōu)良，具有良好的流變性和潤(rùn)滑性，同時(shí)適當(dāng)提高鉆井液的粘度和屈服值，保證鉆井液具有良好地?cái)y帶和懸浮巖屑的能力。該井段施工的鉆井液性能指標(biāo)為：密度1.10～1.15 g/cm3，漏斗粘度55～75 s，塑性粘度13～18 mPa·s，動(dòng)切力5～9 Pa，API失水量1.8～2.5 mL，初切3～5 Pa，終切12～17 Pa，潤(rùn)滑系數(shù)0.05，施工中根據(jù)井下摩阻和實(shí)際測(cè)量的扭矩情況，以及振動(dòng)篩返砂情況，及時(shí)進(jìn)行短起下鉆，破壞巖屑床，保證井下的安全。

4 結(jié)論

(1)通過優(yōu)選各種處理劑，最終確定高性能水基鉆井液體系的配方為：3%～5%膨潤(rùn)土+0.35%純堿+0.05%氫氧化鉀+0.4%～0.7%聚胺+0.3%～0.5%包被劑FA367+1.5%～2.5%降濾失劑PAC-LV+2%石墨+5%潤(rùn)滑劑+適量消泡劑。

(2)對(duì)高性能水基鉆井液體系配方進(jìn)行性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)該體系具有很強(qiáng)的抑制性、潤(rùn)滑性、抗污染性和保護(hù)油氣層性能。

(3)高性能水基鉆井液體系在蘇德爾特油田的蘇平5井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中井壁穩(wěn)定，起下鉆無阻卡現(xiàn)象，取得了非常好的施工效果。

[1] 侯杰，劉永貴，李海.高性能水基鉆井液在大慶油田致密油藏水平井中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2015，43(4)：59-65.

[2] 鐘漢毅，邱正松，黃維安，等.聚胺水基鉆井液特性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].油田化學(xué)，2010，27(2)：119-123.

[3] 丁彤偉，鄢捷年.新型水基鉆井液抑制劑FTy的實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液，2015，22(6)：13-15.

[4] 李生海,馬智躍,鄧先明,等.高分子聚合物無固相沖洗液在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(1):29-32.

[5] 孟祥波.齊平3井鉆井施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(8):22-24.

[6] 王佩平，王立亞，沈建文，等.胺類抑制劑在臨盤地區(qū)的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2011，28(3)：35-38.

[7] 鐘漢毅，黃維安，邱正松，等.聚胺與氯化鉀抑制性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(3)：150-156.

[8] 董廣華.金31-平2階梯式水平井井眼軌跡控制技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(3):30-33.

[9] 史沛謙,王善舉,馬文英,等.靖南地區(qū)水平井鉆井液技術(shù)研究及應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(7):1-4.

[10] 鐘漢毅，邱正松，黃維安，等.聚胺水基鉆井液特性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].油田化學(xué)，2010，27(2)：119-123.

[11] 楊龍波.有機(jī)胺鉆井液的研究與應(yīng)用[D].山東東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)，2010.

[12] 邱正松，徐加放，呂開河，等.“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁新理論[J].石油學(xué)報(bào)，2007，28(2)：117-119.

[13] 孔德虎.泥頁(yè)巖水化對(duì)井壁穩(wěn)定的影響規(guī)律研究[D].黑龍江大慶：東北石油大學(xué)，2010.

[14] 李秀靈，沈麗，陳文俊.合成基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，13(1)：21-24.

[15] 王景芹，李丹東，鄭連波，等.烷基季銨鹽改性膨潤(rùn)土的膨脹性[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(3)：27-31.

DevelopmentandApplicationofHighPerformanceWater-basedDrillingFluidSystem

/GUOSheng-tang

(No.1 Daqing Drilling Company of Drilling Engineering Company, Daqing Heilongjiang 163411, China)

A high-performance water-based drilling fluid system has been developed to solve the technical problems such as borehole cleaning, borehole stability, lubrication, anti-sticking and protection of oil and gas reservoirs in horizontal well construction. By the optimization of inhibitor, coating agent, filtrate reducer and other treatment agents, the high performance water-based drilling fluid formulations are ultimately determined, the performance experiments show that this drilling fluid system has stable performance with strong inhibition, lubricity, anti-pollution and reservoir protection capability, very good construction effects have been achieved in the field application of well Suping-5 of Sudeerte oilfield with stable wall, and no jamming in the tripping.

high performance water-based drilling fluid; treatment agent optimization; performance evaluation; Sudeerte oilfield

2017-05-25

中國(guó)石油天然氣股份公司重大專項(xiàng)項(xiàng)目“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”(編號(hào)：2012E-2603-02)

郭盛堂，男，漢族，1965年生，高級(jí)工程師，從事鉆井技術(shù)管理工作，黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)鉆井一公司技術(shù)服務(wù)分公司，guoshengtang@cnpc.com。

TE254；P634.6

A

1672-7428(2017)11-0026-04