舒義勇，孫俊，陳俊斌，祝學(xué)飛，查凌飛

（1.川慶鉆探工程有限公司新疆分公司，新疆庫(kù)爾勒841000；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢618300）

準(zhǔn)噶爾盆地南緣安集海河組地層復(fù)雜，阻卡問(wèn)題突出。霍10井發(fā)生卡鉆事故9次，損失時(shí)間高達(dá)104 d；霍001井阻卡頻繁、鉆具卡死5次；霍002井頻繁發(fā)生阻卡；霍003井發(fā)生阻卡85次，10次鉆具卡死。由于復(fù)雜事故的存在，鉆井時(shí)效大幅降低、鉆井周期延長(zhǎng)、鉆井液成本居高不下，嚴(yán)重制約了南緣的勘探進(jìn)程。隨著霍101和霍11井油基鉆井液技術(shù)的應(yīng)用，解決了南緣安集海河組鉆井諸多井下復(fù)雜難題[1-3]。但油基鉆井液也存在成本高昂、油基鉆屑處理難和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大等棘手問(wèn)題。而常規(guī)井[4-16]用的高性能水基鉆井液因抑制性不足，不能滿足安集海河組地層安全鉆井的需要。針對(duì)安集海河組鉆井過(guò)程中存在的技術(shù)難題，開展了強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液體系研究，并在瑪河氣田MN1006井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液作用機(jī)理

準(zhǔn)噶爾盆地南緣安集海河組地層壓力系數(shù)高達(dá)2.20，事故復(fù)雜頻繁，稱之為“死亡之?！薄５貙羽ね恋V物含量高，伊/蒙混層黏土含量超過(guò)30%，“遇水即溶”形成劣質(zhì)土混入到鉆井液中，固控設(shè)備難以清除，劣質(zhì)土相的增加導(dǎo)致鉆井液流變性能迅速惡化，影響鉆井作業(yè)的安全進(jìn)行。常規(guī)井用的高性能鉆井液存在鉆頭泥包、機(jī)械鉆速慢、鉆屑堵塞出口管、井壁垮塌、鉆井液的膨潤(rùn)土含量值增長(zhǎng)快、性能穩(wěn)定周期短等鉆井難題，歸根到底是因?yàn)殂@井液的抑制封堵性能不足造成的。據(jù)此，在常規(guī)高性能水基鉆井液的基礎(chǔ)上，引入了雙胺基、鍵合劑和剛性+柔性兩種微納米級(jí)封堵劑，強(qiáng)化了體系的抑制封堵性能。主要處理劑的作用機(jī)理：胺基硅醇HAS通過(guò)在黏土表面形成疏水層，減緩和阻止黏土表面的水化作用；胺基抑制劑SIAT則是鑲嵌在黏土層間，拉近黏土層間距離，限制黏土吸水膨脹[17]；鍵合劑HBA與水分子通過(guò)氫鍵形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[18-22]，一方面減少鉆井液中的自由水，降低活度，一方面提高鉆井液的懸浮穩(wěn)定性；雙胺基抑制劑和鍵合劑的協(xié)同作用增強(qiáng)了體系的抑制性能；微納米石蠟TYRF-1和微納米封堵劑HSM則是通過(guò)對(duì)地層孔隙進(jìn)行有效封堵，改善泥餅質(zhì)量，阻止濾液滲入地層，保持井壁穩(wěn)定。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 抑制劑復(fù)配

安集海河組伊/蒙混層黏土具有極強(qiáng)的造漿性，在以7%KCl+20%Weigh3+2%SIAT為抑制劑的基礎(chǔ)上，復(fù)配了2%HAS和15%HBA，進(jìn)一步增強(qiáng)體系的抑制性，通過(guò)巖屑滾動(dòng)回收率對(duì)其抑制泥巖水化造漿性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可知，清水的巖屑滾動(dòng)回收率只有12.1%，說(shuō)明安集海河組泥巖具有很強(qiáng)的水化特性，隨著試驗(yàn)液中抑制劑種類的增加，試驗(yàn)液的抑制性明顯增強(qiáng)，巖屑回收率也大幅增加；5#試驗(yàn)液配方巖屑回收率達(dá)到96.24%，能有效抑制泥頁(yè)巖水化膨脹分散造漿。

表1 巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 封堵性能

為了提高鉆井液的封堵性能，引入了剛性+柔性2種微納米級(jí)的封堵劑，2種封堵劑的粒度分布特征值和封堵性能評(píng)價(jià)見(jiàn)表2、表3。

表2 2種封堵劑粒度分布特征值

表3 加入2種封堵劑（1%HSM+1%TYRF-1）前后對(duì)鉆井液流變性和封堵性的影響

從表2和表3可以看出，封堵劑的加入能顯著降低鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量，且對(duì)鉆井液流變性能的影響很小，2種微納米封堵劑的粒徑均小于泥頁(yè)巖的平均孔隙，通過(guò)架橋和填充作用，對(duì)泥頁(yè)巖孔隙進(jìn)行封堵。

2.3 強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液體系構(gòu)建

依托鉆井液公司已有技術(shù)積累，在已有鉆井液技術(shù)、文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了天然高分子強(qiáng)包被抑制劑IND30作為強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液的包被劑，針對(duì)安集海河組泥巖強(qiáng)水敏特性，以無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽，復(fù)配2種胺基抑制劑提高體系的抑制性，引入HBA增強(qiáng)體系的抑制性，降低活度。以TYRF-1和HSM 2種微納米級(jí)封堵劑提高體系的封堵性能。采用L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，將膨潤(rùn)土、IND30、Redu1和HBA作為考慮的4個(gè)因素，以漏斗黏度、切力值和濾失量作為指標(biāo)來(lái)衡量，對(duì)強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液配方進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)綜合分析方法確定其配方如下，性能見(jiàn)表4。

1%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+0.8%IND30+1.5%Redu1+15%HBA+7%KCl+20%Weigh3+2%SIAT+2%HAS+1%HSM+1%TYRF-1+高密度重晶石粉

表4 強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液的基本性能

3 強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液體系評(píng)價(jià)

3.1 抑制性能

通過(guò)頁(yè)巖滾動(dòng)回收率和線性膨脹率實(shí)驗(yàn)，研究強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液的抑制性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率和線性膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，強(qiáng)抑制水基鉆井液的一次巖屑回收率達(dá)到98.60%，比常規(guī)高性能水基鉆井液高；8 h線性膨脹量?jī)H2.19 mm，比常規(guī)高性能水基鉆井液低。

3.2 抗污染性能

在鉆井過(guò)程中，鉆井液不可避免地會(huì)受到地層流體、劣質(zhì)土等污染，鉆井液的性能會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆井液性能惡化，影響鉆井作業(yè)的安全進(jìn)行。主要從抗鹽、膏及抗黏土污染3方面對(duì)強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液的抗污染性能進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 高性能水基鉆井液抗 NaCl能力

表7 高性能水基鉆井液抗鈉膨潤(rùn)土污染能力

從表6可以看出，強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液具有很強(qiáng)的抗鹽和抗石膏污染能力，濾失量變化小，鹽濃度達(dá)到過(guò)飽和的時(shí)候，鹽發(fā)生重結(jié)晶析出，影響泥餅質(zhì)量，濾失量有所上升；當(dāng)CaSO4加量達(dá)到2%時(shí)，鉆井液的流變性和濾失量有所上升，但仍在合理范圍內(nèi)。在鉆井過(guò)程中，為了防止鹽發(fā)生重結(jié)晶造成井下復(fù)雜，在鉆井液中添加0.2%～0.4%的鹽重結(jié)晶抑制劑NTA-2。

從表7可以看出，強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液具有良好的抑制性能，鈉膨潤(rùn)土在鉆井液中基本不水化，對(duì)鉆井液的φ6/φ3和靜切力影響很?。浑S著鈉膨潤(rùn)土加量的增加，塑性黏度和動(dòng)切力值有所上升，主要是因?yàn)榈兔芏裙滔嘣黾拥脑蛟斐傻?；在加?0%的鈉膨潤(rùn)土后，鉆井液表觀黏度和塑性黏度增加，但φ6/φ3和靜切力增加幅度不大，鉆井液性能仍能滿足鉆井作業(yè)的要求。

3.3 抗溫性能

測(cè)定強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液在不同溫度下熱滾后的性能變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8?？梢钥闯?，強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液具有良好的抗溫性能，在120 ℃以下熱滾各項(xiàng)性能基本無(wú)變化，滿足南緣安集海河組鉆井的要求。

表8 強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液在不同溫度下熱滾后的性能

3.4 沉降穩(wěn)定性

將老化后的鉆井液用高速攪拌器攪拌10 min，靜置24 h后測(cè)量上下密度差為0.02～0.03 g/cm3，老化罐中鉆井液表面無(wú)自由水，說(shuō)明強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液具有良好的沉降穩(wěn)定性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

準(zhǔn)噶爾盆地南緣瑪河氣田MN100X井四開完鉆井深2614 m。三開安集海河組專打?qū)７?，為本井的?fù)雜地層（700～2379 m），巖性為大段灰綠色泥巖，伊/蒙混層黏土含量超過(guò)30%。鉆井過(guò)程中出現(xiàn)鉆頭泥包、巖屑堵塞防溢管、鉆井液膨潤(rùn)土含量增加快，性能穩(wěn)定周期短（3～4 d性能惡化，需大型處理一次鉆井液，每次處理置換鉆井液費(fèi)用15～20萬(wàn)）等復(fù)雜情況。轉(zhuǎn)換前鉆井液配方：1%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+0.8%IND30+1.5%Redu1+7%KCl+20%Weigh3+2%SIAT+2%潤(rùn)滑劑+重晶石粉。該井在井深1200 m轉(zhuǎn)換成強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液，鉆井液性能穩(wěn)定（轉(zhuǎn)換前后鉆井液性能見(jiàn)表9），無(wú)排放，巖屑代表性好，掉塊少，中途完鉆電測(cè)和下套管等特殊作業(yè)均安全進(jìn)行。

表9 準(zhǔn)噶爾盆地南緣瑪河氣田MN100X井轉(zhuǎn)換前后的鉆井液性能

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1.安集海河組地層伊/蒙黏土含量超過(guò)30%，常規(guī)井用的高性能水基鉆井液體系不適應(yīng)該地層的安全快速鉆井。優(yōu)選了對(duì)伊/蒙混層黏土抑制性能好的抑制劑，保證一次巖屑滾動(dòng)回收率在90%以上，有效抑制了伊/蒙混層黏土的水化分散造漿，TYRF-1和HSM兩種微納米封堵劑的平均粒徑均小于泥頁(yè)巖的平均孔隙，兩者的加入能顯著降低鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量，且對(duì)鉆井液流變性能影響很小。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，形成了一套強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液體系。

2.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，強(qiáng)抑制高性能水基鉆井液能滿足準(zhǔn)噶爾盆地南緣安集海河組強(qiáng)水敏性地層安全快速鉆井的需要，鉆頭無(wú)泥包現(xiàn)象，巖屑代表性好，井眼穩(wěn)定，電測(cè)和下套管作業(yè)順利。

3.轉(zhuǎn)換體系前鉆井液抑制能力不足，膨潤(rùn)土含量增加快，鉆井液性能穩(wěn)定周期短，反復(fù)處理鉆井液，成本高昂。轉(zhuǎn)換后鉆井液抑制性能明顯增強(qiáng)，鉆井液穩(wěn)定周期長(zhǎng)，無(wú)排放，節(jié)約了鉆井液維護(hù)處理成本。

4.鉆井液中沒(méi)有添加褐色有毒的添加劑，鉆屑便于處理，環(huán)境更友好，為南緣安集海河組的安全鉆井提供了新的鉆井液技術(shù)思路。