無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系研究

高杰松，李戰(zhàn)偉，郭曉軍，閆運(yùn)亮

(1.中國石油錦州石化公司研究院，遼寧 錦州 121001；2.中國石油冀東油田勘探開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目部鉆井科，河北 唐海 063200；3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北 燕郊 101149；4.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部塘沽基地，天津 塘沽 300452)

水平井是近年來為提高油田采收率和勘探效果發(fā)展起來的鉆井工藝，能有效增加油層的泄油面積，提高油井產(chǎn)能，在鉆井過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。水平井鉆井液不僅要具有良好的抑制能力，還必須具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)攜砂能力以及優(yōu)異的儲(chǔ)層保護(hù)特性。

無粘土相甲基葡萄糖苷鉆井液體系是近年來興起的一種新型水基鉆井液體系，是以一定比例的甲基葡萄糖苷和水混合作為基液，然后加入流型調(diào)節(jié)劑構(gòu)建而成。該體系成分簡單，具有與油基鉆井液相似的性能，可有效抑制頁巖水化，成功維持井眼穩(wěn)定，還具有良好的潤滑性、抗污染能力以及儲(chǔ)層保護(hù)特性，且無毒、易生物降解、環(huán)境污染小，具有極好的應(yīng)用前景。作者在此構(gòu)建了無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 甲基葡萄糖苷在鉆井液中的作用機(jī)理

甲基葡萄糖苷一般由淀粉在一定溫度下催化降解為葡萄糖，然后與甲醇反應(yīng)并經(jīng)分離、提純獲得，具有含4個(gè)羥基基團(tuán)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于原料來源廣、價(jià)格低廉，其成本相對(duì)較低。

研究表明，將一定量的甲基葡萄糖苷加入到水基鉆井液中，會(huì)明顯改善水基鉆井液的性能。例如，加入3%以上的甲基葡萄糖苷可以增大鉆井液的屈服值和凝膠強(qiáng)度，從而提高鉆井液的攜巖能力；加入15%以上的甲基葡萄糖苷則會(huì)減小鉆井液的摩擦系數(shù)，提高鉆井液的潤滑性；加入35%以上的甲基葡萄糖苷不僅可以有效地降低鉆井液的水活度，而且可以形成理想的半透膜，阻止與鉆井液接觸的頁巖水化和膨脹，有效地維持井眼的穩(wěn)定。

無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的作用機(jī)理主要為[1～3]：

(1)甲基葡萄糖苷分子通過親水性羥基吸附在井壁和巖屑上形成半透膜，提高頁巖的膜效率，利用其有效滲透力的增加以抵抗水力和化學(xué)力的作用所導(dǎo)致的頁巖吸水，從而抑制頁巖水化、孔隙壓力的增加和頁巖強(qiáng)度的削弱，進(jìn)而穩(wěn)定井壁。

(2)甲基葡萄糖苷基液能配制出濾失性能優(yōu)良的鉆井液，能很快形成低滲透、致密的濾餅，具有良好的膜效率，從而有效地控制固相和濾液浸入引起的儲(chǔ)層傷害。

(3)甲基葡萄糖苷可以降低濾液的化學(xué)活性，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥頁巖膨脹壓的控制，阻止水分子向泥頁巖中滲透。

(4)通過加入一定量的流型調(diào)節(jié)劑，能顯著提高鉆井液的低剪切速率粘度，從而有效提高鉆井液的動(dòng)、靜態(tài)攜砂能力。

(5)濃度為80%的甲基葡萄糖苷溶液的LC50值高于500×10-3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了美國環(huán)保局(EPA)所規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。具有極好的環(huán)境保護(hù)特性。

2 無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的確定

2.1 鉆井液體系基本配方及其流變性能

在大量室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，以合成的甲基葡萄糖苷為基液，優(yōu)選保護(hù)儲(chǔ)層和環(huán)境的無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的基本配方如下：

甲基葡萄糖苷基液∶海水(4∶6)+0.5%流型調(diào)節(jié)劑VIS+0.2% Na2CO3+1%降濾失劑HFL+0.1%抗氧化劑，用CaCO3將體系密度調(diào)整到1.15 g·cm-3。

無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的流變性能見表1。

表1 鉆井液體系基本性能

從表1可以看出，該體系具有優(yōu)良的流變性能和降濾失性能。即使沒有加入降濾失劑，濾失量依舊很小。作為衡量鉆井液動(dòng)、靜態(tài)攜砂能力的重要指標(biāo)，其低剪切速率粘度達(dá)到44 133 mPa·s，能很好地滿足水平井鉆井液的動(dòng)、靜態(tài)攜砂要求。

2.2 流型調(diào)節(jié)劑VIS加量的確定

采用上述基本配方，考察流型調(diào)節(jié)劑VIS加量對(duì)鉆井液體系流變性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 流型調(diào)節(jié)劑加量對(duì)鉆井液體系流變性能的影響

從表2可以看出，流型調(diào)節(jié)劑VIS加量對(duì)鉆井液體系的性能影響很大，隨著VIS加量的增加，體系的動(dòng)切力、低剪切速率粘度大幅增加，濾失量有所下降。當(dāng)流型調(diào)節(jié)劑VIS加量為0.5%時(shí)，鉆井液體系具有良好的流變性能，低剪切速率達(dá)到44 133 mPa·s，濾失量僅為2.4 mL。因此，確定鉆井液體系流型調(diào)節(jié)劑VIS加量為0.5%。

3 無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的性能評(píng)價(jià)

3.1 抗溫性評(píng)價(jià)

考慮到甲基葡萄糖苷為淀粉改性產(chǎn)品，自身抗溫性能不強(qiáng)，因此該無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系主要適用于低溫地層，室內(nèi)研究抗溫性評(píng)價(jià)測定范圍為40～80 ℃、老化時(shí)間為16 h，結(jié)果見表3。

表3 鉆井液體系抗溫性能

從表3可以看出，該體系具有一定的抗溫能力，在80 ℃以內(nèi)其流變性能和降濾失性能基本不變。

3.2 抗污染能力評(píng)價(jià)

室內(nèi)研究了無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的抗污染能力，評(píng)價(jià)包括抗NaCl污染、抗CaCl2污染、抗MgCl2污染以及抗劣質(zhì)土污染等。結(jié)果見表4。

表4 鉆井液體系抗污染能力評(píng)價(jià)

從表4可以看出，無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系具有非常優(yōu)良的抗污染能力，幾種污染介質(zhì)對(duì)體系的流變性能幾乎沒有影響，僅僅在抗無機(jī)鹽污染時(shí)濾失量有所增加。

3.3 抑制性評(píng)價(jià)

選用露頭巖樣作為實(shí)驗(yàn)巖屑、老化條件為60 ℃×16 h，采用熱滾回收率評(píng)價(jià)方法，考察無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的抑制性能，并和海洋鉆井常用的KCl/聚合物鉆井液體系、聚合醇鉆井液體系以及無粘土相水平井弱凝膠鉆井液體系進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：露頭巖樣粘土礦物含量為30.64%，其中I、I/S的相對(duì)含量為27%、73%，未檢出S、K、C，混層比為85%；無粘土相甲基葡萄糖苷鉆井液體系、聚合醇鉆井液體系、KCl/聚合物鉆井液體系、水平井弱凝膠鉆井液體系的流動(dòng)回收率分別為92.3%、86.3%、81.7%、90.5%，其中無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的抑制性能最好。

3.4 潤滑性能評(píng)價(jià)

采用E-P極壓值和泥餅粘附系數(shù)評(píng)價(jià)方法，考察無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的潤滑性能。室內(nèi)研究結(jié)果表明，無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系具有良好的潤滑性能，其泥餅粘附系數(shù)為0.0524、E-P極壓值為9-11。

3.5 儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)

按照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》，分別采用靜態(tài)污染方法以及動(dòng)態(tài)污染方法對(duì)無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能進(jìn)行了測試。其中動(dòng)態(tài)污染試驗(yàn)采用JHDS高溫高壓動(dòng)失水儀在壓差3.0 MPa、溫度80 ℃、速梯300s的條件下污染125 min進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)巖心采用人造巖心。巖心的基本物性參數(shù)及儲(chǔ)層保護(hù)性能見表5。

表5 巖樣的基本物性參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，優(yōu)選的無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系表現(xiàn)出非常優(yōu)良的儲(chǔ)層保護(hù)的能力，4塊巖心的滲透率恢復(fù)值平均達(dá)到98%。

4 結(jié)論

(1)確定無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系配方為：甲基葡萄糖苷基液∶海水(4∶6)+0.2%Na2CO3+0.5%流型調(diào)節(jié)劑VIS+1%降濾失劑HFL+0.1%抗氧化劑，用CaCO3將體系密度調(diào)整到1.15 g·cm-3。該體系具有良好的流變性能和動(dòng)、靜態(tài)攜砂能力，低剪切速率粘度達(dá)到44 133 mPa·s，現(xiàn)場易于維護(hù)。

(2)無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系具有一定的抗溫能力，優(yōu)異的抑制能力、潤滑能力、抗污染能力以及儲(chǔ)層保護(hù)能力。

[1] Headiey J A，Walker T O，Jenkins R M.Environmental safe water-based drilling fluid to oil-based muds for shale stablization[J].SPE/IADC 29404，1995.

[2] Simpson J P，Walker T O，Jiang G Z.Environmental acceptable water-based mud can prevent shale hydration and maintain borehole stability[J].SPE Drilling and Completion，1995：242-249.

[3] 劉嶺，高錦屏，郭東容.甲基葡萄糖苷及其鉆井液[J].石油鉆探技術(shù)，1999，27(1)：49-51.