BZ29-4S油田軟泥頁巖鉆井液技術研究

胡友林 （長江大學石油工程學院，湖北 荊州434023）

岳前升 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

劉書杰 （中海油研究總院，北京100027）

陳 良 （中海油服油化事業(yè)部，北京101149）

BZ29-4S油田軟泥頁巖鉆井液技術研究

胡友林 （長江大學石油工程學院，湖北 荊州434023）

岳前升 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

劉書杰 （中海油研究總院，北京100027）

陳 良 （中海油服油化事業(yè)部，北京101149）

針對BZ29-4S油田預探井和評價井軟泥頁巖地層鉆井過程中起下鉆不暢、起泥球現(xiàn)象嚴重、機械鉆速低、鉆井液流變性難以調(diào)控以及維護困難的問題，通過抑制作用機理分析，優(yōu)選了NaCl作為該油田軟泥頁巖鉆井液的抑制劑；根據(jù)泥球形成條件和形成機理，研制了一種不影響鉆井液性能的防泥球劑。通過抑制劑和防泥球劑加量優(yōu)選，構建了適用于BZ29-4S油田軟泥頁巖地層的鉆井液體系?，F(xiàn)場應用表明，該鉆井液體系能夠有效防止鉆屑形成泥球，縮短了起下鉆時間，降低了倒劃眼難度，提高了機械鉆速。

鉆井液；軟泥頁巖；抑制性；泥球；BZ29-4S油田

BZ29-4S油田位于渤海南部海域黃河口凹陷中，是渤海海域油氣富集最有利地區(qū)之一。BZ29-4S油田自上而下鉆遇依次為第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組。新近系明下段為油田的主力含油層段，BZ29-4S油田從明化鎮(zhèn)組下段至館陶組將鉆遇大段泥頁巖地層，上部主要為紅褐色泥巖與淺灰色粉砂巖及細砂巖不等厚互層，中部為大段灰褐色泥巖，下部為淺灰色粉砂巖及細砂巖與綠灰色泥巖不等厚互層。X射線衍射分析結果表明，該段地層黏土礦物含量很高，黏土礦物以蒙脫石、伊－蒙混層為主，其次為高嶺石和綠泥石，另有少量伊利石。

1 BZ29-4S油田已鉆井作業(yè)情況

BZ29-4S油田已鉆2口預探井和3口評價井。分析BZ29-4S油田已鉆5口井的資料，該油田的主要問題集中在明化鎮(zhèn)組的活性軟泥頁巖上。在前期5口井的施工作業(yè)中使用的有機正電膠鉆井液 （PEC）存在的主要問題為：起泥球嚴重、機械鉆速低、憋鉆具、起下鉆不暢，且鉆井液的流變性難以調(diào)控和維護困難。后期鉆井過程中在鉆井液中加入了KCl，起泥球程度明顯下降，但加劇了起下鉆不暢程度，且倒劃眼十分困難。

2 BZ29-4S油田活性軟泥頁巖鉆井液需解決的問題

目前，在鉆活性軟泥巖地層時，常用的鉆井液體系有多聚物復合鹽欠飽和鉆井液、ULTRADRILTM水基鉆井液、飽和鹽水鉆井液、鋁鹽聚合醇鉆井液、硅酸鹽欠飽和鹽水鉆井液、正電膠聚合物鉆井液、陽離子鉆井液等，但70%以上用的是欠飽和／飽和鹽水鉆井液［1］。

BZ29-4S油田活性軟泥巖地層鉆井作業(yè)的鉆井液必須解決以下問題：①沖蝕－蠕變平衡。鉆井液的黏度和動切力相對較低，以利于現(xiàn)場采用大排量鉆井液鉆進，增大鉆井液對井壁的沖蝕，并使井徑擴大率的速率與蠕變縮徑的速率基本保持在一個動態(tài)平衡狀態(tài)。②分散－抑制平衡。BZ29-4S油田活性活性軟泥巖地層鉆井作業(yè)的鉆井液應具有很強的抑制性，能有效抑制鉆屑和井壁泥巖水化、分散、膨脹。③軟抑制。傳統(tǒng)KCl抑制劑并不適用于抑制BZ29-4S油田活性軟泥巖地層，BZ29-4S油田活性軟泥頁巖地層巖樣具有較高的陽離子交換容量，會造成近井壁地帶硬化 （硬抑制），這一方面給起下鉆帶來一系列問題，另一方面又會加劇鉆井液中固、液相侵入地層，進一步加劇地層水化膨脹、失穩(wěn)。采用軟抑制，通過加入NaCl產(chǎn)生化學勢梯度，阻止水進入泥頁巖顆粒而抑制黏土水化膨脹，在鉆井液體系中加入一定量的NaCl降低鉆井液的活度，降低壓力傳遞效應，從而提高井壁穩(wěn)定性。④抑制鉆屑形成泥球。當鉆遇大段活性軟泥頁巖段時，鉆井過程中鉆屑會形成大量的泥球，影響正常鉆進，鉆井液中必須添加處理劑，有效防止鉆屑形成泥球。⑤無黏土相鉆井液體系。為了減少黏土對抑制劑、包被劑的消耗，減少鉆井液性能維護時鉆井液的黏度和切力上升對分散劑的依賴性，減少鉆井液對儲層造成的傷害［2］，同時鉆井液體系中黏土含量影響鉆屑形成泥球，鉆井液中黏土含量越大，形成泥球現(xiàn)象越嚴重［3］。

3 BZ29-4S油田活性軟泥頁巖鉆井液體系

3.1 抑制劑作用機理及加量優(yōu)選

圖1 鉆井液表觀黏度與NaCl、KCl質量的關系曲線

首先配制基液A，其組成為：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS （部分水解聚丙烯酸鹽）＋20g FLO （改性淀粉）＋10g SMP（磺甲基酚醛樹脂）＋15g LUBE（潤滑劑）＋15g TEX （低熒光磺化瀝青），然后在1L基液A中分別加入10、20、30、40、50g的 NaCl和 KCl，再加入80g的BZ29-4S-1井明化鎮(zhèn)組下段泥巖鉆屑 （烘干粉碎過100目篩），以下簡稱鉆屑粉。在80℃條件下熱滾16h后測其表觀黏度，結果見圖1。

由圖1可見，加入不同質量的NaCl和KCl能夠有效抑制BZ29-4S-1井明化鎮(zhèn)組下段活性軟泥巖鉆屑造漿。盡管在較低濃度條件下Na＋的抑制性不如K＋的強，然而隨著加量的增加，其抑制能力相當，每升基液中加入50g的NaCl和KCl后鉆井液的表觀黏度基本相當。BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層黏土礦物含量高，且黏土礦物以蒙脫石、伊－蒙混層為主，BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層巖樣具有較高的陽離子交換容量。加入KCl能提高鉆井液的抑制性，但由于BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層存在大段的活性軟泥巖，在近井壁地帶由于K＋的交換而硬化，一方面影響了起下鉆 （如渤中25-1南油田一期工程和BZ34-1油田鉆進過程中起下鉆不暢，且倒劃眼十分困難），另一方面加劇了孔隙壓力傳遞作用以及濾液的侵入，同時水化離子的局部濃集會增加黏土顆粒界面間的短程斥力，從而造成水化膨脹壓升高，不利于井壁穩(wěn)定［4］。NaCl抑制泥頁巖分散作用機理不同于KCl，NaCl主要是通過阻止水進入泥頁巖顆粒而起作用，不是通過與泥頁巖中的黏土發(fā)生離子交換而起作用。使用NaCl抑制活性泥頁巖在某種程度上解決了由于K＋的鑲嵌作用，陽離子交換的地層會變硬等問題［5］。

通過以上研究，選用NaCl作為BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層大段的活性軟泥巖抑制劑。在每升基液中分別加入30、50、80g NaCl，再加入80g鉆屑粉，在80℃條件下熱滾16h后測其流變性。加有50～80g NaCl的鉆井液其表觀黏度和動切力變化相對較小，能有效抑制BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層大段的活性軟泥巖水化分散，結果如表1所示。

表1 每升基液中的不同NaCl質量對應的鉆井液的性能

3.2 泥球形成機理及防泥球劑研制

3.2.1 泥球形成機理

前期5口井在鉆進過程中起泥球現(xiàn)象嚴重，泥球將使井下環(huán)空間隙變窄，起下鉆不暢，劃眼困難；同時，泥球還堵塞井口及出口管匯，造成大量鉆井液溢出，污染鉆井平臺，惡化作業(yè)環(huán)境。鉆屑形成泥球的條件主要有：①鉆遇活性軟泥頁巖地層。活性軟泥巖地層是BZ29-4S油田鉆屑形成泥球的主要物質來源。②鉆屑黏土發(fā)生水化。BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層黏土礦物含量高，且黏土礦物以蒙脫石、伊／蒙混層為主，鉆屑黏土易發(fā)生水化。③鉆屑的表面特征與表面親水性質。經(jīng)機械破碎后的鉆屑顆粒表面有Si—OH、Si—O—Si、Si—O—和Al—OH官能團，這些官能團與水分子形成氫鍵聯(lián)結產(chǎn)生水化作用，同時具有化學反應活性，能夠與鉆井液中的某些處理劑作用形成新的親水或者疏水點。如在前期5口井鉆進過程中使用抑制能力較強的有機正電膠鉆井液 （PEC）均存在起泥球現(xiàn)象嚴重的問題，后期鉆井過程中在鉆井液中添加了KCl，在一定程度上防止了泥球的形成，但效果不明顯，其主要原因是K＋并不能使鉆屑的表面性質發(fā)生質的變化，無法從根本上改變鉆屑表面的水化作用。④較差的井眼凈化能力。⑤較高的鉆井液黏度和切力。⑥存在鉆屑顆粒相互吸引的電化學環(huán)境［6］。在鉆井液體系中，由于含有多種有機和無機處理劑，電化學環(huán)境非常復雜，高分子鏈及無機鹽影響鉆屑表面的電動電位和水化膜厚度，改變了鉆屑表面特性，為鉆屑顆粒之間相互黏結創(chuàng)造了條件［6］。同時破碎后的鉆屑表面積增加，表面能量劇增，為降低體系能量，鉆屑會自動吸附黏結在一起形成泥球［7］。

3.2.2 防泥球劑的研制及機理分析

單純通過添加鹽類抑制泥球的形成是不科學的。只有通過改變BZ29-4S油田鉆屑表面性質，抑制鉆屑相互黏結成球，才能從根本上解決泥球形成的問題。通過大量試驗，研制了一種具有快速吸附作用的防泥球劑——FNQ。FNQ的分子結構帶有一定正電荷的強吸附基團，能在鉆屑表面快速吸附，同時FNQ具有較長的烴基側鏈，能在FNQ吸附到鉆屑后，使鉆屑的表面潤濕性由強親水向弱親水方向轉變，從而改變了鉆屑表面的性質，阻止了鉆屑相互黏結［8］。

3.2.3 防泥球劑FNQ性能評價

1）試驗裝置 常規(guī)熱滾爐及老化罐在滾動過程中速度慢、轉動半徑小，巖樣總是處于底部，巖樣顆粒之間相互碰撞的機會較少，不容易生成泥球。試驗采用了能有效模擬泥球生成的翻轉加熱爐及相應的老化罐。與常規(guī)熱滾爐相比，翻轉加熱爐的優(yōu)點在于翻轉加熱爐中老化罐沿徑向360°翻轉 （常規(guī)熱滾爐中老化罐是軸向轉動），巖樣在老化罐中可以上下翻轉，增加了巖樣顆粒之間相互碰撞、黏結的機會，與現(xiàn)場鉆井過程中井下鉆屑的運動狀態(tài)非常相似。

2）FNQ對鉆井液性能的影響 在鉆井液體系中分別加入不同質量的FNQ，研究FNQ對鉆井液性能及防泥球的影響。鉆井液配方為：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS＋20g FLO＋10g SMP＋15g LUBE＋15g TEX＋50g NaCl，在該鉆井液中加入80g鉆屑粉，配制成基液B。在每升基液B中分別加入5、10、15、20g的FNQ，測試其在80℃條件下熱滾16h后的性能，結果見表2。由表2可以看出，加入不同質量的FNQ后，鉆井液體系的表觀黏度、濾失量變化不大，濾餅的黏滯因數(shù)逐漸降低。FNQ對鉆井液體系的流變性能、濾失量均無不良影響，且在一定程度上提高了鉆井液的潤滑性能。

表2 每升鉆井液中不同F(xiàn)NQ質量對應的鉆井液性能

3）FNQ防止泥球效果評價 在鉆井液體系中分別加入不同質量的FNQ，研究其防泥球的效果。根據(jù)配方配制好鉆井液，并在1L鉆井液中分別加入不同質量的FNQ和150g的BZ29-4S-1井明化鎮(zhèn)組下段泥巖鉆屑 （過6～10目篩），80℃條件下熱滾16h后觀察是否有泥球形成，結果見表3。隨著FNQ質量的不斷增大，鉆井液抑制泥球形成的效果逐漸增強，當每升鉆井液中加入15g FNQ時，鉆井液中無泥球形成，F(xiàn)NQ吸附在鉆屑表面后，改變了鉆屑表面性質，阻止了鉆屑之間的相互黏結。推薦每升鉆井液加入15～20g FNQ。

表3 防泥球的試驗結果

4 現(xiàn)場應用

通過大量室內(nèi)試驗，研究了BZ29-4S油田活性軟泥巖鉆井液體系，其配方為：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS＋20g FLO＋10g SMP＋15g LUBE＋15g TEX＋50g NaCl＋15g FNQ。研制的鉆井液體系在BZ29-4S油田成功應用，該體系明顯改善了一期作業(yè)中存在起泥球嚴重，機械鉆速慢、憋泵、起下鉆不暢等問題，有效抑制了泥球的形成，縮短了起下鉆時間，降低了倒劃眼難度，提高了機械鉆速。

5 結 論

1）通過抑制劑作用機理分析及加量優(yōu)選試驗，每升鉆井液中加入5～8g NaCl作為BZ29-4S油田明化鎮(zhèn)組地層大段的活性軟泥巖抑制劑。

2）通過改變BZ29-4S油田鉆屑表面性質，才能從根本上防止BZ29-4S油田鉆屑形成泥球。根據(jù)改變鉆屑表面性質這一技術思路，研制了一種不影響鉆井液性能并具有較強防泥球能力的防泥球劑。

3）通過大量室內(nèi)試驗，研制出了BZ29-4S油田活性軟泥巖鉆井液體系，其配方為：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS＋20g FLO＋10g SMP＋15g LUBE＋15g TEX＋50g NaCl＋15g FNQ?，F(xiàn)場應用表明，該體系有效抑制了泥球的形成，縮短了起下鉆時間，降低了倒劃眼起鉆難度，提高了機械鉆速。

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［2］梁文利，趙林.適合海洋鉆井無土相強抑制性鉆井液體系的研究 ［J］.海洋石油，2008，28（1）：88～92.

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［4］張巖，吳彬，向興金，等.BZ25-1油田軟泥頁巖井壁穩(wěn)定機理及其應用 ［J］.鉆井液與完井液，2009，26（3）：20～22.

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Research on the Soft Shale Drilling Fluid in BZ29-4SOilfield

HU You-lin，YUE Qian-sheng，LIU Shu-jie，CHEN Liang（First Author’s Address：College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

Aiming at the pipe trip blocking，the serious phenomena of mud ball forming，low penetration rate，the difficulty in regulating and maintaining rheological properties of drilling fluid encountered in wildcat and evaluation wells of BZ29-4SOilfield during drilling in the soft shale formation，NaCl was optimized as the inhibitor for the soft shale formation in BZ29-4SOilfield，through the analysis of inhibition mechanism.According to the condition and mechanism of mud ball forming，a anti-mud ball agent which would be affect the performance of drilling fluid was developed.According to the optimization of dosage amount of inhibitor and anti-mud ball agent，the drilling fluid suitable for the soft shale formation in BZ29-4SOilfield is established.Field application shows that the drilling fluid can avoid mud ball forming，decrease the time of pipe tripping，reduce the difficulty of back reaming，raises the penetration rate.

drilling fluid；soft shale；inhibitory；mud ball；BZ29-4SOilfield

TE254.3

A

1000-9752（2012）10-0094-04

2012-05-20

胡友林 （1978-），男，2002年江漢石油學院畢業(yè)，碩士，講師，現(xiàn)主要從事鉆井液與完井液的教學與科研工作。

［編輯］ 蕭 雨