抗高溫平衡水鉆井液體系性能研究

張海山，羅 勇，張 榮，徐博韜，向興金，舒福昌，崔應(yīng)中，王 薦

（1．中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海200030；2．中海油服油田化學(xué)研究院鉆完井液工藝研究所，河北 燕郊101149；3．長江大學(xué)，湖北 荊州434000；4．荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州434000）

平衡水鉆井液是介于水基和油基之間的一種新型鉆井液，由于其基液的獨特性質(zhì)，具有接近油基鉆井液的性能，且對環(huán)境友好，已在渤海大位移井鉆井作業(yè)中得到成功應(yīng)用。

東海低孔滲油氣田資源豐富，但大多埋藏較深、巖性較差、壓力較高。隨著大位移井、水平井作業(yè)的增多，常出現(xiàn)井壁坍塌、井徑擴(kuò)大、起下鉆困難、電測遇阻等問題［1］。特別是2012年已完成的作業(yè)，平均井深達(dá)到4800多m，井底靜止溫度均超過160℃，多口井出現(xiàn)起下鉆困難、卡鉆、電測遇阻等問題。

鑒于平衡水鉆井液體系在渤海地區(qū)的兩口大位移井應(yīng)用中表現(xiàn)出的良好抑制性、潤滑性和濾失性，為滿足東海低孔滲油氣田抗高溫、穩(wěn)定井壁和保護(hù)儲層的需要，特在原平衡水鉆井液基礎(chǔ)上研制了抗高溫平衡水鉆井液體系。

1 平衡水鉆井液的作用機(jī)理、基液特性、基本性能

1．1 作用機(jī)理

平衡水鉆井液主要是利用鍵合劑HBA分子結(jié)構(gòu)中所帶的羧基、羥基、酰胺基等多種能與水形成氫鍵的官能團(tuán)通過化學(xué)鍵合作用使水分子內(nèi)和水分子間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而成為鍵合水，與泥巖爭奪水分子，改變鉆井液中的水分子狀態(tài)，使自由水向束縛水轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)地層泥巖中的水與鉆井液中的水始終處于平衡狀態(tài)，避免泥巖水化，維持井壁的“原生態(tài)”，以解決泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定難題。

鍵合劑是一種含大量與水分子鍵合的多官能團(tuán)小分子有機(jī)化合物，該化合物通過分子內(nèi)和分子間與水分子形成氫鍵，使水分子內(nèi)和水分子間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而成為鍵合水。如圖1所示。

1．2 基液特性

1．2．1 粘度高

平衡水鉆井液的基液粘度高，能夠減緩濾液進(jìn)入頁巖的運動速度，同時還可以減少液相進(jìn)入地層的濾失量。不同基液的粘度見表1。

表1 基液的粘度Tab．1 Viscosity of based phase

圖1 鍵合劑與水的鍵合作用Fig．1 Bonding role between bonding agent and water

1．2．2 阻礙滲透水化作用

鍵合水以束縛水的形式存在因而活度低。根據(jù)活度平衡理論，其滲透壓可使頁巖孔隙中的水反向流動，這種反滲透作用使鉆完井液中的水流向頁巖的凈流量減少，導(dǎo)致頁巖水化降低及毛細(xì)管壓力上升緩慢，有利于井壁穩(wěn)定。

飽和氯化鈉溶液電導(dǎo)率的變化情況見圖2。

圖2 飽和氯化鈉溶液電導(dǎo)率的變化情況Fig．2 The conductivity change of saturated sodium chloride solution

由圖2可看出，清水中飽和氯化鈉溶液的電導(dǎo)率下降幅度最大，說明水分子從清水中遷移到氯化鈉溶液中導(dǎo)致電導(dǎo)率下降；5∶5鍵合水中的飽和氯化鈉溶液水分子未發(fā)生遷移，說明鍵合水可阻止頁巖的滲透水化。

1．2．3 界面張力低

鍵合水具有較低的界面張力，有利于液相返排，降低油流阻力，提高儲層保護(hù)能力?；旱慕缑鎻埩σ姳?。

1．2．4 潤滑作用

由于鍵合水含有很多強(qiáng)親水基團(tuán)，具有一定的表面活性和潤滑能力，可提高鉆井液的潤滑性，也有利于降低泥巖鉆屑的粘聚力，防止泥包?；旱臐櫥阅軈?shù)見表3。

表2 基液的界面張力／mN·m－1Tab．2Interfacial tension of based phase／mN·m－1

表3 基液的潤滑性能參數(shù)Tab．3 The lubricity performance parameters of based phase

1．3 基本性能

平衡水鉆井液體系的基本配方為：基液（海水∶鍵合劑HBA＝7∶3）＋2%土漿＋0．2%NaOH＋0．2%LV－PAC＋0．2%包被劑PF－PLH＋2%～5%隨鉆封堵材料＋0．2%～0．3%XC（密度1．15g·cm－3）。

平衡水鉆井液體系在渤海地區(qū)的BZ34－1D7井、BZ34－1D9h井兩口大位移井的現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，體系性能穩(wěn)定，現(xiàn)場易于維護(hù)，潤滑性能良好，鉆進(jìn)時扭矩穩(wěn)定，上提懸重從174klb下降至165klb、下放懸重從149klb增加至155klb、扭矩從7000～13 000ftlb下降至3000～9000ftlb。而以往鉆井液體系在大斜度井應(yīng)用過程中從未出現(xiàn)過下放過程中懸重增加的現(xiàn)象。

此外，平衡水鉆井液體系也表現(xiàn)出了良好的抑制性能，返出鉆屑沒有出現(xiàn)粘結(jié)的現(xiàn)象，明顯優(yōu)于以往所使用鉆井液。現(xiàn)場配漿過程中基本未加降濾失劑，其API濾失量僅為2．2mL，后保持在1～1．5mL左右，泥餅薄而韌且滑，質(zhì)量很好。

2 抗高溫平衡水鉆井液體系的性能評價

2．1 基本配方及基本性能

由于東海低孔滲油氣田后期開發(fā)面臨的高溫問題，前期使用的平衡水鉆井液不能滿足其鉆井需要，需要引入抗高溫材料。針對高溫高壓濾失控制引入一種抗高溫合成聚合物降濾失劑HFL－T，與常規(guī)磺化降濾失劑PF－SMP－2和PF－TEMP配合可有效控制體系的高溫高壓濾失量，總加量只有6%；另外為增強(qiáng)硬脆性泥巖地層的井壁失穩(wěn)，引入了瀝青類隨鉆封堵材料PF－DYFT－Ⅱ和樹脂類封堵材料溫壓成膜劑PF－HCM［2］，通過其封堵和固壁作用來預(yù)防和減輕剝落掉塊，減輕液相侵害，這兩種材料已在油田現(xiàn)場成功應(yīng)用。

通過室內(nèi)大量實驗評價及優(yōu)選，最終獲得抗高溫平衡水鉆井液體系的基本配方為：基液（3%海水土漿∶鍵合劑 HBA＝7∶3）＋0．15%Na2CO3＋0．2%NaOH＋3%降濾失劑 HFL－T＋2%降濾失劑PFSMP－2＋2%降濾失劑PF－TEMP＋1．5%溫壓成膜劑PF－HCM＋2%隨鉆封堵劑PF－DYFT－Ⅱ＋5%KCl，重晶石加重至1．3g·cm－3。

該配方簡單，降濾失劑材料相對較少，有利于現(xiàn)場配制和使用。其基本性能參數(shù)見表4。

表4 抗高溫平衡水鉆井液體系的基本性能參數(shù)Tab．4 The fundamental performance parameters of high temperature－resistant balance－water drilling fluid

由表4可看出，抗高溫平衡水鉆井液體系180℃高溫老化后，具有良好的流變性和濾失性。

2．2 抗污染性能

以露頭土粉代替現(xiàn)場鉆屑進(jìn)行了抗鉆屑污染評價。此外，因為不同油田區(qū)塊地層水礦化物和水型有所區(qū)別，所以考察了抗高溫平衡水鉆井液體系的抗無機(jī)鹽污染性能，以了解各類鹽侵污條件下平衡水體系的性能變化情況，結(jié)果見表5。

表5 抗高溫平衡水鉆井液抗露頭土粉污染、抗無機(jī)鹽污染性能Tab．5 Resistance to outcrop cuttings and inorganic salts of high temperature－resistant balance－water drilling fluid

由表5可知，抗高溫平衡水鉆井液體系具有良好的抗鉆屑污染和抗無機(jī)鹽污染的能力。

2．3 抑制性能

使用實驗室通用的一級膨潤土作為評價對象，評價了抗高溫平衡水鉆井液體系對粘土水化膨脹的抑制性能，結(jié)果見表6。

表6 抗高溫平衡水鉆井液體系的抑制性能Tab．6 Inhibition performance of high temperature－resistant balance－water drilling fluid

由表6可知，抗高溫平衡水鉆井液體系能顯著降低粘土的水化膨脹率，具有良好的抑制性能。

2．4 儲層保護(hù)性能

室內(nèi)對抗高溫平衡水鉆井液體系的儲層保護(hù)性能進(jìn)行了相關(guān)評價，結(jié)果見表7。

由表7可知，巖心的滲透率恢復(fù)值均在90%以上，說明研制的抗高溫平衡水鉆井液體系對于低孔滲儲層具有良好的儲層保護(hù)性能。

3 結(jié)論

表7 抗高溫平衡水鉆井液體系的儲層保護(hù)性能Tab．7 Reservoir protection performance of high temperatureresistant balance－water drilling fluid

（1）平衡水鉆井液體系是一種新型鉆井液體系，基液具有粘度高、潤滑性好、抑制性強(qiáng)、界面張力低等諸多特性，在減少濾液侵入、降低摩阻和扭矩、預(yù)防頁巖水化、穩(wěn)定井壁、預(yù)防水鎖等方面具有優(yōu)勢。

（2）平衡水鉆井液體系已在渤海大位移井鉆井中表現(xiàn)出了良好的抑制性和潤滑性，但是實際使用溫度不高，限制了其推廣應(yīng)用。

（3）抗高溫平衡水鉆井液體系在180℃高溫下性能穩(wěn)定，抗鉆屑污染和抗無機(jī)鹽污染能力強(qiáng)，封堵效果好，巖心污染滲透率恢復(fù)值高，具有良好的綜合性能。

［1］張海山．東海地區(qū)低孔低滲儲層低自由水鉆井液體系研究與應(yīng)用［J］．中國海上油氣，2013，25（2）：71－73．

［2］徐博韜，向興金，舒福昌，等．鉆井液用成膜封堵劑 HCM的性能評價及現(xiàn)場應(yīng)用［J］．化學(xué)與生物工程，2012，29（9）：72－74．