聚胺仿油基鉆井液在川西長(zhǎng)水平井段中的應(yīng)用

陳智暉 蘭 林 楊文靜 夏海英

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院）

川西地區(qū)氣藏開發(fā)面臨越來(lái)越多的低品位儲(chǔ)層，這些儲(chǔ)層在區(qū)域和層位上均具有較大差異，開發(fā)難度大，采用常規(guī)定向井開采，氣藏開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益差、單層壓裂后廢棄壓力高、氣藏采收率較低。為此，川西地區(qū)開始采用“水平井鉆井＋分段壓裂改造”技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。但在水平井，特別是水平段長(zhǎng)度超過(guò)1 000m的水平井鉆井中極易出現(xiàn)井眼摩阻高、井壁穩(wěn)定性差和巖屑床等問(wèn)題，已成為影響鉆井安全和周期的關(guān)鍵因素。針對(duì)這些難題，研究出了針對(duì)川西地區(qū)長(zhǎng)水平井段鉆井的抑制性強(qiáng)、摩阻低的聚胺仿油基鉆井液，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 長(zhǎng)水平井段鉆井對(duì)鉆井液性能需求分析

川西中淺層水平井具有目的層埋深淺、水平段長(zhǎng)、位垂比大的特點(diǎn)（表1），施工中存在：

（1）水平段長(zhǎng)、井眼軌跡復(fù)雜，易阻卡；

（2）長(zhǎng)裸眼、大斜度、大井徑井段井眼清潔困難；

（3）水平段砂巖和泥巖互層，易發(fā)生井壁失穩(wěn)和摩阻增大等問(wèn)題。

表1 川西中淺層水平井基本情況Table 1 Basic situation of shallow horizontal wells in western Sichuan

針對(duì)中淺層水平井中存在的難點(diǎn)和問(wèn)題，鉆井液應(yīng)具有：

（1）良好的潤(rùn)滑性能，水平井段控制摩阻系數(shù)在0.1以下；

（2）良好的動(dòng)塑比，體系的動(dòng)切力和終切保持在適當(dāng)?shù)姆秶?，能夠懸浮住巖屑，維持井眼清潔；

（3）良好的封堵性能和抑制能力，能夠在鉆遇砂巖夾泥巖或大段泥巖的情況下，保證井壁的穩(wěn)定性。

2 聚胺仿油基鉆井液研究

2.1 主要處理劑特點(diǎn)

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，聚胺是一種具有強(qiáng)抑制性的低相對(duì)分子質(zhì)量陽(yáng)離子聚合物。其抑制性作用機(jī)理為：聚胺分子在水中解離形成NH＋4，進(jìn)入粘土層間，置換水化陽(yáng)離子并與硅氧烷基形成氫鍵結(jié)合，降低層間距，減弱粘土水化；同時(shí)，聚胺分子鏈上的疏水部分覆蓋在黏土表面，阻止水分子進(jìn)入，進(jìn)一步抑制粘土水化［1］。

仿油基處理劑MEG（甲基葡萄糖甙）是一種聚糖類高分子物質(zhì)的單體衍生物，為環(huán)式單體。MEG分子鏈上含有4個(gè)強(qiáng)親水羥基基團(tuán)和一個(gè)弱親油甲氧基基團(tuán)，這種結(jié)構(gòu)使其能夠在井壁上形成一層類似油包水泥漿的吸附膜，把巖石中的水和鉆井液中的水分隔開來(lái)。這種分子特性使得MEG在鉆井液中具有：

（1）抑制作用；

（2）封堵、潤(rùn)滑作用；

（3）去水化作用；

（4）降濾失作用。

聚胺仿油基鉆井液是以聚胺和仿油基處理劑MEG為主要處理劑的鉆井液體系。這種組合方式結(jié)合了兩種處理劑的優(yōu)點(diǎn)，既保證了體系具有較強(qiáng)的抑制性又兼具了高潤(rùn)滑性和良好的降濾失性，能夠滿足川西長(zhǎng)水平井段的鉆井施工需求。

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 聚胺性能評(píng)價(jià)

目前，聚胺種類繁多、性能差異較大，選擇常用的聚胺產(chǎn)品進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。從表2和表3評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可以看出：聚胺處理劑的抑制性能均大大優(yōu)于KCl溶液；聚胺①在抑制性方面優(yōu)于其他聚胺處理劑，起泡率略為偏高，但其在鉆井液中加量相對(duì)較小，對(duì)鉆井液起泡性能影響不大。綜合考慮，選擇聚胺①為聚胺仿油基鉆井液所有抑制劑。

表2 聚胺抑制劑泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收性能評(píng)價(jià)Table 2 Shale scroll recycling performance evaluation of polyamine

表3 聚胺抑制劑起泡性能評(píng)價(jià)Table 3 Blistering performance evaluation of polyamine

對(duì)優(yōu)選的聚胺①進(jìn)行加量與抑制性變化關(guān)系評(píng)價(jià)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1）可以看出，聚胺的加入能大大提高液體的抑制性能，并隨加量的增加抑制性呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

2.2.2 MEG性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）表明，當(dāng)w（MEG）＜15%，MEG溶液抑制性能較差；而當(dāng)w（MEG）≥15%，MEG溶液抑制性突然大大提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外報(bào)道中對(duì)MEG作為抑制劑的加量推薦值趨勢(shì)一致。從MEG處理劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，其強(qiáng)抑制性主要是通過(guò)覆蓋井壁，親油基阻隔水分子進(jìn)入而達(dá)到的，這也決定了MEG處理劑強(qiáng)抑制性作用必須在加量達(dá)到一定值時(shí)才能體現(xiàn)。

從表4可以看出，MEG在降濾失和潤(rùn)滑性能方面也有良好的表現(xiàn)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的MEG就能大大降低鉆井液的濾失量并且能改善泥餅質(zhì)量；同時(shí)隨MEG的加入，鉆井液的潤(rùn)滑系數(shù)也逐漸降低，改善了鉆井液的潤(rùn)滑性能。

表4 MEG加量對(duì)鉆井液性能影響情況Table 4 Effect of MEG dosage on drilling fluid properties

MEG做為抑制劑加量較多而致使用成本較高，在聚胺仿油基體系中已有具有強(qiáng)抑制作用的聚胺處理劑，故MEG在體系中主要作為降濾失劑和潤(rùn)滑劑使用，在抑制性方面僅為輔助作用。

2.2.3 鉆井液配方優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

將聚胺和MEG處理劑與常用的降濾失劑和潤(rùn)滑劑做配伍性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，這兩種處理劑與絕大部分處理劑配伍性能良好，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，便于處理劑的選擇。優(yōu)化出的聚胺仿油基鉆井液基本配方如下：4%（w）NV－1＋0.3%（w）聚合物包被劑＋0.2%（w）聚合物降粘劑＋3%（w）瀝青類防塌劑＋0.8%（w）聚胺①＋3%（w）MEG＋1%（w）聚合物降濾失劑＋4%（w）潤(rùn)滑劑①＋2%（w）潤(rùn)滑劑②＋重晶石。

表5 聚胺仿油基鉆井液熱滾（100℃、16 h）后性能Table 5 Performance after heating of polyamine imitation oil－based drilling fluid（100℃，16h）

從表5體系性能評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，該體系流變合理；濾失量較低，泥餅薄而致密；潤(rùn)滑系數(shù)和粘附系數(shù)也均低于0.1，潤(rùn)滑性能非常優(yōu)良。

從圖3可以看出，聚胺仿油基鉆井液在抑制性方面較常規(guī)的正電膠、鉀石灰抑制體系具有顯著優(yōu)勢(shì)，抑制水平接近了油基泥漿，能有效地抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹。適合在中淺層長(zhǎng)水平井段（含泥頁(yè)巖層位）使用，能有效地減低摩阻、維持井壁穩(wěn)定，保證施工順利進(jìn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，聚胺仿油基鉆井液體系已在川西60余口水平井使用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好（表6、表7、圖4、圖5和表8）。從現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的性能檢測(cè)情況可以看出，聚胺仿油基體系在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中流變性、降濾失性和潤(rùn)滑性等方面性能良好，完全滿足長(zhǎng)水平井段的施工對(duì)鉆井液的性能要求。在抑制性能方面，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性，滾動(dòng)回收率均在90%左右。取現(xiàn)場(chǎng)鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖巖心進(jìn)行高溫膨脹性能測(cè)定，336h的膨脹率僅為0.16%，在作業(yè)時(shí)間內(nèi)有效地抑制了泥頁(yè)巖的水化膨脹。

表6 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能Table 6 Properties of field drilling fluid

表7 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液抑制性能Table 7 Inhibition performance of field drilling fluid

表8 現(xiàn)場(chǎng)鉆井情況統(tǒng)計(jì)Table 8 Statistics of drilling situation

該體系在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中表現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢(shì)，成功地解決了水平井段易出現(xiàn)的摩阻難以控制、井壁不穩(wěn)定等現(xiàn)象，減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生，提高了鉆井效率。在MP75－1H井，順利地完成了500 m左右的泥頁(yè)巖層位水平鉆進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)返出巖屑中未出現(xiàn)過(guò)于細(xì)小巖屑，且大小分布均勻，說(shuō)明了該聚胺仿油基體系能有效地抑制泥頁(yè)巖層段的水化膨脹。

4 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

（1）聚胺仿油基鉆井液性能穩(wěn)定，聚胺在體系中主要起抑制作用，MEG主要作為潤(rùn)滑劑使用，兼具抑制和降濾失功效。

（2）聚胺仿油基鉆井液流變性能合理、濾失量小且濾餅薄，抑制性強(qiáng)和潤(rùn)滑性優(yōu)于常規(guī)鉆井液，接近油基鉆井液水平。鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定，井徑擴(kuò)大率保持在較低范圍，滿足川西地區(qū)長(zhǎng)水平井段鉆井需要。

［1］邱正松，鐘漢毅，黃維安.新型聚胺頁(yè)巖抑制劑特性及作用機(jī)理［J］.石油學(xué)報(bào)，2011，32（4）：678－682.