復(fù)雜地層仿油基鉆井液研究

楊小敏，宋碧濤，睢文云，徐 浩，楊雪山

（中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州 225009）

隨著江蘇油田逐步向深井深層、復(fù)雜隱蔽油藏和非常規(guī)油氣藏進(jìn)軍，新的地層常帶來(lái)較多的鉆井復(fù)雜問(wèn)題，鉆井托壓、劃眼、井漏、垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故較多，鉆完井過(guò)程中易垮塌掉塊，導(dǎo)致電測(cè)遇阻，多次劃眼通井往往導(dǎo)致完井周期長(zhǎng)，地層浸泡時(shí)間長(zhǎng)，更多鉆井液濾液進(jìn)入儲(chǔ)層，造成儲(chǔ)層傷害，影響勘探開(kāi)發(fā)效果。針對(duì)深部泥頁(yè)巖不穩(wěn)定地層導(dǎo)致的復(fù)雜及含泥頁(yè)巖長(zhǎng)水平段水平井、大位移井的井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑、攜巖及托壓等問(wèn)題，需要鉆井液具有優(yōu)異的頁(yè)巖抑制性、裂縫封堵和潤(rùn)滑能力，目前國(guó)內(nèi)外主要采用油基鉆井液，以降低復(fù)雜發(fā)生幾率。油基鉆井液具有井壁穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性、高溫穩(wěn)定性好以及對(duì)油氣層損害小等優(yōu)點(diǎn)，但以礦物油及柴油為基油的油基鉆井液中含有有毒物質(zhì)，不能被生物降解，對(duì)環(huán)境造成污染，并且成本高、固井質(zhì)量難以保證，后續(xù)廢棄泥漿處理難度大，且在國(guó)內(nèi)還未形成完整的系列配套技術(shù)。江蘇油田地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，長(zhǎng)江、淮河入海口附近，油區(qū)內(nèi)河流密布，被譽(yù)為“水鄉(xiāng)油田”，為環(huán)境高敏感地區(qū)，若使用油基鉆井液潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。目前江蘇油田在非常規(guī)勘探領(lǐng)域的研究時(shí)間尚短，長(zhǎng)水平段水平井的開(kāi)發(fā)布井規(guī)模小，成本高昂的油基鉆井液的后處理和回收利用存在較多技術(shù)難題。仿油基鉆井液不僅在提高鉆井液抑制性、封堵性、潤(rùn)滑性等方面具有與油基鉆井液相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，并且其成本相對(duì)較低，同時(shí)有利于環(huán)保[1]。因此，開(kāi)展仿油基鉆井液技術(shù)研究，可為江蘇油田復(fù)雜區(qū)塊井及含泥頁(yè)巖水平井鉆井提供了新的技術(shù)思路和研究方向。

1 設(shè)計(jì)思路

目前水基鉆井液與油基鉆井液的性能差別主要在頁(yè)巖抑制性、高溫高壓失水量和潤(rùn)滑性三個(gè)方面，其中潤(rùn)滑性相對(duì)容易解決，提高頁(yè)巖抑制性使用有機(jī)鹽[2-3]、高效頁(yè)巖抑制劑等效果突出，最難實(shí)現(xiàn)的是高溫高壓失水量控制，如能控制在6 mL 以下就可以進(jìn)行礦場(chǎng)試驗(yàn)。

聚醚多元醇具有濁點(diǎn)效應(yīng)，并可以通過(guò)氫鍵與粘土硅氧鍵作用吸附在粘土表面[4]，因此聚醚多元醇具有非常優(yōu)良的抑制、封堵能力，且在濁點(diǎn)溫度之上具有良好的潤(rùn)滑性能。高效頁(yè)巖抑制劑是小分子抑制劑，可鑲嵌于膨潤(rùn)土層間，降低層間距，抑制性突出。納米材料具有“納米滾珠軸承”作用[5]，在聚醚多元醇濁點(diǎn)溫度之下，采用納米材料處理劑可進(jìn)一步提高體系的潤(rùn)滑性能。

筆者在現(xiàn)有鉆井液技術(shù)基礎(chǔ)上，采用聚醚多元醇和高效頁(yè)巖抑制劑配合增強(qiáng)鉆井液抑制性和封堵性，采用惰性納米材料增強(qiáng)鉆井液潤(rùn)滑性，通過(guò)多種材料降低鉆井液高溫高壓濾失量，使其綜合性能接近油基鉆井液水平，形成初步的仿油基鉆井液體系配方。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

2.1.1 聚醚多元醇JMC-60 潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)

（1）常溫下潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)，江蘇油田現(xiàn)場(chǎng)鉆井使用的潤(rùn)滑劑加量一般為2 %～3 %。本實(shí)驗(yàn)所用的鉆井液基漿配方為：5 %般土漿+0.2 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+2 %QS-2；聚醚多元醇JMC-60（濁點(diǎn)溫度60 ℃）的加量為3 %，樣品加入鉆井液中高速攪拌30 分鐘后，分別在常溫下和80 ℃老化24 h 后使用EP 極壓潤(rùn)滑儀進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1）。由表1 可知，聚醚多元醇JMC-60 對(duì)鉆井液基漿潤(rùn)滑性改善有一定的促進(jìn)作用。常溫下潤(rùn)滑系數(shù)降低了27.55 %，這主要是測(cè)試溫度未達(dá)到聚醚多元醇的濁點(diǎn)，其潤(rùn)滑性不能得到充分發(fā)揮。而在其濁點(diǎn)溫度之上80 ℃老化24 h 后，潤(rùn)滑系數(shù)降低了71.52 %。由此可見(jiàn)，加入聚醚多元醇，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性的改善是顯而易見(jiàn)的。（2）高溫高壓下潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)，為了考察JMC-60在高溫高壓下的潤(rùn)滑性改善效果，使用現(xiàn)場(chǎng)鉆井液，加入3 %JMC-60，使用LEM4100HPHT 潤(rùn)滑性測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)測(cè)試。試驗(yàn)所用井漿為L(zhǎng)38-1 井井深2 500米處鉆井液，未添加潤(rùn)滑劑。鉆井液密度為1.25 g/cm3，測(cè)試溫度為室內(nèi)慢慢升高到160 ℃，升溫過(guò)程控制在2 h，測(cè)試鋼-鋼摩擦的軸向壓力為15 MPa，鉆井液在測(cè)試系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，保持壓力3 MPa，測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)速度定在60 r/min，模擬正常鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具所受的摩擦力。從圖1 和圖2 可以明顯看出，JMC-60 具有優(yōu)良的抗高溫潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)隨著溫度的升高逐漸降低，溫度升高到濁點(diǎn)之上后，摩擦系數(shù)下降到0.08 以下。

表1 聚醚多元醇對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性的影響

2.1.2 納米材料處理劑潤(rùn)滑性評(píng)價(jià) 在聚醚多元醇JMC-60 濁點(diǎn)溫度之下，采用納米材料處理劑進(jìn)一步提高體系的潤(rùn)滑性能。通過(guò)EP 極壓潤(rùn)滑儀對(duì)添加不同的納米材料處理劑的鉆井液配方的潤(rùn)滑性進(jìn)行測(cè)定。由表2 可以看出，加入4 %DS-RH325（納米材料有效含量1 %）后極壓摩阻系數(shù)降低80 %，而納米碳酸鈣和天詩(shī)納米微粉的潤(rùn)滑效果并不明顯，分析其原因可能是這兩種納米材料為干粉制劑，在鉆井液中相容性不好，滾珠軸承作用未能發(fā)揮，對(duì)納米處理劑種類(lèi)的優(yōu)選及其與鉆井液體系的相容性還需進(jìn)一步的探索研究。目前，初步選取DS-RH325 配合JMC-60 作為仿油基鉆井液體系的潤(rùn)滑劑。

圖1 L38-1 井井漿（2 500 m，未加潤(rùn)滑劑）

圖2 L38-1 井井漿（2 500 m，加入3 %JMC-60）

表2 不同配方潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

2.2 抑制性能評(píng)價(jià)

采用江蘇油田H158 井戴一段垮塌物，破碎成6～10 目巖屑，通過(guò)頁(yè)巖回收率試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有鉆井液配方1#中加入不同比例的聚醚多元醇JMC-60，測(cè)定其一次和二次回收率，以評(píng)價(jià)JMC-60 的抑制性。表3 中鉆井液配方為：1#：4 %般土漿+0.2 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN；2#：1#+3 %JMC-60；3#：1#+7 %JMC-60；4#：1#+10 %JMC-60；5#：1#+20 %JMC-60。

由表3 可以看出，隨著聚醚多元醇JMC-60 加量的增加，回收率逐漸增大；當(dāng)JMC-60 加量為20 %時(shí)，抑制性能最優(yōu)，二次回收率達(dá)到90 %。

接著考察了JMC-60 在基漿中的流變性、潤(rùn)滑性及降濾失性能（見(jiàn)表4）。隨著JMC-60 加量的增加，鉆井液表觀粘度和塑性粘度有輕微增加，整體流變性并無(wú)大的變化。此外，隨著JMC-60 加量的增加，濾失量和極壓摩阻系數(shù)逐漸降低；當(dāng)JMC-60 加量為20 %時(shí)，降濾失性能和潤(rùn)滑性能最優(yōu)，特別是高溫高壓濾失量達(dá)到了6～8.4 mL，接近油基鉆井液水平。

表3 聚醚多元醇JMC-60 抑制性評(píng)價(jià)

表4 聚醚多元醇JMC-60 不同加量下性能評(píng)價(jià)

表4 聚醚多元醇JMC-60 不同加量下性能評(píng)價(jià)（續(xù)表）

表5 JMC-60 復(fù)配DYZ-1 性能綜合評(píng)價(jià)

由于JMC-60 加量為20 %時(shí)，導(dǎo)致鉆井液的成本較高，因此在配方中考慮添加高效頁(yè)巖抑制劑DYZ-1增強(qiáng)體系的抑制性，減少JMC-60 的加量，降低鉆井液成本。在聚醚多元醇鉆井液中配加不同加量的高效頁(yè)巖抑制劑DYZ-1 在120 ℃下熱滾16 h 后評(píng)價(jià)其性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表5）。表5 中鉆井液配方為：1#：4 %般土漿+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+7 %JMC-60；2#：1#+0.1 % DYZ-1；3#：1#+0.2 % DYZ-1；4#：1#+0.3 %DYZ-1；5#：1#+0.4 % DYZ-1。

由表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加高效頁(yè)巖抑制劑DYZ-1 后，二次回收率均在94 %以上，且隨著DYZ-1加量的增加，頁(yè)巖回收率逐漸升高，API 濾失量有所降低，對(duì)流變性能的影響不大，極壓摩阻系數(shù)均較低，在0.031～0.077。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，DYZ-1 加量為0.3 %時(shí)的性能已滿足要求，因此，我們優(yōu)選DYZ-1 的加量為0.3 %。

2.3 綜合性能評(píng)價(jià)

在初步完成各處理劑優(yōu)選的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)室內(nèi)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，形成成本適中和成本稍高的兩種初步的仿油基鉆井液體系配方。

1#：4 %般土漿+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+7 %JMC-60+0.3 % DYZ-1 +3 %DS-RH325

2#：4 %般土漿+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+20 %JMC-60+0.3 % DYZ-1+ 3 %DS-RH325

將兩種配方密度加重至1.30 g/cm3，分別在100 ℃、120 ℃、140 ℃老化16 h 后對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表6）。由表6 可以看出，老化后兩種配方的鉆井液粘度降低，API 濾失量和HTHP 濾失量有些增大，在100～140 ℃的范圍內(nèi)，鉆井液流變性變化幅度不大，摩阻系數(shù)隨著溫度的升高逐漸減小。2#鉆井液潤(rùn)滑性明顯優(yōu)于1#鉆井液，高于120 ℃老化后顯示出優(yōu)異的高溫高壓降失水能力，接近油基鉆井液水平。同時(shí)該鉆井液配方抗溫性能優(yōu)良，性能穩(wěn)定，潤(rùn)滑性能好。

表6 不同溫度下體系的性能評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

（1）基于聚醚多元醇的濁點(diǎn)效應(yīng)和納米材料的納米滾珠軸承作用，聚醚多元醇JMC-60 與惰性納米材料DS-RH325 配合能使體系的潤(rùn)滑性能達(dá)到油基鉆井液水平。

（2）聚醚多元醇JMC-60 與高效頁(yè)巖抑制劑DYZ-1、納米材料DS-RH325 配合能明顯提高鉆井液的抑制和封堵性能，使其抑制性和高溫高壓濾失量接近油基鉆井液水平。

（3）針對(duì)江蘇油田環(huán)保敏感性高的特點(diǎn)，開(kāi)展仿油基鉆井液研究，探索解決江蘇油田深部泥頁(yè)巖不穩(wěn)定地層導(dǎo)致的復(fù)雜及含泥頁(yè)巖長(zhǎng)水平段水平井、大位移井的井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑、攜巖及托壓等問(wèn)題，是非常必要的，研究表明也是完全可行的。

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