深層水平井雙聚胺基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

劉永貴，張 洋，徐用軍

(1．哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150001;2．大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413)

1 概況

致密氣是繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一新熱點。大慶油田致密氣藏分布范圍廣、儲量豐富，主要分布于徐家圍子斷陷營城組、沙河子組和火石嶺組等深部地層，巖性復雜多變，主要以致密砂巖、砂礫巖和火山巖為主，夾少量粉砂巖及泥巖，裂縫較為發(fā)育。針對深層致密氣成藏特征，致密氣開發(fā)以長水平段、叢式水平井布井為主，但水平井尤其是深層水平井具有高難度、高投入、高風險的特點，施工時鉆井液非常重要。優(yōu)良的鉆井液，是深層水平井安全鉆井成功的重要保證，它不但要穩(wěn)定井壁、清潔井眼，還需對井筒和鉆柱起到高效的潤滑作用，以減少扭轉(zhuǎn)阻力和軸向阻力，而且對儲層應(yīng)起到良好的保護作用。由于致密氣地層埋藏深，火山巖裂縫發(fā)育、水敏性強，在鉆井過程中，易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑及高溫鉆井液流變性變差等問題，2000年以來采用欠平衡、氣體鉆井技術(shù)來提高勘探發(fā)現(xiàn)率和提高鉆井速度［1－4］，但近幾年來，由于深層水平井水平段較長，還會帶來摩阻、攜巖及儲層污染等一系列的難題，從而增大了產(chǎn)生井下復雜情況的概率。因此，在致密氣藏水平井鉆井中多采用油基鉆井液解決井壁穩(wěn)定、潤滑防卡和井眼凈化等問題，但存在成本高、后期環(huán)保壓力大等難點［5－11］。針對上述難題，研究人員以自主研發(fā)的新型高效微裂縫封堵材料為核心，通過開展聚胺和聚醚多元醇“雙聚”抑制劑、潤滑劑及其它配套處理劑研究，研發(fā)出一套雙聚胺基鉆井液體系，實現(xiàn)了強抑制、強封堵、強包被、低濾失、低固相、抗高溫(180℃)的目標，在徐家圍子地區(qū)XS21－H1等4口井現(xiàn)場試驗過程中，成功解決了地層溫度高、井壁穩(wěn)定性差、井徑擴大率大等難題，有效保證了深層致密氣藏水平井的順利施工。

2 鉆井液技術(shù)難點及對策

2．1 技術(shù)難點

根據(jù)大慶油田致密氣藏地質(zhì)特征，深層水平井鉆井液施工存在以下幾方面技術(shù)難點。

(1)井壁穩(wěn)定問題。深部致密氣地層巖性復雜多變，礫巖、火山巖膠結(jié)性差，富含伊利石、綠泥石等粘土礦物，易發(fā)生表面水化，且微裂縫、裂縫較為發(fā)育，鉆進過程中易造成層間散裂，導致井壁失穩(wěn)，要求鉆井液具有良好的抑制粘土水化膨脹和裂縫封堵能力。

(2)井眼清潔問題。深層水平井中，井斜角在30°以上的造斜段到水平段是井眼清潔的危險區(qū)，環(huán)空中巖屑的總濃度較大，同時，小井眼環(huán)空間隙小、泵壓高，因排量受到限制，施工中易形成巖屑床，使鉆井液在井眼中的流動阻力增加，要求鉆井液具有良好的攜屑和懸浮能力。

(3)潤滑防卡問題。深層水平井造斜段和水平段鉆柱和井壁接觸面積大，井段長，客觀上造成摩阻增大、承壓嚴重、加壓困難，導致鉆井速度慢、周期長，同時易發(fā)生卡鉆，為減小扭矩、降低摩阻、避免疲勞損害、卡鉆及其它事故的發(fā)生，要求鉆井液具有良好的潤滑防卡能力。

(4)儲層保護問題。深層水平井中，由于井眼長距離地橫穿儲層，鉆井液和儲層的接觸時間和接觸面積增加，導致鉆井液對儲層的損害程度增大，同時，較高的井底溫度會促進各類化學反應(yīng)，加劇鉆井液對儲層的損害，要求鉆井液具有良好的儲層保護能力。

(5)流變控制問題。深層水平井建井周期長，地溫梯度高(為3.8～4.2℃/100 m)，完鉆井底溫度高達160℃以上，鉆井液受高溫作用時間長，易導致鉆井液流變性能變差，嚴重時將引起井下復雜和事故的發(fā)生，要求鉆井液具有良好的抗溫能力。

2．2 技術(shù)對策

針對上述技術(shù)難點及要求，通過研發(fā)和優(yōu)選不同類型處理劑提高體系的抑制、封堵防塌能力、潤滑防卡能力、井眼清潔能力及儲層保護能力。

(1)利用顆粒級配與可變形材料軟化封堵協(xié)同作用的原理，研制新型高效隨鉆封堵材料，配合聚醚多元醇的“濁點效應(yīng)”，提高體系孔隙、裂縫封堵防塌能力，預防和減少鉆井液漏失。

(2)利用聚胺抑制劑與高分子包被抑制劑“多元協(xié)同”作用，提高體系整體抑制能力，同時，改善水基鉆井液的流變性，保證鉆井液具有較高的動塑比和較好的流型，提高體系攜屑和懸浮能力。

(3)通過低熒光乳化潤滑劑與白油的復配，借助于其復合潤滑機理，使鉆柱和井壁之間形成一層具有滾動和滑動雙重作用的復合潤滑膜，降低扭矩和摩阻，提高體系潤滑防卡能力。

(4)利用不同粒徑超細碳酸鈣和軟化點與油層溫度相匹配的瀝青類處理劑復配作為油層保護劑，同時，有針對性地優(yōu)選降低水鎖損害和潤濕反轉(zhuǎn)的表面活性劑，提高體系儲層保護能力。

(5)通過不同類型抗高溫降濾失劑之間的復配，降低鉆井液的API和HTHP濾失量，減少濾液對地層粘土礦物的水化作用，同時提高鉆井液的抗高溫能力，使鉆井液保持良好的流變性。

3 雙聚胺基鉆井液技術(shù)研究

3．1 研制新型高效隨鉆封堵材料提高封堵防塌能力

針對目前隨鉆封堵材料存在著對鉆井液性能影響大、對漏層孔隙及裂縫尺寸依賴性強等缺點，通過堵漏機理分析，利用顆粒級配和可變形材料軟化封堵協(xié)同作用的原理，優(yōu)選出可變形材料、纖維材料、可膨脹材料及填充材料，研制出新型高效微裂縫隨鉆封堵材料。不同目數(shù)砂床實驗及配伍性評價結(jié)果(見表1、表2)表明，該隨鉆封堵材料可不依賴于漏層孔隙及裂縫尺寸進行封堵，適用范圍廣、堵漏效率高，與研發(fā)的雙聚胺基鉆井液具有良好的配伍性，可用于滲透性、裂縫性地層隨鉆防漏堵漏，且酸溶率高達64%，在酸化后被破壞而解堵，達到保護儲層的目的，既可用于非儲層堵漏又可用于儲層堵漏。

表1 新型高效隨鉆封堵材料封堵效果評價數(shù)據(jù)

表2 新型高效隨鉆封堵材料與鉆井液配伍性評價數(shù)據(jù)

同時，采用微裂縫封堵評價裝置進行模擬實驗后，利用奧林巴斯光學顯微鏡對巖心切片樣本進行了微觀觀察，如圖1所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同粒徑顆粒能夠進入到微裂縫深部，并根據(jù)不同裂縫尺寸大小進行富集，可有效封堵微裂縫，降低鉆井液漏失，配合聚醚多元醇的“濁點效應(yīng)”，當井底溫度高于濁點溫度時，聚合醇從鉆井液中析出，形成的“微?！笨蓪π滦透咝щS鉆封堵材料形成骨架后的微孔隙進行填充、堵塞，進一步封堵地層孔隙、微裂縫，提高鉆井液的封堵防塌能力。

圖1 新型高效隨鉆封堵材料模擬評價切面微觀顯示圖

3．2 研選低熒光乳化潤滑劑配合白油提高潤滑防卡能力

通過低熒光乳化潤滑劑與白油的復配，借助于白油在鉆柱與井壁上形成的油膜與低熒光乳化潤滑劑組分中極性基團形成的吸附膜，二者“協(xié)同增效”，可在鉆柱和井壁之間形成一層具有滾動和滑動雙重作用的復合潤滑膜，進一步降低扭矩和摩阻，提高體系潤滑防卡能力。通過實驗優(yōu)選出低熒光乳化潤滑劑最優(yōu)加量3%，同時進行與白油的復配實驗，從圖2可以看出，隨白油加量的增大，極壓潤滑系數(shù)逐漸減小，當加量＞8%后，曲線趨于平緩，說明白油加量在8% ～10%范圍內(nèi)時，二者復配即可將極壓潤滑系數(shù)降低至0.12以內(nèi)，能夠滿足深層水平井潤滑防卡的需求。

3．3 研選胺基聚醇和高分子包被抑制劑提高攜屑和穩(wěn)定井壁能力

圖2 極壓潤滑系數(shù)隨不同白油加量的變化曲線(老化溫度180℃)

針對深層水平井攜帶巖屑和井壁穩(wěn)定問題，通過對比評價實驗，優(yōu)選出抑制能力突出的泥頁巖抑制劑胺基聚醇及具有包被和調(diào)節(jié)流型雙重作用的高分子包被抑制劑，室內(nèi)研究表明，二者復配使用可實現(xiàn)攜帶巖屑與穩(wěn)定井壁的雙重作用，能夠滿足深層水平井鉆井需要。其中，胺基聚醇有機結(jié)合了聚胺和聚醚多元醇二者的優(yōu)點，不僅具有陽離子強吸附、強抑制、作用時間長等優(yōu)點，而且克服了陽離子對鉆井液嚴重絮凝、增加濾失量的缺點，能夠抑制地層孔隙表面粘土中的活躍易水化基團，吸附覆蓋在表面，防止活性易水化粘土的膨脹，且其特殊的分子結(jié)構(gòu)可嵌入粘土晶層間，依靠氫鍵作用，將粘土片層束縛在一起，縮小層間距;同時，高分子包被抑制劑以聚合物鏈或者鏈束在粘土粒子上包裹，既可阻止水分子進入，也可以阻止粘土水化膨脹、分散，二者在發(fā)揮協(xié)同抑制作用穩(wěn)定井壁的同時，高分子包被劑能夠?qū)Ⅲw系動塑比保持在0.45以上，維持鉆井液具有較強的懸浮能力和攜巖能力，避免了巖屑床的形成。

室內(nèi)利用XS902井登婁庫組紫紅色泥巖對不同類型鉆井液抑制性進行了評價(見圖3)，評價結(jié)果表明，研發(fā)的雙聚胺基鉆井液回收率高達90.4%，與油基鉆井液的92.2%最為接近，遠高于其它鉆井液體系，說明該鉆井液具有與油基鉆井液相當?shù)囊种颇芰?，能夠有效抑制地層粘土及巖屑的水化膨脹分散，可滿足深層水平井鉆井液施工對抑制性的需要。同時，從高溫高壓流變性實驗(見圖4)結(jié)果中可以看出，隨著溫度、剪切速率的升高，鉆井液剪切應(yīng)力變化平穩(wěn)，證明在高溫高壓高速剪切稀釋情況下，雙聚胺基鉆井液體系性能優(yōu)良，能夠滿足深層水平井攜屑要求。

3．4 研選油層保護劑與表面活性劑提高儲層保護能力

圖3 雙聚胺基鉆井液與其它鉆井液泥頁巖滾動回收率對比圖

圖4 高溫高壓條件下剪切應(yīng)力隨剪切速率變化關(guān)系曲線

針對深層氣藏儲層損害方式，采用幾種不同粒徑超細碳酸鈣和軟化點與油層溫度相匹配的瀝青類處理劑復配作為油層保護劑，對油層孔隙、微裂縫進行快速封堵，避免液相和固相對油層造成損害，有針對性地優(yōu)選了表面活性劑，降低了表面張力，減小了“賈敏效應(yīng)”對儲層的損害程度，二者有機結(jié)合，可顯著提高體系儲層保護能力。表3為添加油層保護劑與表面活性劑的雙聚胺基鉆井液對低滲巖心的損害實驗數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看出，研制的雙聚胺基鉆井液巖心滲透率恢復值在75% ～80%之間，較普通水基鉆井液的60% ～65%有較大提高，能夠滿足深層水平井對儲層保護的施工要求。

表3 巖心損害評價實驗

3．5 研選抗高溫降濾失劑提高抗溫抗污染能力

針對深層水平井井底溫度高，鉆井周期長，易導致鉆井液流變性變差的問題，分別優(yōu)選了磺化類降濾失劑JS－Ⅱ和中分子量聚合物類降濾失劑ZY－1。聚合物降濾失劑ZY－1中含有抗溫單體AMPS，可進一步對羥基、酰胺基等基團提供高溫保護，從而提高體系整體抗溫能力。同時，ZY－1可提高濾液粘度，在井壁上形成較為致密的吸附膜，阻止或減緩水相進入地層，降低濾失量，二者復配使用可有效提高體系抗溫和降濾失能力。從鉆井液抗污染性(見表4)及耐溫性(見表5)評價數(shù)據(jù)中可以看出，雙聚胺基鉆井液抗巖屑侵20%以上，抗污染能力較強;高溫熱滾72 h后，粘切變化平穩(wěn)，表明該體系抗高溫達180℃，并具有較強的熱穩(wěn)定能力，能夠滿足深層致密氣藏鉆探需要。

表4 雙聚胺基鉆井液抗污染評價數(shù)據(jù)

表5 雙聚胺基鉆井液熱穩(wěn)定性評價數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場試驗

通過在大慶油田徐家圍子地區(qū)XS21－H1、XS9－H3、XS23－H1和XS903－H1等4口井的現(xiàn)場實踐證明，研發(fā)的雙聚胺基鉆井液性能穩(wěn)定(見表6)，具有較強的封堵防塌、井眼清潔和潤滑防卡能力，有效解決了深層水平井漏失、垮塌、攜屑、潤滑問題和儲層保護問題，達到了失水量低、固相低;流型好，剪切稀釋性好;適當?shù)臄y巖能力、適當?shù)挠|變性和適當?shù)牧鲬B(tài)，即“兩低、兩好、三適當”的水平，與同區(qū)塊鄰井用油基鉆井液相比(見圖5)，平均鉆進周期縮短40 d以上，平均井徑擴大率僅為4.41%，明顯低于油基鉆井液的5.50%，創(chuàng)造了大慶油田深層水平井鉆井周期最短(109 d)，井深最深(5048 m)，水平段最長(969.22 m)，井底溫度最高(180℃)等幾項新紀錄，效果顯著。

取得的效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)鉆井液的API和HTHP濾失量低，始終維持在2.0 mL/30 min和10.0 mL/30 min以下，減少了濾液對地層粘土礦物的水化作用;

(2)鉆井液性能穩(wěn)定，動塑比適中，攜巖能力強，有效避免了造斜段和水平段巖屑床的形成;

表6 XS9－H3等4口井現(xiàn)場鉆井液性能參數(shù)

圖5 平均井徑擴大率與平均鉆進周期對比數(shù)據(jù)圖

(3)鉆井液抑制和封堵防塌能力突出，能夠有效抑制泥頁巖的水化膨脹分散，并對孔隙、裂縫實施有效封堵，穩(wěn)定井壁，鉆進過程中未出現(xiàn)任何因鉆井液而引起的井塌、卡鉆和漏失等井下復雜;

(4)鉆井液極壓潤滑系數(shù)始終控制在0.12以下，具有較強的潤滑防卡能力，未發(fā)生壓差卡鉆事故;

(5)鉆井液抗溫、耐溫能力突出，中途測試過程中，在井底180℃高溫條件下，鉆井液靜止17 d，井下未發(fā)生復雜與事故，具有良好的熱穩(wěn)定性和抗溫性;

(6)鉆井液儲層保護能力優(yōu)良，巖心滲透率恢復值在75%以上，大幅度降低了鉆井液對儲層的傷害程度。

5 結(jié)論

(1)創(chuàng)新研制出可不依賴于漏層孔隙及裂縫尺寸進行封堵的新型高效隨鉆封堵材料，具有適用范圍廣、堵漏效率高、酸溶率高及與鉆井液配伍性好等優(yōu)點，能夠進入裂縫深部實施有效封堵，既可用于非儲層堵漏又可用于儲層堵漏。

(2)針對大慶油田致密氣藏地質(zhì)特征及深層水平井鉆井難點，以聚胺和聚醚多元醇“雙聚”抑制、封堵防塌劑為核心處理劑，配合研制的新型高效隨鉆封堵材料，開發(fā)出一套雙聚胺基鉆井液體系，并通過現(xiàn)場試驗形成了深層水平井水基鉆井液技術(shù)。

(3)室內(nèi)研究及現(xiàn)場實踐表明，研發(fā)的雙聚胺基鉆井液體系抗溫高達180℃，抗巖屑侵在20%以上，極壓潤滑系數(shù)始終控制在0.12以下，具有較強的抑制、封堵防塌能力，井眼清潔能力，潤滑防卡能力和儲層保護能力，達到了“兩低、兩好、三適當”的水平，各項性能與油基鉆井液接近，可滿足深層水平井現(xiàn)場施工作業(yè)要求。

(4)雙聚胺基鉆井液體系抑制、封堵防塌效果顯著，成功解決了深層水平井漏失、垮塌、攜屑、潤滑問題和儲層保護問題，井壁穩(wěn)定，井徑規(guī)則，能夠滿足大慶油田深層致密氣藏水平井鉆井需要，應(yīng)用前景廣闊。

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