強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的研究及應(yīng)用

張志財(cái)（中國石化集團(tuán)勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

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強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的研究及應(yīng)用

張志財(cái)
（中國石化集團(tuán)勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

渤南義123和義173區(qū)塊是勝利油田2012年非常規(guī)區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)重點(diǎn)工程，油藏埋深平均在3 500 m左右。該地區(qū)上部地層泥巖黏土含量高，易水化分散、縮徑，下部含有大段泥頁巖及砂泥巖薄互層，需要采用鉆井液技術(shù)解決水化膨脹引起的井壁失穩(wěn)、井眼凈化和摩阻扭矩大等難題。室內(nèi)通過關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選和評價(jià)，研制了強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系。室內(nèi)評價(jià)和多口井的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該體系性能穩(wěn)定，抑制能力和潤滑能力強(qiáng)，具有和油基鉆井液相近的巖屑回收率，成功解決了長水平段水平井的泥巖坍塌、大井眼攜巖、托壓、黏附卡鉆等問題，無井下復(fù)雜情況發(fā)生，保證了井下安全，使鉆井周期明顯縮短。

非常規(guī)水平井；井壁穩(wěn)定；抑制性；潤滑性；泥頁巖

0　引言

隨著石油資源的日益緊缺，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)備受矚目。非常規(guī)水平井一般水平段長，多數(shù)超過1 000 m，且含大段泥巖或砂泥巖薄互層，泥巖微裂縫發(fā)育，導(dǎo)致鉆井過程中易發(fā)生井壁垮塌、漏失、縮徑、起下鉆困難等井壁穩(wěn)定問題［1-3］，加之大斜度井段攜巖困難［4］，易形成巖屑床，引起摩阻扭矩大等難題［5-7］。因此，非常規(guī)水平井鉆井液關(guān)鍵技術(shù)分3個(gè)方面，即井壁穩(wěn)定技術(shù)、潤滑技術(shù)及井眼清潔技術(shù)。

近年來，國外不斷研制出符合現(xiàn)代環(huán)保要求的水基鉆井液，如美國貝克休斯公司開發(fā)的高性能水基鉆井液體系（HPWBM）［8-9］、麥克巴公司的ULTRA-DRILL體系［10］，它們具有和油基鉆井液相似的抑制性和潤滑性［11-14］，已獲得成功應(yīng)用。為了降低鉆井液成本，提高安全及環(huán)保性能，滿足非常規(guī)水平井的現(xiàn)場施工需求，室內(nèi)開展了強(qiáng)抑制性水基鉆井液技術(shù)的研究。從抑制性、封堵性及潤滑性等性能評價(jià)入手，優(yōu)選出強(qiáng)抑制劑有機(jī)胺、高效潤滑劑LBJ，并確定強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的配方。該體系具有較好的抑制性和潤滑性，在勝利油田渤南義123和義173區(qū)塊進(jìn)行了應(yīng)用，成功解決了非常規(guī)地層井壁穩(wěn)定問題，取得了良好效果。

1　室內(nèi)研究

1.1頁巖抑制劑

室內(nèi)優(yōu)選了一種有機(jī)胺抑制劑，利用巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)和線性膨脹率實(shí)驗(yàn)對有機(jī)胺抑制劑進(jìn)行了評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　頁巖抑制性評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果　%

由表1可以看出，2%有機(jī)胺抑制劑的線性膨脹率均小于7%KCl和7%KCl+2%聚合醇的混合物，一次回收率也明顯高于二者，這說明有機(jī)胺抑制劑具有較好的頁巖抑制性，能夠有效抑制頁巖的水化分散作用。

在5%膨潤土漿中分別加入2%有機(jī)胺抑制劑和7%KCl，養(yǎng)護(hù)24 h后利用激光粒度儀測試其粒度分布，測試結(jié)果如表2所示。

表2　頁巖抑制劑對基漿粒度分布的影響

由表2可看出，頁巖抑制劑的加入可顯著改變體系中黏土顆粒的大小分布和比表面積，黏土平均粒徑由大到小依次為有機(jī)胺、KCl和基漿，比表面積由大到小依次為基漿、KCl和有機(jī)胺。這說明有機(jī)胺更能有效抑制黏土顆粒的水化分散，使黏土顆粒保持較大粒徑。

1.2封堵劑

泥頁巖大多層理和微裂縫較發(fā)育，能對裂縫快速封堵是穩(wěn)定井壁的重要措施。利用封堵性顆?；蚰z體在裂縫內(nèi)迅速架橋、填充、封堵，在井壁表面建立不滲透保護(hù)層，以達(dá)到阻止水沿裂縫迅速深入地層的目的。

室內(nèi)優(yōu)選了幾種納米級(jí)封堵材料，通過高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)（120℃，3.5 MPa）和壓力傳遞實(shí)驗(yàn)（120℃，30.0 MPa）進(jìn)行了性能評價(jià)，結(jié)果見表3、圖1。表3中，基漿配方為5%膨潤土漿+0.2%燒堿+0.3%PAM+3% SD-101+2%防塌降濾失劑+0.5%磺酸鹽+0.5%LV-CMC（以下同）。可以看出：膠乳瀝青和納米乳液復(fù)配使用，可以明顯改善鉆井液的封堵性能，使鉆井液高溫高壓濾失量大大降低，減緩壓力傳遞。這是因?yàn)?，通過不同粒徑的封堵顆粒進(jìn)行架橋封堵地層孔隙，瀝青類材料在高溫軟化后擠入封堵顆粒之間的縫隙，并在井壁表面建立一層疏水性不滲透保護(hù)層，從而減少水相對泥頁巖的侵入。

表3　不同封堵材料的對比實(shí)驗(yàn)

圖1　壓力傳遞實(shí)驗(yàn)

1.3潤滑劑

1.3.1潤滑性的影響因素

影響鉆井液潤滑性的主要因素有鉆井液性能和潤滑劑。鉆井液性能包括黏度、切力、固相含量及類型、濾失量及泥餅質(zhì)量。隨鉆井液密度、固相含量的增加，鉆井液的黏度、切力也會(huì)相應(yīng)增大，鉆井液潤滑性能也隨之變差；同時(shí)固相含量增大，泥餅也會(huì)相應(yīng)增厚，黏附系數(shù)增大，從而大大影響體系的潤滑性能；合理的粒度級(jí)配能夠形成薄且致密的泥餅，可以提高泥餅潤滑性；若固相顆粒分散太細(xì)，比表面積大大增加，也會(huì)使摩擦阻力大大增加。良好的潤滑劑可有效降低鉆井液的摩阻，提高體系的潤滑性，減小鉆具和井壁之間的摩擦力，從而減輕或避免托壓現(xiàn)象。

1.3.2潤滑劑的評價(jià)

室內(nèi)利用極壓潤滑儀和黏附系數(shù)測定儀對液體潤滑劑LBJ和其他常用潤滑劑進(jìn)行了對比評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。可以看出，潤滑劑LBJ的潤滑系數(shù)和黏附系數(shù)均最小，潤滑效果最好。1.3.3合理調(diào)整粒度級(jí)配

圖2　潤滑劑的對比評價(jià)

合理的粒度級(jí)配不僅可以提高鉆井液的封堵性，也可以通過提高泥餅質(zhì)量，減小泥餅厚度，降低鉆具與泥餅的接觸面積，從而提高鉆井液的潤滑性。

利用激光粒度儀對添加不同粒徑材料的溶液進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯ㄟ^改善鉆井液中固相顆粒的粒度級(jí)配，形成更加致密且薄的濾餅，可以進(jìn)一步降低鉆井液的摩擦因數(shù)，提高鉆井液潤滑性。

表4　粒度級(jí)配對鉆井液潤滑性的影響

1.4鉆井液配方及性能評價(jià)

在確定主處理劑（頁巖抑制劑和潤滑劑）之后，通過室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，得到了強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的基本配方：基漿+0.3%PAM+（1.5%～2.0%）有機(jī)胺+（2.0%～2.5%）磺化酚醛樹脂+（2%～3%）防塌降濾失劑+（1.0%～1.5%）磺酸鹽共聚物+（1.5%～2.0%）超細(xì)碳酸鈣+2%膠乳瀝青+2%納米乳液+（6%～8%）原油+（2%～3%）LBJ+加重劑。

1.4.1基本性能評價(jià)

密度為1.45 g/cm3，實(shí)驗(yàn)溫度為150℃，熱滾16 h前后該配方的基本性能如表5所示?？梢钥闯?，強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系完全滿足中壓濾失量不大于4.0 mL、高溫高壓濾失量不大于12.0 mL的設(shè)計(jì)要求，可減少濾液進(jìn)入地層，有利于井壁穩(wěn)定，同時(shí)潤滑性能良好，有利于降低摩阻和扭矩，滿足水平井黏附系數(shù)小于0.1的基本要求。

表5　強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的基本性能

1.4.2巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)

分別對清水、油基鉆井液與強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液進(jìn)行了巖屑滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：清水的巖屑回收率較低（35.8%），說明巖屑易水化分散；強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的巖屑回收率（89.3%）遠(yuǎn)大于清水的回收率，與油基鉆井液（91.8%）比較接近，說明該體系具有良好的抑制頁巖水化膨脹的作用，有利于井壁穩(wěn)定。

2　現(xiàn)場應(yīng)用

渤南義123、義173區(qū)塊是勝利油田非常規(guī)開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊，強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系先后在該區(qū)塊的9口非常規(guī)水平井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。井深最淺為4 666 m，最深為5 340 m，累計(jì)進(jìn)尺43 982 m；水平段最短為932 m，最長為1 450 m。根據(jù)地層特點(diǎn)，該區(qū)塊非常規(guī)水平井均采用三開井身結(jié)構(gòu)，在二開進(jìn)入沙河街組前轉(zhuǎn)化為強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系，通過對該體系的不斷改進(jìn)和鉆井技術(shù)的不斷完善，鉆井周期越來越短，所用成本越來越低，并且創(chuàng)出勝利油田非常規(guī)深井水平井多項(xiàng)施工紀(jì)錄，顯示了該鉆井液技術(shù)的良好應(yīng)用效果。

2.1現(xiàn)場鉆井液維護(hù)與處理

1）保持有機(jī)胺加量的穩(wěn)定，強(qiáng)化鉆井液抑制性。上部地層采用有機(jī)胺抑制劑和絮凝劑聚丙烯酰胺的合理搭配，增強(qiáng)體系的整體抑制性；下部地層井底溫度較高，則使用抗溫性較好的磺酸鹽共聚物與有機(jī)胺配合使用。聚合物加量保持在0.3%～0.5%，有機(jī)胺加量在二開控制在1.0%～1.5%，三開控制在1.5%～2.0%，使鉆井液體系始終處于高抑制狀態(tài)。

2）提高鉆井液封堵能力。針對水平段裂縫發(fā)育的情況，通過加入樹脂、膠乳瀝青、納米乳液，配合1.5%超細(xì)碳酸鈣來提高鉆井液的封堵能力。

3）加強(qiáng)固相控制。全面開啟四級(jí)固控設(shè)備，采用高目數(shù)振動(dòng)篩篩布，定時(shí)開啟離心機(jī)，及時(shí)高效地清除劣質(zhì)固相，保證鉆井液中較低的固相含量，不僅有利于保持良好的鉆井液性能，而且可以降低固相引起的摩阻，提高泥餅質(zhì)量。

4）提高鉆井液潤滑性。實(shí)鉆過程中，根據(jù)滑動(dòng)鉆進(jìn)的鉆壓監(jiān)測及起下鉆的摩阻分析，適當(dāng)提高液體潤滑劑LBJ的加量，并補(bǔ)充原油含量，進(jìn)而保持體系良好的潤滑性。在鉆進(jìn)過程中，體系的泥餅黏附系數(shù)控制在0.05以下。在電測和下套管前，還要進(jìn)一步增強(qiáng)鉆井液的潤滑性。電測前，在裸眼內(nèi)的鉆井液中補(bǔ)充1%潤滑劑LBJ；在下套管前，用1%液體潤滑劑LBJ和1%固體潤滑劑石墨粉來封閉整個(gè)裸眼段，以確保下套管作業(yè)的安全。

2.2應(yīng)用效果

強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系在非常規(guī)長水平段水平井的成功使用，較好地解決了鉆井過程中的井壁穩(wěn)定、摩阻與扭矩以及井眼凈化等技術(shù)難題，達(dá)到了較理想的施工效果，完全可以滿足大段泥巖長水平段水平井的鉆井需求。

1）抑制性強(qiáng)，防塌效果好。義123區(qū)塊二開裸眼段長均超過3 000 m，最長為3 645 m（義123-1HF井），最短也有3 192 m，均沒有發(fā)生鉆井液引起的井壁穩(wěn)定問題，井徑規(guī)則，電測成功率達(dá)到100%，三開井徑擴(kuò)大率均在6%以下。其中，義123-1HF井（斜井段長1 277 m、扭方位100°）軟測井創(chuàng)造了一次測井成功的最高指標(biāo)，即軟測井能測到井深3 700 m，井斜70°，方位變化100°。

2）機(jī)械鉆速高，鉆井周期短。與本區(qū)塊其他非常規(guī)井相比，義123-10 HF井鉆井周期為62.42 d，全井機(jī)械鉆速為6.76 m/h，為該區(qū)塊鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最快的紀(jì)錄；義123-11HF井三開鉆井周期為15 d，三開機(jī)械鉆速為5.58 m/h，為該區(qū)塊三開水平段鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最快的紀(jì)錄。

3）潤滑效果好。泥餅黏附系數(shù)控制在0.04～0.07，二開斜井段鉆進(jìn)摩阻在78.4～98.0 kN，三開水平段鉆進(jìn)摩阻保持在58.8～78.4 kN，平均扭矩在10 kN·m以下，解決了長水平段井眼的潤滑和摩阻難題，同時(shí)有效解決了托壓難題，保證了純鉆時(shí)效，保障了鉆進(jìn)和起下鉆的安全。

4）攜巖能力強(qiáng)，井眼凈化效果明顯。二開斜井段動(dòng)塑比在0.5 Pa/（mPa·s）左右，動(dòng)切力在10～16 Pa；三開水平段動(dòng)塑比在0.6 Pa/（mPa·s）以上，動(dòng)切力在12～18 Pa。合理的鉆井液流變參數(shù)保證了巖屑的充分?jǐn)y帶，并配合短起下鉆等工程措施及推稠塞，確保了良好的井眼凈化效果。

3　結(jié)論

1）強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制性和穩(wěn)定性，解決了上部地層造漿、下部地層大段泥巖水化垮塌、起下鉆遇阻等問題，保證了井壁穩(wěn)定，降低了井徑擴(kuò)大率，并提高了機(jī)械鉆速，縮短了鉆井周期，節(jié)約了成本。

2）針對非常規(guī)井具有水平段長、含大段泥巖或砂泥巖薄互層等特點(diǎn)，室內(nèi)研制出液體潤滑劑LBJ，可以顯著提高鉆井液的潤滑性，潤滑效果和油基鉆井液相近。鉆進(jìn)過程中，摩阻和扭矩均大幅度降低，有效解決了潤滑和托壓難題，保證了純鉆時(shí)效和井下安全。

3）該體系具有良好的流變性，通過調(diào)整鉆井液流變參數(shù)、提高動(dòng)塑比以及在不同井斜段調(diào)整鉆井液流態(tài)，保證了鉆井液的懸浮能力和攜巖能力，配合短起下鉆等工程措施，及時(shí)有效地清除了巖屑床，保證了井眼清潔。

4）通過勝利油田非常規(guī)水平井的順利施工，說明該鉆井液體系完全可以滿足泥頁巖水平井對鉆井液抑制性、井壁穩(wěn)定、井眼凈化和潤滑性能的要求，可以推廣應(yīng)用。

［1］高莉，張弘，蔣官澄，等.鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣井壁穩(wěn)定鉆井液［J］.斷塊油氣田，2013，20（4）：508-512.

［2］蔚寶華，鄧金根，閆偉.層理性泥頁巖地層井壁坍塌控制方法研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（1）：56-59.

［3］唐林，羅平亞.泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)耦合研究現(xiàn)狀［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，19（2）：85-88.

［4］沈偉.大位移井鉆井液潤滑性研究的現(xiàn)狀與思考［J］.石油鉆探技術(shù)，2001，29（1）：25-28.

［5］崔思華，班凡生，袁光杰，等.頁巖氣鉆完井技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)分析［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（4）：72-75.

［6］孫曉峰，閆鐵，崔世銘，等.鉆桿旋轉(zhuǎn)影響大斜度井段巖屑分布的數(shù)值模擬［J］.斷塊油氣田，2014，21（1）：92-96.

［7］王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則［J］.中外能源，2012，17（4）：43-47.

［8］Morton K，Bomar B，Schiller M，et al.Selection and evaluation criteria for high-performance drilling fluids［R］.SPE 92367，2005.

［9］王建華，鄢捷年，丁彤偉.高性能水基鉆井液研究進(jìn)展［J］.鉆井液與完井液，2007，24（1）：71-75.

［10］黃浩清.安全環(huán)保的新型水基鉆井液ULTRADRILL［J］.鉆井液與完井液，2004，21（6）：4-7.

［11］呂開河，韓立國，史濤，等.有機(jī)胺抑制劑對鉆井液性能的影響研究［J］.鉆采工藝，2012，35（2）：75-76.

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

［13］謝曉永，王怡.川西須家河組頁巖氣水基鉆井液技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2014，21（6）：802-805.

［14］吳彬，王薦，舒福昌，等.油基鉆井液在頁巖油氣水平井的研究與應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2014，36（2）：101-104.

（編輯趙衛(wèi)紅）

Study and application of highly inhibitive organic amine polysulfonate drilling fluid

Zhang Zhicai
（Research Institute of Drilling Technology，Shengli Petroleum Engineering Co.Ltd.，SINOPEC，Dongying 257017，China）

Yi 123 and Yi 173 Areas are the major project of deliverability in unconventional areas of Shengli Oilfield.The average reservoir depth is about 3，500 m.In the upper formations，the caly content is much high in the mud rock，which will cause borehole instability caused by hydration expansion.While in the lower formations，there are interbeds of shale，sand and mud rocks.The drilling fluids should solve these problems such as bole instability caused by hydration expansion，hole cleaning，lubrication and friction.With agent optimization and evaluation experiments，a highly inhibitive organic amine polysulfonate drilling fluid is developed.The lab results and field application show that the drilling fluid system has stable properties，good inhibition and lubricity.Its shale recovery is close to that of oil-based drilling fluid.The problems such as borehole caving，sloughing，cuttings carrying and pipe sticking are effectively solved，which provides a reference for efficient development of unconventional oil and gas reservoirs.

unconventional horizontal well；borehole stability；inhibition；lubricity；mud shale

國家科技重大專項(xiàng)“斷塊油田特高含水期提高水驅(qū)采收率技術(shù)”課題“斷塊油藏復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆完井技術(shù)”（2011ZX05011-003）

TE254

A

10.6056/dkyqt201601024

2015-08-17；改回日期：2015-10-27。

張志財(cái)，男，1984年生，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田鉆井液研究及現(xiàn)場鉆井液技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：zhangzc1@126.com。

引用格式：張志財(cái).強(qiáng)抑制有機(jī)胺聚磺鉆井液體系的研究及應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2016，23（1）：109-112.

Zhang Zhicai.Study and application of highly inhibitive organic amine polysulfonate drilling fluid［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23 （1）：109-112.