強抑制性水基鉆井液的室內實驗研究

付世豪，許明標，桑文鏡，胡棚杰，吳亞迪

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強抑制性水基鉆井液的室內實驗研究

付世豪1，許明標2，3，桑文鏡1，胡棚杰1，吳亞迪1

（1. 長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100； 2. 長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100； 3. 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430100）

由于頁巖地層水化作用較強，地層極易水化膨脹導致井壁不穩(wěn)定，大量巖屑分散在鉆井液中，引起鉆井液流變性能的劇烈變化，井段容易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等問題。針對這種情況，研發(fā)出一種抗高溫抗污染的強抑制性水基鉆井液體系。通過評價胺類頁巖抑制劑UHIB-B和硅酸鹽抑制劑Y1，兩者的協(xié)同作用提高鉆井液的抑制性能，并保持著較好的流變性能。該體系抗溫達到了120 ℃，API濾失量小于3 mL，HTHP濾失量小于9 mL，測試其封堵性能時測得鉆井液體系侵入沙床深度為1.8 cm，在膨潤土以及無機鹽的污染下，仍然保持著較好的流變性能，鉆井液體系的巖屑回收率達98%，鉆井液的防膨率達85%。試驗表明，該套體系具有良好的流變性、抑制性及封堵性，抗溫性能和抗侵能力優(yōu)良，適宜在高水敏和易污染等復雜地層中使用。

水化作用；水基鉆井液；強抑制性；巖屑回收率；性能評價

近年來，隨著石油工業(yè)的進步和對石油需求的不斷增加，油氣勘探開發(fā)對象由常規(guī)能源發(fā)展到非常規(guī)能源。由于泥頁巖地層特性以及頁巖氣鉆井工藝技術特點，目前頁巖氣井多采用成本較高、易污染環(huán)境的油基鉆井液，也有少部分使用水基鉆井液。但油基鉆井液具有成本高、地層以及環(huán)境污染等問題。根據泥頁巖井壁水化失穩(wěn)機理，評價胺類頁巖抑制劑UHIB-B和硅酸鹽抑制劑Y1的協(xié)同作用。以此作為基礎添加封堵劑，降失水劑以及流變助劑等等，研制出一種環(huán)保、成本低、抑制性能強，綜合性能優(yōu)良的水基鉆井液體系，配方為淡水+0.3%NaOH+0.3%CMC+0.15%TQ+3%Y1+3%UHIB-B+2%K-1+3%QS+3%FD+3%NA+4%RT +2.5%LZ +重晶石（=1.50 g/cm3）。

1 研究思路

為了解決泥頁巖鉆井中遇到的井壁穩(wěn)定，降低摩阻以及鉆井液性能穩(wěn)定等問題，筆者提出了基于胺類頁巖抑制劑和硅酸鹽抑制劑材料的水基鉆井液[1-4]。評價UHIB-B和Y1作為抑制劑組合抑制黏土膨脹并維持井壁的穩(wěn)定的效果，抑制劑組合而且能與鉆井液中的有機增黏劑相互作用，改善和提高流變性能和溫度穩(wěn)定性。在受到黏土、鹽鈣的污染的情況下，仍然可以保持良好的濾失性以及潤滑性。通過進行鉆井液流變性分析、鉆井液濾失性能分析、泥頁巖膨脹性測試及泥頁巖滾動回收率評價和鉆井液潤滑性評價,優(yōu)選出一種強抑制性水基鉆井液配方[5]。

2 Y1和UHIB-B處理劑作用機理分析

2.1 Y1作用機理分析

Y1的主要成分是硅酸鈉，硅酸鈉的抑制作用來源于三個方面。第一，硅酸鈉在鉆井液中本身可以形成不同尺寸的膠體和納米級粒子，這些低聚的硅酸鹽粒子通過吸附、擴散或在壓差作用下滲透到巖層孔隙和微裂縫中，阻止濾液進入地層的同時又減小了壓力穿透。第二，通過與地層中巖屑表面作用產生凝膠，并與其中礦物等發(fā)生膠結作用封固巖屑而改善提高巖屑的膜效率。硅酸鈉能與地層中的二價離子發(fā)生沉淀作用可以生成不溶沉淀物，覆蓋在巖石表面起到封堵作用,避免了黏土的水化膨脹和分散。第三，硅酸鈉會形成一種復雜的無機聚合物結構，相當于一層屏障或膜來阻止粒子的運動，吸附在巖層以及巖屑表面起到保護作用[6,7]（作用機理如圖1）。

圖1 鹽酸鹽與巖屑顆粒的反應機理示意圖

2.2 UHIB-B作用機理分析

UHIB-B抑制劑屬于聚胺類抑制劑，UHIB-B聚胺與水反應部分會產生離解或化合而以離子形式或者化合形式存在。離子形式是一類能有效的吸附在巖屑的負電性顆粒，使膨潤土表面負電荷增加，ζ電位升高。另一方面，化合形式吸附在巖屑表面使得水化膜增厚，兩者的共同作用很大程度上增加了巖屑的聚結穩(wěn)定性。此外，胺的總濃度處于活躍狀態(tài)的離解胺濃度不高，但是能夠抑制地層空隙表面的黏土中最活躍的易水化基團，并且強有力的吸附在黏土表面，抗沖刷能力強，因此UHIB-B能夠長效性地抑制巖屑和黏土的水化分散[8-10]（作用機理如圖2）。

圖2 胺類頁巖抑制劑的抑制機理示意圖

3 兩種強抑制劑的評價

配制3%預水化膨潤土，加入不同抑制劑進行巖屑滾動回收實驗，從而評價其抑制性能，結果見表1。在此基礎上將抑制劑UHIB-B與其他抑制劑進行配伍性試驗，所得結果見表2。

表1 各抑制劑的抑制性能

注：熱滾條件為90 ℃×16 h，戶外露頭巖屑6～10目，熱滾后過40目篩。

表2 UHIB-B抑制劑與其他抑制劑的配伍效果

注：熱滾條件為90 ℃×16 h，戶外露頭巖屑6～10目，熱滾后過40目篩。

從實驗結果可以看出，在相同的條件下，UHIB-B和Y1的抑制性能明顯好于傳統(tǒng)無機鹽抑制劑KCl和CaCl2，其中Y1的抑制性能最為顯著，而后的配伍性試驗中，UHIB-B能和其它抑制劑配合使用，相比之下與Y1的協(xié)同效果最好。

4 強抑制性水基鉆井液的配方及性能

4.1 UHIB-B加量確定

在使用以上實驗評價的抑制劑組合、增黏劑TQ和降濾失劑QS的情況下，根據鉆井作業(yè)對鉆井液流變性能以及濾失性能的要求，通過控制UHIB-B的加量為空白、1%、2%、3%測試鉆井液體系流變參數和濾失量。實驗結果見表3。

表3 UHIB-B加量對鉆井液性能的影響

注：熱滾條件為90 ℃×16 h，戶外露頭巖屑6～10目，熱滾后過40目篩。

由表3的實驗數據可以看出,經過熱滾老化后，流變參數基本保持不變, 說明UHIB-B的加量對于鉆井液體系的流變性能基本沒有影響，4組對比實驗的API濾失量結果都小于5 mL,符合現(xiàn)場鉆井作業(yè)的要求。但由于前三組試驗的HTHP濾失量均大于第四組鉆井液體系，因此最終優(yōu)選出加量為3%的UHIB-B的水基鉆井液體系。

4.2 強抑制性水基鉆井液的性能

4.2.1 鉆井液的抑制性能

當地層黏土含量高、水敏性強時，鉆井過程中不但需要對巖屑有較強的抑制作用，對黏土的穩(wěn)定也有著極高的要求，所以從巖屑回收實驗和離心法防膨實驗兩方面對體系的抑制性能進行評價。離心法防膨實驗使用離心管測定膨潤土粉在鉆井液體系、煤油和去離子水中體積膨脹增量評價防膨率，樣品與膨潤土溶液在模擬地層溫度條件下靜止2 h后，調整自平衡離心機轉速為1 500 r/min并離心15 min計算膨潤土體積增量[11,12]，實驗數據見表4和表5。

鉆井液體系的巖屑回收率遠遠大于水和CaCl2溶液，說明該體系具有非常強的抑制巖屑的能力。同時體系的防膨率達到了85%，體系對于黏土的穩(wěn)定也有較好的能力。

表4 巖屑在不同鉆井液中的回收率

注：熱滾條件為90 ℃×16 h，戶外露頭巖屑6～10目，熱滾后過40目篩。

表5 強抑制性水基鉆井液體系的防膨率

4.2.2 鉆井液的抗溫性能

溫度對鉆井液處理劑的性能有較大影響，處理劑在顆粒表面的吸附作用隨溫度升高而減弱，其原因主要是分子熱運動加劇所造成的，高溫解吸附會直接影響處理劑的抑制能力，從而使顆粒更加分散。嚴重時高溫高壓濾失量劇增，流變性能失去控制，導致鉆井液攜沙能力急劇下降[13]。因此，考察體系的黏溫性能非常重要，室內測量了鉆井液體系在熱滾前后的流變參數隨溫度的變化，實驗分別將配制好的鉆井液在90、100、110、120 ℃的條件下進行熱滾老化測試其抗溫性能，實驗結果如表6。

表6 鉆井液體系性能隨溫度的變化

注：熱滾時間為16 h，50 ℃的條件下測量流變性能。

從實驗數據可知，體系隨著溫度升高黏度變化逐漸變小，動切力先下降后上升，表明該體系發(fā)生了程度極小的高溫分散,總體而言，該體系經過不同溫度的老化仍然保持較好的流變性能和濾失性能，具備良好的攜帶巖屑的能力。

4.2.3 鉆井液的抗污染能力

在鉆井過程中經常會鉆遇一些復雜的地層，像鹽巖、泥巖、膏巖等，此時，鉆井液不但需要抑制能力突出，還需要抗鹽、抗膏等污染的能力，室內采用了10%黏土、5%NaCl和0.5%CaSO4對該體系進行污染評價研究，結果如表7。

表7 鉆井液的抗污染性能

注：熱滾時間為16 h，50 ℃的條件下測量流變性能。

從實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，無論是被黏土、NaCl或者CaSO4等污染物侵入，相比較未污染鉆井液，流變性和濾失性均未發(fā)生明顯的變化，API濾失量也基本保持穩(wěn)定，總體來說黏土、鹽、鈣的污染對體系性能影響不大，表明該體系有較好的抗污染能力。

4.2.4鉆井液的封堵性能

評價鉆井液濾失性能比較成熟的方法是使用API濾失儀測試法，該方法測試鉆井液濾失量的隔離介質是濾紙。但是濾紙的空隙是均勻的，而地層空隙是非均質的，尤其遇到裂隙發(fā)育的地層時，API濾失儀測試法往往不能反應真實情況。所以本實驗采用非均質空隙沙床法測定鉆井液的濾失性能。使用350 mL的60至80目的沙粒倒入壓濾裝置用于模擬地層，在0.69 MPa的壓力下觀測30 min后鉆井液體系滲入深度[14,15]，實驗數據見表8。

表8 鉆井液的封堵性能

從實驗數據可知，侵入深度：3%基漿＞3%NA＞鉆井液體系，納米封堵劑NA具有良好的封堵性能，體系中加入封堵材料后，泥漿的侵入深度明顯下降。

4.2.5 鉆井液的潤滑性

鉆井液配方中加入液態(tài)潤滑劑2.5%RT，熱滾老化之后，在室溫的條件下，使用潤滑儀測得該體系的摩阻系數為0.18，接近一般油基鉆井液的摩阻系數。因此，該水基鉆井液體系具有良好的潤滑性能。

5 結論

胺類頁巖抑制劑和硅酸鈉抑制劑的抑制效果突出并且有較好的協(xié)同作用，并在一定程度上，提高了鉆井液的黏度穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。強抑制性水基鉆井液具有良好的流變性能、抗污染能力以及潤滑性。體系在受到黏土、無機鹽污染的情況下，體系的各項性能穩(wěn)定，潤滑性接近油基鉆井液，適宜于在高造漿、高水敏地層、裂縫發(fā)育和與易污染地層中使用。

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Indoor Experimental Research on Strong Inhibitory Water-based Drilling Fluid

1,2,3,1,1,1

（1.Earth Science Institute，Yangtze University, HubeiWuhan 430100China；2. Petroleum Engineering Institute，Yangtze UniversityHubeiWuhan 430100China；3.Hubei Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Engineering ,Hubei Wuhan 430100, China）

Due to the strong hydration of the shale formation, the formation is very easy to hydrate and expand to cause the wall instability. A large number of cuttings are scattered in the drilling fluid, causing drastic changes of the rheological properties of the drilling fluid, wells are prone to well leakage, collapse, shrinkage and other issues. In response to this situation, a high temperatureresistance, anti-pollution, strong inhibition water-based drilling fluid system was developed. By evaluating the synergistic effect of the amine shale inhibitor UHIB-B and the silicate inhibitor Y1, the synergistic effect of the drilling fluid was improved and the rheological properties were maintained. The system had a temperature resistance of 120 ℃, API filter vector was less than 3 mL, HTHP filter vector was less than 9 mL. When the sealing performance of the drilling fluid was measured, the invasion depth of the drilling fluid in the sand bed was 1.8 cm, and the rheological performance was still good under the pollution of bentonite and inorganic salt. The recoveries of the drilling fluid system were 98% and drilling fluid anti-expansion rate was 85%. Experiments show that the system has good rheological properties, inhibition and sealing, anti-temperature performance and anti-invasive properties. And it is suitable for high water sensitive and easy pollution and other complex formations.

Hydration; Water-based drilling fluid; Strong inhibition; Cuttings recovery; Performance evaluation

TE 254.3

A

1671-0460（2017）12-2566-04

2017-04-13

付世豪(1995-)，男，湖北黃岡人，研究方向：油田化學。E-mail：13995934824@163.com。

許明標(1962-), 教授, 博士, 1983年畢業(yè)于原西南石油學院油田化學專業(yè)，從事入井流體研究工作。E-mail：xmb62@163.com。