聚合醇在水基鉆井液中的優(yōu)選與應(yīng)用

張欣濤

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井液分公司，黑龍江大慶163000）

鉆井液及鉆井液處理劑經(jīng)過20世紀(jì)80年代的發(fā)展高潮以后，逐漸進(jìn)入穩(wěn)定期，亦即技術(shù)成熟期?？梢哉J(rèn)為，由于鉆井液及鉆井液處理劑都有眾多的類型及產(chǎn)品可供選擇，因此現(xiàn)代鉆井液技術(shù)已不再研究和開發(fā)一般鉆井液及鉆井液處理劑產(chǎn)品，而是在高效廉價、一劑多效、保護(hù)油氣層、盡可能減輕環(huán)境污染等方面進(jìn)行深入研究[1]，以尋求技術(shù)更先進(jìn)、性能更優(yōu)異、綜合效益更佳的鉆井液及鉆井液處理劑。

1 聚合醇在鉆井液中的作用機(jī)理

由于聚合醇能抑制頁巖水化膨脹，具有潤滑、生物降解、利于環(huán)保、保護(hù)油層等特點，很快引起了人們對其作用機(jī)理的關(guān)注。聚合醇抑制泥頁巖水化分散的機(jī)理歸納起來有以下4種：①濁點效應(yīng)。當(dāng)溫度在濁點以下時，聚合醇處于被溶解狀態(tài),而溫度高于濁點時，則從水溶液中析出，在頁巖表面吸附并形成憎水膜，抑制頁巖水化分散[2]；②聚合醇可增大濾液的粘度、抑制頁巖水化分散。抑制機(jī)理是降低濾液化學(xué)活性，減小其滲透能力，但該機(jī)理要求多元醇濃度較高，在3%～5%的一般加量下不能實現(xiàn)[3]；③與水分子爭搶頁巖中粘土礦物上的吸附位置；④在抑制頁巖水化分散、穩(wěn)定頁巖的作用上，聚合醇與無機(jī)鹽具有協(xié)同效應(yīng)[4]。

2 聚合醇的優(yōu)選

本次室內(nèi)實驗將對7種不同廠家的聚合醇（編號為JHC-A、JHC-B、JHC-C、JHC-D、JHC-E、JHC-F、JHC-G）進(jìn)行評價，從中優(yōu)選出不起泡、具有較強(qiáng)抑制能力和一定濁度的聚合醇，與有機(jī)抑制劑復(fù)配，提高體系抑制能力的同時，對泥頁巖微裂縫形成內(nèi)封堵，有效避免泥頁巖水化膨脹分散，防止鉆進(jìn)過程中泥頁巖縮徑、坍塌引起的卡鉆等復(fù)雜情況。針對收集到的7種聚合醇樣品，利用泉頭組四段泥頁巖巖屑，通過滾動回收率實驗，評價聚合醇單劑抑制效果，同時開展與原水基鉆井液體系配伍性實驗研究，評價其加入前后鉆井液性能變化情況，并觀察是否有起泡現(xiàn)象發(fā)生。通過對比實驗結(jié)果，優(yōu)選出各項性能較優(yōu)的聚合醇處理劑。

2.1 聚合醇單劑加量及抑制效果評價

針對收集到的7種聚合醇樣品，利用泉頭組四段泥頁巖巖屑，通過滾動回收率實驗，評價聚合醇單劑抑制效果，同時確定最適宜的處理劑加量。通過對比實驗結(jié)果，優(yōu)選出各項性能較優(yōu)的聚合醇處理劑，試驗結(jié)果如表1所示。

從實驗結(jié)果可以看出，7種聚合醇樣品均在加量為3%時回收率升高明顯，說明聚合醇對巖屑有一定的抑制性，繼續(xù)增加加量回收率也會有小幅升高，但考慮到3%的加量已經(jīng)具有很好的抑制性，且考慮到經(jīng)濟(jì)性，故確定聚合醇加量為3%。聚合醇單劑抑制效果先后順序：JHC-B＞JHC-D＞JDC-A＞JHC-E＞JHCC＞JHC-F＞JHC-G。其中，JHC-B樣品、JHC-D、JHC-F均在3%加量單劑評價過程中存在起泡現(xiàn)象。

2.2 配伍性實驗評價

在原鉆井液體系中分別加入JHC-A、JHC-B、JDC-C、JHC-D、JHC-E、JHC-F、JHC-G 7種聚合醇，控制聚合醇加量為3%，測試?yán)匣昂蟮某Ｒ?guī)性能及滾動回收率，原鉆井液體系配方如下：

基漿+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV

試驗結(jié)果表明，將聚合醇與體系進(jìn)行復(fù)配后，對鉆井液體系的抑制性也有大幅度提升，抑制性強(qiáng)弱順序為：JHC-G＞JHC-A＞JHC-B＞JHC-C＞JHC-E＞JHC-F＞JHC-D。但是除了JHC-A、JHC-G、JHCC三種聚合醇樣品外，其余樣品都存在著很嚴(yán)重的起泡現(xiàn)象，產(chǎn)生大量的微泡，在加入較多消泡劑的情況下也無法將微泡消除。綜合聚合醇單劑抑制效果及與鉆井液體系配伍性實驗結(jié)果，優(yōu)選出以下3個廠家的聚合醇作為備選。分別為：JHC-A、JHC-G、JHC-C。

表1 7種聚合醇樣品抑制性評價試驗

2.3 抗鹽性實驗評價

將優(yōu)選出的3種聚合醇樣品JHC-A、JHC-C、JHC-G配成3%的水溶液進(jìn)行滾動回收實驗，再分別加入5%KCl進(jìn)行滾動回收實驗，與清水做對比實驗。實驗中采用泉頭組四段泥頁巖巖屑（溫度為120℃）。

試驗結(jié)果表明，清水與3%聚合醇復(fù)配后，抑制性大幅度提高，在此基礎(chǔ)上加入5%KCl后，JHC-A和JHC-G樣品的回收率有所增加，而JHC-C樣品的回收率略有下降，說明JHC-A和JHC-G樣品與KCl有良好的配伍性，具有協(xié)同抑制作用。綜合以上室內(nèi)實驗結(jié)果，優(yōu)選出綜合性能較優(yōu)異的JHC-G作為聚合醇處理劑。

3 聚合醇鉆井液與原有水基鉆井液性能對比

本實驗將對原有的硅基陽離子鉆井液體系在引入聚合醇前后的性能變化。

（1）原鉆井液體系配方：5%土漿+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV。

（2）引入聚合醇后高性能鉆井液配方：5%土漿+3%JHC-G+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV。

3.1 抑制性對比

針對原硅基陽離子鉆井液和改進(jìn)后的高性能鉆井液，利用泉頭組四段泥頁巖巖屑，通過滾動回收率實驗，評價鉆井液抑制效果。鉆井液性能如表2所示。

表2 與原體系的抑制性對比

實驗結(jié)果證明，在硅基陽離子鉆井液體系中引入聚合醇后鉆井液體系的回收率明顯提高，說明高性能鉆井液體系有了更好的抑制性。

3.2 封堵性對比

因為聚合醇的濁點效應(yīng)，溫度高于濁點時,可從水溶液中析出,起到封堵的作用。所以首先確定聚合醇JHC-G的濁點。

3.2.1 聚合醇JHC-G濁點的測量

在300mL蒸餾水中加入3g聚合醇樣品配成1%濃度的樣品，并充分?jǐn)嚢?，待完全溶解后，?00mL樣品于試管中，放在水浴鍋中加熱、升溫。觀察溶液出現(xiàn)渾濁時，記錄下該溫度t1；然后把試管置于空氣中冷卻，記錄溶液由渾濁變透明時的溫度t2，若t1=t2，則該溫度即為聚合醇的濁點。實驗結(jié)果：JHC-G的濁點為60℃。

3.2.2 溫度在60℃前后封堵性對比

分別在40℃和80℃對硅基陽離子鉆井液和高性能鉆井液做高溫高壓失水實驗，評價降失水性，如表3所示。

表3 高溫高壓失水實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，在低于60℃的條件下，2種體系的高溫高壓失水量相當(dāng)，但當(dāng)溫度升到80℃時，高性能鉆井液體系的高溫高壓失水變少，證明聚合醇的濁點效應(yīng)可以提高體系的封堵性，降低失水。

3.3 引入聚合醇后對流變性的影響

用六速旋轉(zhuǎn)粘度計對2種鉆井液體系的流變性進(jìn)行測量，得到流變性能如表4所示。

表4 引入聚合醇后流變性能

實驗證明，在硅基陽離子體系中引入聚合醇并沒有對體系的流變性產(chǎn)生很大的影響。從室內(nèi)對比實驗可以看出，引入聚合醇后體系的抑制性有大幅提升，在溫度超過濁點后高溫高壓失水也有所降低，提高了封堵性，并且聚合醇對流變性的影響不大，雖然在高速攪拌時有少量氣泡產(chǎn)生，但加入少量消泡劑后易被清除。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2014年上半年強(qiáng)抑制水基鉆井液技術(shù)服務(wù)完成水平井3口，施工區(qū)塊為大慶油田F38區(qū)塊和Z41井區(qū)，這3口井井身結(jié)構(gòu)及鉆井液要求具體見表5。

表5 高性能鉆井液在3口井應(yīng)用情況

從實鉆井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)上不難看出Z41-P1井鉆井液施工難度最大，F(xiàn)38-P6次之，F(xiàn)38-P3難度最小。F38-P3等3口井最大狗腿度在7.5°～8.49°之間，其中Z41-P1井自著陸至完鉆甲方導(dǎo)向垂深下降了35m，形成雙階梯井軌，一定程度上增加了實鉆摩阻。鉆井液主要性能均符合設(shè)計指標(biāo)，濾失量小于3mL，鉆井液井壁穩(wěn)定能力較強(qiáng)，抑制性較好，為現(xiàn)場順利施工提高了強(qiáng)有力的保障。實鉆地質(zhì)情況分析，砂巖鉆遇率依次為F38-P6＞F38-P3＞Z41-P1，地質(zhì)描述多為油跡或不含有干砂，少量為油斑，實鉆顯示Z41-P1，F(xiàn)38-P6水平段油層發(fā)育較好，而Z41-P1井砂巖鉆遇率僅為31%，含油段僅占水平段的10%左右，鉆遇泉頭組泥巖866m，嚴(yán)重影響了鉆井實效，加大了鉆井液維護(hù)處理難度。

4.2 鉆井液性能對比

對3口井的鉆井液性能進(jìn)行了對比。3口井實鉆鉆井液性能穩(wěn)定，流變性調(diào)整簡便，動塑比基本在0.3～0.6之間，流型滿足現(xiàn)場巖屑攜帶和懸浮要求，靜態(tài)濾失量不超過3mL，潤滑系數(shù)均控制在0.1以下。Z41-P1井由于鉆井周期長達(dá)39d，鉆井液中亞微米顆粒含量逐漸增加，現(xiàn)場固控設(shè)備無法清除，導(dǎo)致后期鉆井液固相含量過高，完鉆前為了平衡青山口組和泉頭組泥巖地層，將鉆井液密度循環(huán)提高至1.30g/cm3，平衡空井時地層孔隙壓力，保證了完井順利。

4.3 應(yīng)用效果總結(jié)

（1）高性能水基鉆井液施工的3口井井身結(jié)構(gòu)難度較高，裸眼段較長，目的層埋深較深，巖性較硬，定向難度較高，通過優(yōu)化現(xiàn)場鉆井液維護(hù)處理措施，改進(jìn)現(xiàn)場固控技術(shù)，強(qiáng)化現(xiàn)場技術(shù)管理和溝通協(xié)調(diào)等手段，實現(xiàn)了3口井二開機(jī)械鉆速均在6m/h以上，其中F38-P6井實現(xiàn)二開機(jī)械鉆速7.11m/h的好成績，創(chuàng)出了該區(qū)淺層水平井完鉆最深井和長位移水平井二開機(jī)械鉆速記錄。Z41-P1井實現(xiàn)二開機(jī)械鉆速6.24m/h的好成績，創(chuàng)出了所在區(qū)塊長位移水平井鉆速記錄。

（2）通過3口井的實鉆摸索，形成了一套有針對性的鉆井液配套技術(shù)措施和工程參數(shù)優(yōu)化方案，積累了長位移水平井施工成功經(jīng)驗，為今后施工該井型提供技術(shù)保障。

（3）高性能水基鉆井液之所以能在長位移水平井施工中取得顯著效果，得益于該體系超強(qiáng)的化學(xué)抑制性，通過添加新型處理劑進(jìn)一步提高了鉆井液抑制性，同時降低了水相活度，巖屑水化膨脹得到及時抑制，避免了由于泥巖井壁水化應(yīng)力釋放造成的縮徑和剝落。

（4）3口井造斜井段位于青山口組，該段上部以綠灰、深灰、黑色泥巖為主，夾灰黑色粉砂質(zhì)泥巖及介形蟲層；中部為黑色泥巖，質(zhì)純性脆，含介形蟲化石。下部為黑色泥巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、黑褐色油頁巖呈不等厚互層。針對青山口及泉頭組橫向裂縫發(fā)育泥頁巖穩(wěn)定性差、地層膠結(jié)欠致密、對激動壓力較敏感等技術(shù)難點，為了保證安全、快速、高效鉆井施工及油藏的有效開發(fā)，在室內(nèi)對泥頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并從胺基抑制劑研究入手，研選出抑制性能良好的胺基抑制劑，并優(yōu)選出與之配套的其他鉆井液處理劑，最終開發(fā)出高性能水基鉆井液體系，提升了體系化學(xué)穩(wěn)定井壁能力；此外針對設(shè)計中鉆井液密度偏低的問題，通過與甲方溝通，將鉆井液密度提高到1.27g/cm3，保證易塌地層的力學(xué)穩(wěn)定，現(xiàn)場雙管齊下解決了泥頁巖地層鉆進(jìn)施工所面臨的縮徑、鉆具泥包、井壁剝落、坍塌等等技術(shù)難題，施工效果證明該體系穩(wěn)定井壁能力較強(qiáng)。

5 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)的抑制性實驗、配伍性實驗和抗鹽性實驗，從7種聚合醇樣品中優(yōu)選出一種綜合性能優(yōu)異的聚合醇JHC-G作為高性能鉆井液的藥劑。

（2）將改良后的高性能鉆井液與原硅基陽離子鉆井液在抑制性和封堵性上作了對比研究，結(jié)果證明體系引入聚合醇后在抑制性和封堵性上均好于原體系，且對流變性影響很小。

（3）通過現(xiàn)場應(yīng)用，證明高性能鉆井液體系有很強(qiáng)的抑制性，返出巖屑棱角明顯，高性能水基鉆井液采用微裂縫內(nèi)封堵和外部封堵相結(jié)合的方法，并引入具有濁點效應(yīng)的聚合醇，達(dá)到對地層微裂縫的封堵，實現(xiàn)井壁穩(wěn)定，并且體系熒光級別低，便于油層判斷及解釋。

（4）改良后的高性能鉆井液更適合在低孔特低滲裂縫發(fā)育的油層進(jìn)行長位移水平井的施工。

[1] 邊繼祖，張獻(xiàn)豐，張全明，等.聚合醇的研究與應(yīng)用[J].精細(xì)化工,2001(8).

[2] 肖穩(wěn)發(fā)，岳前聲，向興金.鉆井液處理劑及體系對聚合醇JLX濁點的影響[J].鉆井液與完井液,2000(1).

[3] 郭寶利，袁孟雷，王愛玲，等.聚合醇抑制性能評價研究[J].鉆井液與完井液,2005(4).

[4] 劉彥妹，左鳳江，高麗娟，等.聚合醇與有機(jī)鹽的協(xié)同效應(yīng)[J].鉆井液與完井液,2010(2).