一種油基鉆井液用支化型流型調(diào)節(jié)劑及其應(yīng)用

李舟軍，王顯光(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101)

王松 (長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

近年來，隨著頁巖氣的商業(yè)開發(fā)迅猛發(fā)展，油基鉆井液的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[1～3]。但是受限于結(jié)構(gòu)力提升困難，國(guó)內(nèi)油基鉆井液普遍存在油水比和黏切的調(diào)控蹺蹺板效應(yīng)。研制能使油基鉆井液同時(shí)具有低油水比、高動(dòng)塑比的流型調(diào)節(jié)劑是解決問題的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前已開展了相應(yīng)研究工作。McNally等[4,5]使用烷氧基化脂肪胺、聚氧乙烯醚二胺分別與多元羧酸進(jìn)行酰胺化反應(yīng)，得到粉末狀季銨鹽油基鉆井液提切劑，該提切劑抗溫可達(dá)68～149℃。Jeffrey等[6]使用酯類作為油基鉆井液提切劑，抗溫可達(dá)121℃，老化后動(dòng)塑比提高，塑性黏度增量占動(dòng)切力或低轉(zhuǎn)速讀值最大增量的35%。米遠(yuǎn)祝等[7]利用本體聚合法合成得到苯乙烯和α-烯烴的共聚物，再用乙酸酐與濃硫酸的混合物處理，制備了低磺化程度的橡膠類物質(zhì)，用其作為油基鉆井液的增黏劑，抗溫達(dá)180℃。支化聚合物作為油田化學(xué)品的研究尚處于起步階段，但因?yàn)槠渚哂辛己玫娜芙庑浴⒌宛ざ?、多端基反?yīng)活性等特點(diǎn)，已在光電材料、藥物投送等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外研究者已開展支化聚合物作為頁巖抑制劑、破乳劑、絮凝劑等的研究工作。德國(guó)巴斯夫公司將超支化聚賴氨酸季銨鹽化，得到了一種高效的頁巖抑制劑，對(duì)黏土具有很好的抑制水化效果，性能優(yōu)于Ultrahib、Basodrill等已商業(yè)化的頁巖抑制劑產(chǎn)品，并且28d降解率不低于15%，60d不低于50%[8]。Zhang等[9]通過陰離子聚合法得到了含PEO親水性鏈及PPO親油性鏈的兩親性樹枝狀嵌段共聚物。

為解決油水比和黏切的調(diào)控蹺蹺板效應(yīng)，筆者合成了一種支化型流型調(diào)節(jié)劑ASA，在該基礎(chǔ)上研制了一套高切力的低油水比油基鉆井液體系。該體系兼顧了低油水比和乳化穩(wěn)定性、體系結(jié)構(gòu)力等多種性能，在焦頁54-1hf井進(jìn)行了成功應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 支化型流型調(diào)節(jié)劑的合成及評(píng)價(jià)

1.1 支化型流型調(diào)節(jié)劑的合成

應(yīng)用兩步法合成了支化型流型調(diào)節(jié)劑。首先將多元酸A、多元醇胺B按照一定比例，在惰性環(huán)境中進(jìn)行初步反應(yīng)，反應(yīng)溫度為100～200℃，反應(yīng) 1～3h；再次加入多元醇胺B，同時(shí)加入少量堿性催化劑，維持反應(yīng)溫度在100～200℃，繼續(xù)反應(yīng)1～3h；終止加熱，繼續(xù)攪拌，降溫即得支化型流型調(diào)節(jié)劑。

選取了3種多元酸和3種多元醇胺，按照一定的配比反應(yīng)，分別得到了3種黏稠液體狀的支化型流型調(diào)節(jié)劑C1、C2、C3，在3個(gè)油基鉆井液基漿中分別進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)原理及配比組合進(jìn)行了優(yōu)選。

1.2 支化型流型調(diào)節(jié)劑的評(píng)價(jià)

1.2.1油基鉆井液基漿制備

油基鉆井液1#基漿：320mL礦物油+80mL CaCl2溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%)+18g主乳化劑SMEMUL-H1+10g輔乳化劑SMEMUL-H2+8g CaO+10g有機(jī)土+8g降濾失劑，重晶石加重到2.1g/cm3。

油基鉆井液2#基漿：300mL礦物油+100mL CaCl2溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%)+14g主乳化劑SMEMUL-H1+8g輔乳化劑SMEMUL-H2+8g CaO+12g有機(jī)土+10g降濾失劑，重晶石加重到1.8g/cm3。

油基鉆井液3#基漿：280mL礦物油+120mL CaCl2溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%)+14g主乳化劑SMEMUL-H1+8g輔乳化劑SMEMUL-H2+8g CaO+15g有機(jī)土+10g降濾失劑，重晶石加重到1.5g/cm3。

其中，礦物油均為廣東茂名石化5號(hào)油。SMEMUL-H1和 SMEMUL-H2均為中石化石油工程技術(shù)研究院研制的抗高溫型乳化劑。

1.2.2流型調(diào)節(jié)劑性能測(cè)試及對(duì)比

1#～3#油基鉆井液基漿各配制4份，1份作為空白樣，另3份分別加入2g的流型調(diào)節(jié)劑C1、C2和C3，200℃滾動(dòng)老化16h后進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 不同原料及配比支化型流型調(diào)節(jié)劑性能對(duì)比

圖1 支化型流型調(diào)節(jié)劑ASA的紅外譜圖

從表1的數(shù)據(jù)可知，3種流型調(diào)節(jié)劑均能有效提高油基鉆井液的破乳電壓、動(dòng)切力和初終切，在體系中加入2g流型調(diào)節(jié)劑，即可使油基鉆井液的動(dòng)塑比維持在0.3～0.5Pa/(mPa·s)，體系整體抗溫超過200℃。其中，尤以2#產(chǎn)品的提切效果最好，在相同加量下，老化后鉆井液黏度適中，但動(dòng)塑比最高，破乳電壓最高。優(yōu)選C2對(duì)應(yīng)的原料及配比組合，作為支化型流型調(diào)節(jié)劑ASA合成基礎(chǔ)，進(jìn)行后續(xù)研究。

1.3 支化型流型調(diào)節(jié)劑紅外光譜

2 高切力低油水比油基鉆井液體系性能評(píng)價(jià)

2.1 油水比優(yōu)化

針對(duì)不同油水比75∶25～60∶40，通過調(diào)整主要處理劑的加量得到各自的優(yōu)化配方，室內(nèi)評(píng)價(jià)了高切力低油水比鉆井液在200℃老化16h后的流變性能?；A(chǔ)配方為：5#礦物油+1.0%～3.5%有機(jī)土+1.5%～4.0%主乳+1.0%～2.0%輔乳+0.5%ASA+2.0%～4.0%降濾失劑+25%CaCl2水溶液+2.0%CaO(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，用重晶石加重到1.5g/cm3。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同油水比下高切力低油水比油基鉆井液流變性能評(píng)價(jià)

注：Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)6、3r/min對(duì)應(yīng)的讀值；VHTHP為高溫高壓濾失量。

隨著油水比降低，體系塑性黏度逐漸增加，但動(dòng)切力并未受到太大影響。對(duì)于該油基鉆井液體系而言，在70∶30和65∶35的油水比下，破乳電壓仍然高于650V，乳化穩(wěn)定性好；動(dòng)塑比不低于0.30Pa/(mPa·s)，流變性能可有效保障井下的攜巖帶砂；高溫高壓濾失量可控，體系整體性能優(yōu)異。選擇油水比為70∶30作為最優(yōu)油水比進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

在70∶30的油水比下，調(diào)整處理劑加量得到不同密度下的鉆井液優(yōu)化配方。使用極壓潤(rùn)滑儀和泥餅黏附系數(shù)測(cè)定儀對(duì)高切力低油水比鉆井液的EP潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

油基鉆井液密度為2.1g/cm3時(shí)，EP潤(rùn)滑系數(shù)仍然保持較低值(0.080)，這表明該體系整體具有良好的潤(rùn)滑性能。由此可見，支化型流型調(diào)節(jié)劑在高切力低油水比油基鉆井液的密度適用范圍寬，可達(dá)到1.0～2.1g/cm3。

表3 高切力低油水比油基鉆井液潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

2.3 體系抗污染性能評(píng)價(jià)

在油水比為70∶30，密度為1.5g/cm3的油基鉆井液中，加入不同量的10～20目焦石壩龍馬溪組巖屑，進(jìn)行污染試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。該油基鉆井液體系具有良好的抗鉆屑污染性能。即使有15%含量10～20目的頁巖鉆屑侵入，也不會(huì)造成鉆井液顯著增稠，可降低長(zhǎng)時(shí)間靜置后開泵壓的風(fēng)險(xiǎn)，有助于現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的性能維護(hù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

支化型流型調(diào)節(jié)劑及高切力低油水比油基鉆井液在涪陵焦石壩區(qū)塊完成了10余口頁巖氣水平井的鉆井液施工。以焦頁54-1hf井為例，介紹其應(yīng)用情況。

3.1 焦頁54-1hf水平井施工概況及技術(shù)難點(diǎn)

表4 高切力低油水比油基鉆井液抗鉆屑污染評(píng)價(jià)

焦頁54-1hf井完鉆垂深2705m，斜深4840m，水平段長(zhǎng)1530m。采取三開的井身結(jié)構(gòu)，三開水平段使用?215.9mm鉆頭和?139.7mm套管完井。

鉆探目的層(上奧陶統(tǒng)五峰組至下志留統(tǒng)龍馬溪組)為深水陸棚相沉積，發(fā)育厚達(dá) 83～102m灰黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，鄰井的全巖 X 衍射分析顯示，該目的層長(zhǎng)英質(zhì)等脆性礦物發(fā)育，體積分?jǐn)?shù)在50.01%～70.39%，平均60.2%，碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)平均為 4.0%。儲(chǔ)層層理和微裂縫發(fā)育，易發(fā)生剝蝕掉塊，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

該井段為三開大斜度井段和水平段鉆進(jìn)，實(shí)鉆裸眼水平段長(zhǎng)1530m，易形成巖屑床。要求鉆井液具有良好的潤(rùn)滑降阻和懸浮攜帶能力。

綜合考慮井筒強(qiáng)化、抑制防塌、攜巖攜砂、清潔潤(rùn)滑等性能要求，三開井段采用油基鉆井液體系。同時(shí)為盡量降低鉆井成本，減少后續(xù)含油廢棄物的污染，確立了高切力、低油水比的性能調(diào)控方針。

3.2 鉆井液性能維護(hù)

新配制油基鉆井液膠液油水體積比為65∶35～70∶30，按總體積加入3%～4%主乳化劑、1%～2%輔乳化劑、2%～4%油基降濾失劑、0.5%～1%ASA、3%～5%隨鉆堵漏材料、2%～3%CaO。

1)施工期間，鉆井液密度維持在1.41～1.53g/cm3，合適的ECD有助于井筒強(qiáng)化和井壁穩(wěn)定。

2)采用180～200目振動(dòng)篩控制固相。不間斷開啟除砂器，間歇開啟離心機(jī)，清除亞微米級(jí)的低密度劣質(zhì)固相，防止鉆井液增稠。

3)勤做短起下，破壞巖屑床，每鉆進(jìn)一個(gè)立柱，活動(dòng)鉆具。

4)鉆進(jìn)期間適量補(bǔ)充膠液，并配合老漿，維持體系整體的潤(rùn)濕性、流變性。

5)采用粒徑級(jí)配、多種隨鉆封堵材料，減少壓力傳遞，保證體系具有良好的封堵性能，降低滲漏，強(qiáng)化井筒。

3.3 鉆井液實(shí)鉆性能

焦頁54-1hf井三開3008～4840m井段，油基鉆井液的實(shí)鉆現(xiàn)場(chǎng)性能如表5所示。油基鉆井液的密度1.41～1.51g/cm3，漏斗黏度控制在58～79s范圍內(nèi)，動(dòng)塑比0.34～0.40Pa/(mPa·s)，中壓濾水控制在0.4～1.4mL范圍內(nèi)，破乳電壓始終高于719V。

表5 焦頁54-1hf井三開鉆井液分段性能

焦頁54-1hf井施工過程中，接單根正常，短起下暢通無阻。水平段井眼穩(wěn)定，無剝落掉塊，振動(dòng)篩出巖屑完整，棱角清晰。井眼軌跡圓滑，工具面穩(wěn)定，無拖壓現(xiàn)象。固井下套管一次到位。電測(cè)通井一次到底，井徑擴(kuò)大率為1.5%。

由三開現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況可知，油基鉆井液具有突出的流變性能和乳化穩(wěn)定性，濾失量控制合適，配合鉆井施工，防止了巖屑床的形成。良好的隨鉆封堵性能和防漏措施，保障了三開無井漏現(xiàn)象發(fā)生。

由此可知，支化型流型調(diào)節(jié)劑可幫助兼顧高的結(jié)構(gòu)力和低的油水比，在大幅度降低鉆井成本的同時(shí)，保證了井下施工的安全進(jìn)行，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

1)合成了一種全新的支化型流型調(diào)節(jié)劑，在油基鉆井液中抗溫不低于200℃，并具有一定的乳化穩(wěn)定效果。

2)研制了一套高切力的低油水比油基鉆井液體系，其配方為：5號(hào)礦物油+1.0%～3.5%有機(jī)土 +1.5%～4.0%主乳+1.0%～ 2.0%輔乳+0.5%ASA+2.0%～4.0%降濾失劑+25%CaCl2水溶液+2.0%CaO+重晶石，動(dòng)塑比維持在0.3～0.5Pa/(mPa·s)，油水比可低至70∶30。

3)焦頁54-1hf井，三開水平段1530m，鉆井過程安全順利，無掉塊無沉降，無拖壓無黏卡。

4)支化型流型調(diào)節(jié)劑ASA可在低油水比情況下，兼顧提高油基鉆井液切力，降低含油鉆屑處理難度，顯著提高油基鉆井液整體經(jīng)濟(jì)效益。

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