XZ-新型高性能水基鉆井液的研究及應(yīng)用

蔣官澄，　董騰飛，　張縣民，　李亞林，　趙利，　劉鵬

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司泥漿技術(shù)服務(wù)公司，新疆克拉瑪依 834009）

0　引言

準(zhǔn)噶爾盆地深井儲(chǔ)層埋藏相對(duì)深，這些井井下溫度和壓力高、地層情況不明了、地層壓力變化大、巖性復(fù)雜多變，存在阻卡嚴(yán)重，惡性漏失、溢流井涌等難點(diǎn)，鉆探困難，時(shí)效低，復(fù)雜事故時(shí)率高，成本居高不下。

目前使用的油基鉆井液存在一系列問題，如成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重、固井質(zhì)量差、影響測(cè)井等，這成為全面、經(jīng)濟(jì)開發(fā)深層地層油氣的重要障礙。同時(shí)，水基鉆井液雖不存在油基鉆井液的缺點(diǎn)，但因?yàn)樗@井液抑制性差、井壁穩(wěn)定性差、潤滑防卡能力不足以及納-微米孔隙和微裂縫封堵能力不足等，所以目前水基鉆井液技術(shù)難以滿足要求。因此，提高水基鉆井液的井壁穩(wěn)定性、抑制性、微納米級(jí)封堵、潤滑防卡能力等，研發(fā)適合西部地區(qū)復(fù)雜井安全、高效、順利鉆探的水基鉆井液新方法和新技術(shù)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-7]。

鑒于以上原因，將油基鉆井液和水基鉆井液的優(yōu)點(diǎn)融為一體，研發(fā)出一種XZ-高性能水基鉆井液新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)從提高鉆井液井壁穩(wěn)定性、抑制性、微納米級(jí)封堵、潤滑能力等方面入手，創(chuàng)建適合準(zhǔn)噶爾盆地深井及深井大位移水平井的“封堵、抑制、固化、雙疏、潤滑”一體化水基鉆井液新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深井安全、高效、環(huán)保鉆井?；谑覂?nèi)研究的基礎(chǔ)，在瑪西泉井區(qū)進(jìn)行了2口井和吉木薩爾致密油1口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，XZ-高性能水基鉆井液技術(shù)針對(duì)深井、超深井的鉆探，擁有鉆井周期短、鉆井復(fù)雜事故少，經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 XZ新型水基鉆井液處理劑的優(yōu)選

XZ-新型高性能水基鉆井液是基于“固化、封堵、抑制、雙疏、潤滑”理論建立起來的。

1.1　鉆井液用抑制劑的優(yōu)選

鉆井液用仿生抑制劑XZ-YZJ是以一種常見芳香胺為原料，通過多步有機(jī)反應(yīng)，合成了帶有仿生基團(tuán)的芳香胺鹽酸鹽。選用小陽離子、聚胺、氯化鉀和XZ-YZJ進(jìn)行優(yōu)選評(píng)價(jià)。

1.1.1線性膨脹實(shí)驗(yàn)

通過膨潤土巖心在不同抑制劑溶液中的線性膨脹實(shí)驗(yàn)（見圖1），將XZ-YZJ的頁巖抑制能力與其他常用抑制劑進(jìn)行對(duì)比。從圖1可以看出，4 h時(shí)，巖心在各抑制劑溶液中已基本停止膨脹，然而，此時(shí)巖心在KCl、小陽離子和聚胺中的膨脹高度與在清水中基本相同。這是因?yàn)樵诔跏嫉膸仔r(shí)內(nèi)，由于K+和聚胺分子的溶劑化層以及小陽離子較大的分子半徑所導(dǎo)致膨潤土層間距的增大，接近晶格水化所導(dǎo)致的膨脹程度，而XZ-YZJ在層間吸附時(shí)使黏土晶格擴(kuò)大程度較小，因而不僅與其他抑制劑一樣可以在短時(shí)間內(nèi)完全抑制黏土膨脹，又可以使最終膨脹程度較小。因而其在抑制泥頁巖水化膨脹，防止泥巖層縮徑卡鉆等問題上，作用要優(yōu)于其他幾種常用抑制劑。

圖1　不同抑制劑溶液中膨潤土巖心的線性膨脹曲線

1.1.2熱滾回收實(shí)驗(yàn)

泥頁巖在清水和不同抑制劑中的滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2　泥頁巖在不同抑制劑中的滾動(dòng)回收率（150 ℃、16 h）

由圖2可以看出，在150 ℃熱滾條件下，1%KCl和小陽離子的滾動(dòng)回收率都只有50%左右，相比清水的回收率并沒有顯著提高；而巖屑在抑制劑XZ-YZJ溶液中的滾動(dòng)回收率高達(dá)84%，甚至比聚胺抑制劑還要高出7%。進(jìn)一步說明了XZ-YZJ不僅能夠很好地抑制泥頁巖水化膨脹，其抑制泥頁巖分散、剝落的能力也強(qiáng)于目前常用的幾種抑制劑。

1.2　鉆井液用封堵劑的優(yōu)選

仿生封堵劑XZ-FDJ是一種具有納米尺度，由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，通過仿生基團(tuán)對(duì)氧化石墨烯納米材料進(jìn)行表面改性合成。合成的納米封堵劑具有柔性可變形性，變形的納米顆粒進(jìn)入不同粒徑的納米孔隙，納米顆粒具有強(qiáng)的吸附基團(tuán)，可吸附在巖石表面，通過進(jìn)入孔隙和表面吸附的內(nèi)外協(xié)同作用，達(dá)到封堵納米孔隙以及降濾失的作用。PAC-LV、SPNH和超微碳酸鈣是油田常用的封堵降濾失劑，選用PAC-LV、SPNH、XZ-FDJ和超細(xì)碳酸鈣作為優(yōu)選鉆井液用封堵劑進(jìn)行濾失性能評(píng)價(jià)，如圖3所示。由于多數(shù)降濾失劑需要膨潤土的存在才能發(fā)揮較好的作用，因此所有的降濾失劑包括氧化石墨烯都加入到4%的膨潤土基漿中進(jìn)行測(cè)定。從圖3可以看出，3%XZ-FDJ與4%膨潤土基漿復(fù)配后的API濾失量非常低，僅為7 mL；而其他降濾失劑除了PAC-LV的效果稍好外，均遠(yuǎn)差于XZ-FDJ。說明XZ-FDJ具有較好的封堵效果。

圖3　加入不同降濾失劑基漿的API濾失量

1.3　鉆井液用潤滑劑的優(yōu)選

新型水基鉆井液的處理劑XZ-RHJ，是模仿蚯蚓分泌的黏液與黏土間產(chǎn)生鍵合作用，提高孔道表面潤滑性的原理而研發(fā)出的。采用現(xiàn)場(chǎng)常用潤滑劑，通過極壓潤滑實(shí)驗(yàn)和濾餅黏附實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行潤滑性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1和表2?？梢钥闯?，鍵和型潤滑劑XZ-RHJ與其他潤滑劑相比，其潤滑劑系數(shù)降低率和黏附系數(shù)降低率都優(yōu)于其他處理劑，并且在150 ℃的高溫下依然具有良好的潤滑性，因此將其作為體系的潤滑劑。

1.4　鉆井液用雙疏劑XZ-SSJ優(yōu)選

鉆井液用雙疏劑XZ-SSJ是一種帶有吸附基團(tuán)及低表面能基團(tuán)的特種表面活性劑，首先通過吸附基團(tuán)在巖石表面吸附，雙疏劑附著在巖石表面，然后雙疏劑中低表面能基團(tuán)可在巖石表面形成低表面能“涂層”，從而高表面張力的自由水及油無法在巖石表面潤濕鋪展，起到了疏水疏油的作用，有效減少了水敏地層巖石的表面水化及滲透水化，達(dá)到了穩(wěn)定井壁的效果。雙疏劑與常用表面活性劑的表面張力對(duì)比見表3。可以看出，雙疏劑XZ-SSJ溶液的表面張力遠(yuǎn)低于其他表面活性劑。

表1　加入不同潤滑劑基漿潤滑系數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

表2　加入不同潤滑劑基漿泥餅黏附系數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

表3　雙疏劑與常用表面活性劑的表面張力對(duì)比

2 XZ-新型高性能水基鉆井液體系

2.1　理論機(jī)理

仿生抑制劑XZ-YZJ是一種帶有仿生基團(tuán)的小分子有機(jī)物， 通過在黏土層間的超強(qiáng)吸附， 起到抑制黏土水化膨脹的作用[8-9]。仿生封堵劑XZ-FDJ以納米尺度分散在鉆井液中時(shí)， 巨大的比表面積會(huì)使其在濃度很低的情況下大面積貼附于井壁表面， 并通過類似瓦片的連接方式形成薄而堅(jiān)韌的一體化薄膜材料， 從而起到封堵地層微米至納米級(jí)孔隙的作用[10-12]。鍵和潤滑劑XZ-RHJ中的活性組分與井眼內(nèi)的自由離子締合在鉆具、 井壁表面產(chǎn)生平滑表面，有效控制流動(dòng)界面內(nèi)的固有渦流， 降低大位移井增斜井段等復(fù)雜鉆井施工中的摩阻， 提高機(jī)械鉆速， 延長鉆具壽命， 降低作業(yè)成本， 提高鉆井整體效益。雙疏劑XZ-SSJ是一種帶有吸附基團(tuán)及低表面能基團(tuán)的特種表面活性劑， 首先通過吸附基團(tuán)在巖石表面吸附， 雙疏劑附著在巖石表面， 然后雙疏劑中低表面能基團(tuán)可在巖石表面形成低表面能“涂層”， 從而高表面張力的自由水及油無法在巖石表面潤濕鋪展， 起到了疏水疏油的作用， 減少了水敏地層巖石的表面水化及滲透水化， 達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果[13]。固化成膜劑XZ-CMJ中由于仿生基團(tuán)能夠自發(fā)氧化交聯(lián)，因此XZ-CMJ不僅能夠吸附在黏土表面抑制其水化，還可以吸附在巖石表面自發(fā)聚合形成一層聚合物膜，起到封堵泥頁巖微孔隙和微裂縫，降低次生裂縫發(fā)育以及鉆井液壓力傳遞的作用[14-18]?；?“固化、 封堵、 抑制、雙疏、潤滑”理論，通過處理劑的協(xié)同作用，形成適合準(zhǔn)噶爾盆地深井及深井大位移井的XZ-新型高性能水基鉆井液。

2.2 XZ-新型高性能水基鉆井液性能

2.2.1基本性能

評(píng)價(jià)了XZ-新型高性能水基鉆井液的基本性能及配伍性，配方如下，數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，XZ-新型高性能水基鉆井液中各處理劑之間具有良好的配伍性，體系在100 ℃下老化16 h后，仍具有良好的流變性、潤滑性和濾失造壁性。

1#2%膨潤土+0.5%NaOH+1%復(fù)合型降濾失劑XZ-JLS+3%SPNH+2%防塌劑+3%成膜劑XZ-CMJ+4%仿生封堵劑XZ-FDJ+3%仿生抑制劑XZ-YZJ+1%潤滑劑XZ-RHJ+0.5%雙疏劑XZ-SSJ+0.3%PMHA-2+10%NaCl+重晶石， 密度為1.70 g/cm3

表4 XZ-新型高性能水基鉆井液的基本性能和抗老化性能

2.2.2長時(shí)間老化評(píng)價(jià)結(jié)果

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)XZ-新型高性能水基鉆井液的性能，通過延長老化時(shí)間和對(duì)體系進(jìn)行污染來進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。由表4可知，XZ-新型高性能水基鉆井液體系在長時(shí)間（72 h）老化后，體系的基本性能并沒有發(fā)生太大的變化，其中體系的動(dòng)塑比及降濾失性能反而有所提高，說明體系抗老化性能較好，相應(yīng)的處理劑經(jīng)過長時(shí)間老化后并未發(fā)生失效現(xiàn)象。長時(shí)間老化后，API濾餅的黏滯系數(shù)增加，主要是因?yàn)樵擉w系重晶石含量較多（密度為1.70 g/cm3），大大制約了體系的潤滑性，同時(shí)，隨著老化時(shí)間的增加，潤滑劑得到一定消耗，降低了體系的潤滑性。

2.2.3抗污染評(píng)價(jià)結(jié)果

在XZ-新型高性能水基鉆井液中分別添加2%CaSO4、10%膨潤土，對(duì)其進(jìn)行污染來評(píng)價(jià)體系抗污性能，在100 ℃老化16 h后體系性能見表5。

表5 XZ-新型高性能水基鉆井液體系的抗污染性能

由表5可知，XZ-新型高性能水基鉆井液加入CaSO4，體系的基本性能發(fā)生一些變化，變化不是很大；加入10%膨潤土后，體系的黏度明顯增加，但是由于抑制劑良好的抑制造漿性能，體系的流變性能仍然可以接受，同時(shí)由于膨潤土含量的增加，體系的黏滯系數(shù)增加。綜上，該體系具有良好的抗污染性，可以抗2%CaSO4或10%膨潤土污染。

2.2.4抑制性評(píng)價(jià)

測(cè)試巖心在清水和XZ-新型高性能水基鉆井液中的膨脹量，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，鈉基膨潤土巖心在水中的膨脹量很大，16 h后在XZ-新型高性能水基鉆井液中膨脹量較低，膨脹降低率為93.4%，所以高性能水基鉆井液能夠很好地抑制泥頁巖的水化膨脹。

稱取50 g粒徑為2.00～3.20 mm的現(xiàn)場(chǎng)泥頁巖巖屑，分別在清水和XZ-新型高性能水基鉆井液中熱滾16 h，老化溫度為130 ℃。老化后用孔徑為0.45 mm篩網(wǎng)回收，在100 ℃下烘干4 h，冷卻至恒重后稱量巖樣質(zhì)量，計(jì)算回收率。對(duì)于泥頁巖，水化分散能力較強(qiáng)，在清水中的滾動(dòng)回收率只有6.42%，但是XZ-新型高性能水基鉆井液的滾動(dòng)回收率達(dá)到95.48%，說明高性能水基鉆井液具有很好的抑制頁巖水化分散能力。

2.2.5對(duì)微納米孔縫的封堵強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

采用頁巖穩(wěn)定性綜合模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)JHWD-1評(píng)價(jià)XZ-新型高性能水基鉆井液的封堵性能，實(shí)驗(yàn)選用超低滲透率天然頁巖巖心，結(jié)果見圖5。

圖5 XZ-新型高性能水基鉆井液的封堵性能評(píng)價(jià)

由圖5可知，新型水基鉆井液體系對(duì)超低滲透率天然頁巖巖心的封堵強(qiáng)度在35 MPa以上，氯化鉀溶液的封堵強(qiáng)度在5.4 MPa。同時(shí)可知，在同等條件下，新型水基鉆井液體系對(duì)納微米孔縫的封堵強(qiáng)度在29.6 MPa以上。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

XZ-新型高性能水基鉆井液具有較好的抑制性、納微米封堵性等，能夠很好地抑制泥頁巖水化膨脹和阻止微裂縫漏失，所以能夠很好地應(yīng)用在含泥頁巖的地層中?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由于泥頁巖地層對(duì)抑制劑和潤滑劑的消耗，所以要補(bǔ)填抑制劑和潤滑劑，保證鉆井順利進(jìn)行。

3.1　在XQD3020、XQD3044井的應(yīng)用

XQD3020、XQD3044井中新近系、古近系和白堊系膏質(zhì)泥巖易縮徑、垮塌；二疊系梧桐溝組泥巖水敏性強(qiáng)，炭質(zhì)泥巖易垮塌；石炭系火山巖局部孔洞、裂縫發(fā)育，易井漏；白堊系底部到石炭系地層壓力高，易井漏和井噴，為了能夠順利高效地鉆井，采用了XZ-新型高性能水基鉆井液體系?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方如下。

2#2%膨潤土+0.5%NaOH+1%XZ-JLS+3%SPNH+2%防塌劑+2%XZ-CMJ+4%XZ-FDJ+3%XZ-YZJ+2%XZ-RHJ+0.5%XZ-SSJ+0.4%PMHA-2+10%NaCl+重晶石

該鉆井液在鉆井過程中性能比較穩(wěn)定，該體系的流變性和抗污染能力較強(qiáng)，見表6。

表6 XQD3044井XZ-新型高性能水基鉆井液基本性能

XZ-新型高性能水基鉆井液在試驗(yàn)井與鄰井的對(duì)比情況，見表7和表8?？梢钥闯觯擉w系具有較好的抑制性和固化封堵性，能夠提高鉆井過程中井壁的穩(wěn)定性，降低復(fù)雜情況發(fā)生率。所以試驗(yàn)井的井徑擴(kuò)大率及復(fù)雜情況發(fā)生率要小于該地區(qū)定向井的平均值，而且規(guī)則的井眼有利于電測(cè)一次成功。由于復(fù)雜情況小于鄰井，試驗(yàn)井的鉆井周期要小于鄰井，鉆機(jī)月速和機(jī)械鉆速要高于鄰井。

表7　試驗(yàn)井與區(qū)塊定向井復(fù)雜情況的對(duì)比

表8　試驗(yàn)井與鄰井的鉆井工藝對(duì)比

3.2　在JHW023井的試驗(yàn)情況

該區(qū)塊白堊系土谷魯群組大段泥巖質(zhì)軟、水敏性強(qiáng)，易吸水膨脹、造成縮徑；侏羅系砂泥巖互層較多，還含有煤層，容易出現(xiàn)砂巖虛泥餅和煤層掉塊；侏羅系八道灣底礫巖及承壓能力低，易發(fā)生井漏；韭菜園組地層褐色泥巖易造漿，水敏性強(qiáng)，容易吸水膨脹縮徑，剝落后造成井眼不規(guī)則，起下鉆遇阻；梧桐溝組灰色泥巖與砂巖互層，砂巖滲透性強(qiáng)，下部的礫巖層易發(fā)生井漏，易垮塌。針對(duì)這些復(fù)雜地層，采用XZ-新型高性能水基鉆井液體系鉆井，配方如下，性能見表9。

3#2%膨潤土+0.5%NaOH+3%XZ-CMJ+0.8%SP-8+3%SPNH+4%XZ-FDJ+3%XZ-YZJ+1%XZ-RHJ+0.3%XZ-SSJ+0.6%PMHA-2+10%NaCl+2%磺化瀝青+2%QCX-1+1%WC-1+重晶石

表9 JHW023井的鉆井液性能參數(shù)

同區(qū)塊同井型使用XZ-新型高性能水基鉆井液比鉀鈣基鉆井液縮短鉆井周期30%以上，與同井型鄰井相比， 井徑擴(kuò)大率非常低， 平均值在-1.35%， 體現(xiàn)了XZ-新型高性能水基鉆井液井壁穩(wěn)定性好，對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)效果非常理想[12-17]。

表10 JHW023井與鄰井鉆井工藝對(duì)比

4　結(jié)論

1.基于“封堵+抑制+固化+雙疏+潤滑”理論，形成了適合準(zhǔn)噶爾盆地深井及深井大位移井的XZ新型高性能水基鉆井液。該鉆井液可以抗溫120 ℃，同時(shí)該體系在老化72 h后依然有較好的性能以及抗2%CaSO4、10%土粉污染的能力。

2.XZ新型高性能水基鉆井液具有較好的抑制性，對(duì)鈉基膨潤土的線性膨脹抑制率達(dá)到94%以上；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的泥頁巖巖屑的滾動(dòng)回收率均能達(dá)到95%以上，該體系對(duì)納微米孔縫的封堵強(qiáng)度在29.6 MPa以上。鉆井液的這種較好的封堵性及抑制性有利于維持井壁穩(wěn)定，適用于復(fù)雜情況較多的深井及深井大位移井。

3.XZ新型高性能水基鉆井液在準(zhǔn)噶爾盆地2個(gè)區(qū)塊的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該鉆井液可以降低井底復(fù)雜情況，縮小井徑擴(kuò)大率，縮短建井周期。特別是在JHW023井的應(yīng)用，建井周期比鄰近JHW025縮短30%以上，滿足了安全、高效鉆井的需要，具有很好的推廣應(yīng)用前景。