烷基糖苷衍生物鉆井液研究及在長(zhǎng)寧H26-4井的應(yīng)用

王忠瑾，司西強(qiáng)，趙 虎

（中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001）

近幾年來(lái)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)快速發(fā)展，油基鉆井液在泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定和潤(rùn)滑防卡等優(yōu)勢(shì)突出、應(yīng)用廣泛，但由于油基鉆井液對(duì)環(huán)境的不友好和成本高等問(wèn)題，制約了油基鉆井液的使用。因此，研發(fā)高性能水基鉆井液，在坍塌周期內(nèi)順利完井，對(duì)實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的低成本環(huán)保開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。針對(duì)頁(yè)巖氣長(zhǎng)水平井對(duì)鉆井液井壁穩(wěn)定、降摩減阻和井眼清潔的高要求[1，2]，中原石油工程有限公司鉆井院自主研發(fā)出了以聚醚胺基烷基糖苷[3-5]（NAPG）、陽(yáng)離子烷基糖苷[6，7]（CAPG）、烷基糖苷（APG）為核心助劑的烷基糖苷衍生物鉆井液體系[8]，簡(jiǎn)稱ZYAPD（Alkyl Polyglucoside Derivatives）鉆井液體系，該鉆井液體系在長(zhǎng)寧H26-4井成功應(yīng)用。

1 技術(shù)難點(diǎn)

1.1 井壁穩(wěn)定難度大

長(zhǎng)寧H26 平臺(tái)頁(yè)巖地層黏土礦物含量為24%，ZETA 電位為-30 mV～-40 mV，分散特性較強(qiáng)。易表面水化，水分子侵入黏土晶層，導(dǎo)致膠結(jié)強(qiáng)度降低。韓家店及龍馬溪泥頁(yè)巖層理性強(qiáng)、裂縫發(fā)育，主要縫寬和孔徑 0.5 μm～15.7 μm；有機(jī)質(zhì)微孔隙、黏土礦物層間微孔隙孔徑分布為0.05 μm～1 μm，致使與流體接觸后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的自吸現(xiàn)象，使裂縫萌生、擴(kuò)展、貫通形成宏觀裂縫。鄰井長(zhǎng)寧H26-5 該井段鉆完井周期為38 d，鉆井過(guò)程中的機(jī)械破壞和鉆井液長(zhǎng)時(shí)間浸泡地層，超過(guò)坍塌周期，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)發(fā)生。

1.2 頁(yè)巖氣井為三維定向水平井，裸眼段較長(zhǎng)，潤(rùn)滑防卡難度大

該井三開(kāi)應(yīng)用井段1 942 m～3 350 m，裸眼段長(zhǎng)1 408 m，增斜段長(zhǎng)600 m，井斜變化81°，狗腿度最大為7.17°/30m，井斜變化大，井眼曲率大，摩阻大。定向段鉆具滑動(dòng)摩擦，對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性和泥餅質(zhì)量要求高，必須使用各種潤(rùn)滑劑或兼有潤(rùn)滑效果的處理劑有效地降低摩擦阻力與扭矩，增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑性，并防止鉆頭泥包。

1.3 鉆井液密度高，流型控制難度大

鄰井長(zhǎng)寧H26-5井水平段鉆井液密度最高為2.06 g/cm3左右，泵排量為26 L/s～28 L/s。鉆完井周期達(dá)38 d，低密度固相高，鉆井液性能控制難度大。后期維護(hù)處理采取大量置換鉆井液，造成鉆井液處理劑的大量浪費(fèi)。

2 技術(shù)對(duì)策

2.1 鉆井液井壁穩(wěn)定技術(shù)

抑制能力：NAPG 相對(duì)分子質(zhì)量為800，為非離子型抑制劑；CAPG 相對(duì)分子質(zhì)量為340，為小陽(yáng)離子型抑制劑。作用機(jī)理為吸附成膜、嵌入及拉緊晶層等。復(fù)配KCl 使體系獲得更高的抑制能力，KCl 在該體系還具有降低濾失量，滅菌，增強(qiáng)鉆井液的長(zhǎng)期穩(wěn)定等作用。

封堵能力：長(zhǎng)寧頁(yè)巖地層孔縫和微孔縫的范圍（主要縫寬和孔徑0.05 μm～15.7 μm），級(jí)配 0.03 μm～50 μm粒徑的封堵材料[9]，粒徑分布從大到小依次為：磺化瀝青ST-2、球狀納-微米聚合物封堵劑和納米鈣。利于快速形成致密的高強(qiáng)度封堵層，提高井壁承壓能力，可滿足長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖地層的封堵需求，降低流體自吸現(xiàn)象，提高鉆井液的井壁穩(wěn)定能力。

2.2 鉆井液潤(rùn)滑防卡技術(shù)

APG 及衍生物由于其分子結(jié)構(gòu)上的多羥基和一個(gè)烷基基團(tuán)，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產(chǎn)生強(qiáng)力吸附，烷基作為親油基則朝外規(guī)則排列，形成非常穩(wěn)定且具有一定強(qiáng)度的潤(rùn)滑膜，并可直接參與泥餅的形成，使泥餅具有較好的潤(rùn)滑性。

2.3 鉆井液流變性控制技術(shù)

APG 類材料為小分子結(jié)構(gòu)，在母液中多為單結(jié)構(gòu)單元形式存在，高密度條件不增黏，部分衍生物（如CAPG）具有陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)，存在強(qiáng)正電相斥的機(jī)理，不易聚結(jié)成團(tuán)。APG 可以封堵井壁作為支撐體，通過(guò)吸附、濃集、覆蓋形成封堵膜，亦可通過(guò)氫鍵吸附、交聯(lián)和護(hù)膠等作用，提高鉆井液中聚合物降濾失劑的作用效果，滿足高密度條件下降濾失不增黏的護(hù)膠需求。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室對(duì)ZY-APD 水基鉆井液體系進(jìn)行了基本性能評(píng)價(jià)、井壁穩(wěn)定能力評(píng)價(jià)、潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)。

3.1 鉆井液基本性能

ZY-APD 鉆井液配方為：4%～7%APD+1%～2%膨潤(rùn)土+0.1%～0.3%XC+1%～1.5%降濾失劑+6%～8%納-微米封堵劑+1%～3%極壓潤(rùn)滑劑+6%～8%KCl+pH 調(diào)節(jié)劑+重晶石（見(jiàn)表1）。

表1 ZY-APD 鉆井液性能Tab.1 ZY-APD drilling fluid performance

由表1 可知，鉆井液具有很好的流變性能，API 失水小于1 mL，鉆井液體系在100℃下的高溫高壓濾失量小于5 mL，在保護(hù)儲(chǔ)層的同時(shí)提高了機(jī)械鉆速，能滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井液的要求。

3.2 井壁穩(wěn)定能力

圖1 浸泡露頭巖心抗壓強(qiáng)度變化Fig.1 Change of compressive strength of core of immersion outcrop

圖2 巖心在不同介質(zhì)中浸泡的狀態(tài)Fig.2 The state of core soaking in different media

分別用清水、ZY-APD 鉆井液、常規(guī)水基鉆井液和油基鉆井液作為浸泡介質(zhì)，90℃條件下對(duì)露頭頁(yè)巖巖心連續(xù)浸泡60 d，在不同的時(shí)間段取出不同巖心進(jìn)行觀察，并采用微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)YAW-300D（濟(jì)南瑞普機(jī)電技術(shù)有限公司制造）勻速緩慢加壓，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。由圖1 和圖2 可知，巖心浸泡5 d后，在ZY-APD 鉆井液和油基鉆井液中的巖心強(qiáng)度較大，其他介質(zhì)中的巖心強(qiáng)度均下降幅度較大，20 d 內(nèi)清水和常規(guī)水基鉆井液均出現(xiàn)斷裂，失去抗壓強(qiáng)度；50 d內(nèi)ZY-APD 鉆井液和油基鉆井液狀態(tài)與抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，60 d ZY-APD 鉆井液浸泡外觀完好，但抗壓強(qiáng)度降低25%。因此，ZY-APD 鉆井液的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)坍塌周期約為50 d，鉆井液具有較好的井壁穩(wěn)定能力。

3.3 潤(rùn)滑性

對(duì)ZY-APD 鉆井液和油基鉆井液（柴油為基油）分別使用重晶石加重到不同的密度，150℃老化16 h，20℃條件下使用EP 極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定極壓潤(rùn)滑系數(shù)（見(jiàn)圖3）。由圖3 可知，不加重ZY-APD 鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)和油基鉆井液均較低，但隨鉆井液密度的升高，鉆井液的潤(rùn)滑性均不斷降低，在1.15 g/cm3～2.30 g/cm3鉆井液范圍內(nèi)，兩者極壓潤(rùn)滑系數(shù)均小于0.10，從潤(rùn)滑系數(shù)曲線可以看出，兩者潤(rùn)滑性能相當(dāng)。

圖3 不同密度下體系的潤(rùn)滑性Fig.3 Lubricity of systems under different densities

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

長(zhǎng)寧H26-4井為長(zhǎng)寧H26 平臺(tái)部署一口水平井，構(gòu)造位置位于四川盆地與云貴高原結(jié)合部，川南古坳中隆低陡構(gòu)造區(qū)與婁山褶皺帶之間，北受川東褶皺沖斷帶西延影響，南受婁山褶皺帶演化控制，其構(gòu)造特征集二者于一體的構(gòu)造復(fù)合體。目的層為志留系龍馬溪組，設(shè)計(jì)井深4 737 m/垂深3 205 m。長(zhǎng)寧H26-4井三開(kāi)井段自1 942 m 轉(zhuǎn)換為烷基糖苷衍生物鉆井液體系（ZY-APD 鉆井液體系），應(yīng)用井段為1 942 m～3 350 m，井壁穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性和攜巖帶砂效果良好。順利鉆至A靶點(diǎn)，由于甲方要求全程使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具施工，公司從施工風(fēng)險(xiǎn)考慮轉(zhuǎn)換為油基鉆井液。

4.1 鉆井液的配制

現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方如下：

4%～7%APD+1%～2%膨潤(rùn)土+0.1%～0.2%XC+1%～1.5%降濾失劑+3%～4%納-微米封堵劑+6%KCl+NaOH+重晶石

使用老漿鉆至1 942 m 后，轉(zhuǎn)換為ZY-APD 鉆井液體系，轉(zhuǎn)換后鉆井液性能（見(jiàn)表2）。

表2 ZY-APD 鉆井液性能Tab.2 ZY-APD drilling fluid performance

4.2 鉆井液的維護(hù)處理

4.2.1 流變性控制和井眼清潔 為滿足造斜段的攜巖帶砂要求，鉆井液應(yīng)保持合理的流變性能，增斜扭方位井段（應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井段）鉆井液的黏度控制在60 s～80 s，動(dòng)切力為 8 Pa～15 Pa，靜切力為 2 Pa～5 Pa/6 Pa～15 Pa 較為合理；若需要降低鉆井液的黏切，可用含APG 和CAPG 的稀膠液稀釋；若下鉆劃眼較多，可配制稠塞液清砂并加強(qiáng)固控設(shè)備的使用，降低鉆井液的固相含量，保證其良好的流變性能。

4.2.2 鉆井液的井壁穩(wěn)定 對(duì)于水基鉆井液，在保持合理的鉆井液密度條件下，保證井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵是提供良好的抑制性能和封堵能力。抑制性方面，通過(guò)加入一定濃度的NAPG 和CAPG 來(lái)提高鉆井液的抑制能力；封堵方面，通過(guò)級(jí)配納-微米封堵材料，快速形成致密、高強(qiáng)度封堵層，減少濾液侵入地層。

4.2.3 鉆井液的潤(rùn)滑防卡 APG 類產(chǎn)品具有良好的潤(rùn)滑效果，井斜30°前可滿足定向的需要，但隨著井斜角的增大、井眼軌跡變化較大，可補(bǔ)充2%～3%的潤(rùn)滑劑來(lái)提高鉆井液的潤(rùn)滑性。

4.3 鉆井液的應(yīng)用效果

在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆井液性能穩(wěn)定、起下鉆暢通無(wú)阻、未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，達(dá)到了井壁穩(wěn)定及井下安全的目的，為鉆井施工的順利進(jìn)行提供了技術(shù)保障。具體應(yīng)用效果如下：

（1）ZY-APD 鉆井液表現(xiàn)出良好的流變性能，剪切稀釋性好、攜巖能力強(qiáng)，保證了井眼清潔，平均機(jī)械鉆速達(dá)到7.43 m/h，鉆井液性能（見(jiàn)表3）。

（2）ZY-APD 鉆井液表現(xiàn)出較強(qiáng)的井壁穩(wěn)定能力，強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵相結(jié)合。本井膨潤(rùn)土含量控制在6.4 g/L～13.6 g/L，充分表明鉆井液具有較強(qiáng)抑制能力；本井保持了較低的高溫高壓濾失量，減少了濾液對(duì)地層的侵入，保障了井壁的穩(wěn)定性，電測(cè)平均井徑擴(kuò)大率僅為2.05%。

表3 分段鉆井液性能Tab.3 Segmented drilling fluid performance

（3）ZY-APD 鉆井液表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能，APG及其衍生物（NAPG 和CAPG）本身具有良好的潤(rùn)滑性，鉆井過(guò)程中復(fù)配使用極壓潤(rùn)滑劑，并加強(qiáng)固相控制，起下鉆和拉井壁平均摩阻為15 t～25 t，較好滿足了鉆井工程的需要。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）ZY-APD 水基鉆井液在長(zhǎng)寧H26-4井的應(yīng)用中，鉆井液具有良好的剪切稀釋性能，在較高密度（2.07 g/cm3）下保持了良好的流變性能；具有較強(qiáng)的井壁穩(wěn)定能力和井眼清潔能力；具有較好的降摩減阻效果。能滿足長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井鉆井完井施工要求；

（2）長(zhǎng)寧H26-4井全部老漿直接用于長(zhǎng)寧H26-2井，避免了泥漿處理的環(huán)保費(fèi)用。

CO2/N2高效膜分離技術(shù)獲突破

近日，天津大學(xué)化工學(xué)院王志教授團(tuán)隊(duì)及其合作者首次實(shí)現(xiàn)了超薄多孔膜的大面積制備，為氣體的分離技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。該科研成果在《自然·材料》發(fā)表。

研究者以金屬離子（Cu2+、Zn2+），有機(jī)偶聯(lián)分子和短鏈的高分子聚合物作為結(jié)構(gòu)單元，成功構(gòu)筑了具有有序微孔結(jié)構(gòu)的金屬誘導(dǎo)有序微孔聚合物，將其涂覆在商業(yè)薄膜上。由于CO2和其中的聚合物單元具有較好的親和性，因此能夠透過(guò)薄膜；而親和性較差的氮?dú)鈩t被阻擋，從而實(shí)現(xiàn)了CO2/N2的高效分離。

（摘自中國(guó)化工信息2018年第24期）