強(qiáng)抑制聚合物體系解決川渝地區(qū)大井眼段鉆井液回收利用率低的問題

范勁，李俊材，王君

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，成都 610051）

隨著石油勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)雜地層、深井、超深井以及特殊工藝井鉆探越來越多，對鉆井液技術(shù)提出了更高的要求。目前川渝地區(qū)上部大井眼段（φ444.5 mm 及以上井段）普遍使用聚合物鉆井液體系，該體系在提速、提效和環(huán)境友好方面的效果較好，但是川渝地區(qū)上部大井眼段地層主要為大段水敏性極強(qiáng)的紫紅色泥巖，易水化分散，劣質(zhì)固相，在快速鉆進(jìn)過程中上漲過快，造成鉆井液性能控制困難。聚合物鉆井液鉆完上部大井眼段地層后，劣質(zhì)固相含量高且清除困難，導(dǎo)致鉆井液無法進(jìn)行處理回收利用，只能全部轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行報(bào)廢處理，增加了鉆井液的處理成本和安全環(huán)保壓力。通過評價(jià)鉀鈣協(xié)同抑制、插層抑制劑、疏水抑制劑，對聚合物包被劑進(jìn)行了優(yōu)選，優(yōu)化了鉆井液體系，形成了一套適用于川渝地區(qū)上部大井眼段的強(qiáng)抑制聚合物鉆井液體系。現(xiàn)場應(yīng)用表明該鉆井液抑制包被效果強(qiáng)，鉆井液回收利用率大大提升，減少了鉆井液的報(bào)廢處理量，降低了處理成本，減輕了環(huán)保壓力。

1 技術(shù)難點(diǎn)

川渝地區(qū)上部大井眼井段為上三疊統(tǒng)和侏羅系的陸相沉積地層，主要為淺湖相和河湖相的砂泥巖沉積，巖性為紫紅、灰綠、深灰色泥巖、灰綠色粉砂巖，其中以沙溪廟組沙二段紫紅色泥巖為主。由巖樣全巖礦物組分分析可得，巖樣中黏土礦物總量可達(dá)65%左右，黏土礦物組分主要由伊利石、伊/蒙混層組成，二者占比達(dá)到70%以上，極易水化分散。其中伊利石的負(fù)電荷由四面體晶片的晶格取代產(chǎn)生，雖然鉀離子可嵌入相鄰晶層間氧原子形成的網(wǎng)格中，使層間不易吸附水分子，但易在外表面發(fā)生水化作用；伊/蒙混層是一種層狀硅酸鹽過渡礦物，往往是由于蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化形成的，而蒙脫石晶層間通過氧原子連接，作用較弱，水分子容易進(jìn)入層間，同時(shí)水化陽離子也能夠進(jìn)入層間，使晶層間距增加，因此易發(fā)生水化作用[1-4]。紫紅色泥巖的化學(xué)成分中主要含有硅、鋁、鐵、鈣、鎂等的氧化物，其中交換性陽離子主要是鈣、鎂離子，鈣、鎂離子被吸附在顆粒表面，使黏土顆粒具有較高的物化活性及親水性，表現(xiàn)出遇水后極易水化膨脹和分散的特殊理化性能[5]。

川渝地區(qū)上部大井眼段多采用聚合物鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆完大井眼井段中途完鉆后，紫紅色泥巖水化分散，造成鉆井液性能均上漲幅度大，如表1所示。亞微米顆粒含量上漲，說明劣質(zhì)固相在鉆井液中分散程度大。中途完鉆后的鉆井液固相和液相分離困難，若直接回收用于下一開鉆進(jìn)，因?yàn)榕驖櫷梁扛撸瑢ο乱婚_鉆井液性能影響大，后期維護(hù)困難且成本高，因此中途完鉆后的井漿均進(jìn)行報(bào)廢處理，增加了處理成本和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

表1 川渝地區(qū)上部大井眼段新漿與中途完鉆井漿性能對比

2 處理劑優(yōu)選及性能評價(jià)

現(xiàn)場鉆進(jìn)中常在鉆井液中引入無機(jī)鹽氯化鉀作為抑制劑，鉀離子能夠進(jìn)入到黏土的晶層間，促使黏土顆粒連接在一起，降低黏土的水化分散作用[6]。但是有研究表明，黏土晶層間出現(xiàn)自由水才能進(jìn)行離子交換，所以鉀離子在進(jìn)入到黏土晶層間之前，黏土晶層已發(fā)生了膨脹。鉀離子能很好地抑制蒙脫石的水化膨脹，還可以使無序伊蒙間層礦物的間層比下降，但是對伊利石的水化膨脹沒有明顯的抑制作用[7-9]。

2.1 鉀鈣抑制技術(shù)

鈣離子的抑制機(jī)理與鉀離子不同，鈣離子主要通過降低水的活度，阻止水分子進(jìn)入黏土顆粒晶層而起到抑制作用，同時(shí)鈣離子可以壓縮黏土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，Zeta 電位下降，造成黏土顆粒分散度降低。邱正松等人研究表明鉀離子、鈣離子間具有協(xié)同抑制作用[10]，混合鹽存在某一最優(yōu)離子配比，其抑制能力可達(dá)到或優(yōu)于同濃度單一無機(jī)鹽的抑制能力。選用四川磨溪地區(qū)露頭泥巖粉碎烘干后進(jìn)行線性膨脹率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，鉀離子含量在5%～7%時(shí)抑制效果最好，超過7%后抑制效果增加不明顯；鈣離子含量在3%～5%時(shí)抑制效果最好，超過5%后抑制效果增加不明顯，甚至有減弱的現(xiàn)象；同等或相近加量下，鉀鈣離子的協(xié)同抑制作用要強(qiáng)于單一鉀、鈣離子，7%KCl+5%CaCl2的組合抑制效果最好，但是考慮7%KCl+5%CaCl2的組合對鉆井液中其他處理劑抗鹽能力要求較高，因此選擇5%KCl+3%CaCl2的組合作為鉀鈣抑制技術(shù)組合。

表2 磨溪露頭泥巖在不同抑制劑組合中的線性膨脹率

2.2 插層抑制、疏水抑制技術(shù)

經(jīng)過對鉀鈣抑制性能的評價(jià)，得出鉀鈣協(xié)同有很好的抑制效果，在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中比沒有加入鉀鈣抑制技術(shù)的原聚合物鉆井液體系，抑制性能有一定提高，鉆井液回收率從0 提升至33.33%，但是大部分鉆井液仍需報(bào)廢處理，因此在鉀鈣協(xié)同抑制的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步引進(jìn)了插層抑制和疏水抑制劑。插層抑制劑WNY-X 以插層方式進(jìn)入黏土晶層空間，通過與黏土表面的靜電作用、氫鍵作用吸附在黏土晶層表面，對黏土的層間水化有良好的抑制作用。疏水抑制劑WNS-B 能夠通過吸附基團(tuán)吸附在黏土礦物表面，并利用低表面能基團(tuán)在黏土顆粒表面形成低表面能的涂層，減少黏土晶體表面離子交換，有效抑制表面水化。選用四川磨溪地區(qū)露頭泥巖粉碎烘干后進(jìn)行線性膨脹率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。結(jié)果表明，WNY-X 的抑制效果隨加量增大而加強(qiáng)，加量從0.5%增加至1.0%后線性膨脹率下降幅度降低；WNS-B 加量在0.1%時(shí)抑制效果明顯，隨加量增大線性膨脹率繼續(xù)降低，考慮現(xiàn)場應(yīng)用成本，將WNY-X、WNS-B 的加量均控制在0.1%；在鉀鈣協(xié)同抑制的基礎(chǔ)上繼續(xù)加入WNY-X、WNS-B 均能增加抑制性，使線性膨脹率進(jìn)一步降低；鉀鈣協(xié)同抑制結(jié)合插層、疏水抑制技術(shù)后，線性膨脹量最小，說明30#組合抑制性能最強(qiáng)。

表3 磨溪露頭泥巖在不同抑制劑組合中的線性膨脹率

2.3 性能評價(jià)

由于抑制劑組合中包含5%KCl+3%CaCl2，需要鉆井液中的聚合物具有一定的抗一價(jià)鹽、二價(jià)鹽的能力。選取常用的KPAM、PAC-HV 以及抗鹽高分子量聚合物WN2-2 進(jìn)行配伍性能評價(jià)，其中KPAM、PAC-HV 加入體系后流變性能差，濾失量大，由于WN2-2 分子鏈上的水化基團(tuán)對鈣離子的敏感性相對較低，且WN2-2 分子結(jié)構(gòu)中含有酰胺基和陽離子胺基，有助于其通過氫鍵和靜電有效吸附在黏土表面，所以抗鹽高分子量聚合物WN2-2表現(xiàn)出良好的配伍性。WN2-2 可以通過氫鍵和靜電吸附力吸附到黏土顆粒上，將黏土顆粒橋接在一起，包被成大顆粒狀，通過固相設(shè)備有效清除，能起到進(jìn)一步抑制黏土水化分散的作用。

2.3.1 滾動回收率和激光粒度分析

選用水敏性極強(qiáng)的磨溪地區(qū)露頭泥巖，在不同抑制劑組合溶液中分別加入等量的泥巖，在100 ℃滾動老化16 h 后測試其回收率，結(jié)果見表4。表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對四川磨溪地區(qū)的露頭泥巖，31#配方強(qiáng)抑制聚合物體系的滾動回收率最高，能夠有效地抑制水化分散。

為了模擬現(xiàn)場鉆進(jìn)過程中鉆頭高速旋轉(zhuǎn)切削對巖屑的破壞作用和分散促進(jìn)作用，在以下配方中加入10%烘干泥巖粉（磨溪地區(qū)），在11 000 r/min轉(zhuǎn)速下高速攪拌20 min 后，在100 ℃滾動老化16 h，在常溫下進(jìn)行粒徑分析，激光粒度儀選用Malvern 3000 型，結(jié)果見表4。表4 表明，10%的水敏型泥巖在清水中的亞微米顆粒含量可達(dá)36.74%，加入鉀離子、鈣離子、WNY-X 后亞微米顆粒含量明顯降低，其中加入等量的WNS-B 亞微米顆粒含量下降幅度最大，說明疏水抑制劑能夠在黏土表明形成疏水膜，有效抑制水敏型泥巖的細(xì)分散；31#配方的亞微米顆粒含量最低，說明在高速攪拌促進(jìn)分散的作用下，該體系仍能抑制強(qiáng)水敏泥巖的分散。

表4 磨溪露頭泥巖在不同抑制劑組合中的滾動回收率（100 ℃、16 h）和激光粒度分析實(shí)驗(yàn)

2.3.3 抑制膨潤土造漿

鉆井液的抑制性主要體現(xiàn)在抑制黏土的造漿以維持鉆井液的流變性[11-13]。在不同配方中首先加入5%膨潤土，在11 000 r/min 轉(zhuǎn)速下高速攪拌20 min 后，在100 ℃滾動老化16 h，經(jīng)過充分的水化分散后，在50 ℃下測試其流變性能。然后繼續(xù)加入5%膨潤土，重復(fù)上述操作，直至膨潤土加量達(dá)到30%為止（流變性能已經(jīng)難以測量），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。圖1 表明，在清水中，膨潤土加量為10%時(shí)，φ3值已經(jīng)達(dá)到97，流變性讀數(shù)隨膨潤土加量增加迅速增大，說明膨潤土在清水中分散能力強(qiáng)，能夠快速構(gòu)建強(qiáng)度較好的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；在清水中加入7%KCl、5%CaCl2后，φ3值的上升趨勢明顯變緩，2 者都是在膨潤土加量達(dá)到20%后φ3值才呈現(xiàn)快速上漲的趨勢，且同等膨潤土加量下，5%CaCl2的φ3值均略低于7%KCl 的φ3值，表明5%CaCl2抑制水化分散能力略強(qiáng)于7%KCl；在清水中加入1%WNY-X、1%WNS-B 也能夠減緩φ3值的快速上漲，在1%WNY-X 中上漲幅度大，在1%WNS-B中上漲幅度較小，在同等膨潤土加量下，單一抑制劑中WNY-X 的φ3值最大，WNS-B 的φ3值最小，說明單一抑制劑中WNS-B 的抑制效果相對較好；在清水中加入5%KCl、3%CaCl2、0.1%WNY-X 和0.1%WNS-B 四種抑制劑進(jìn)行聯(lián)合抑制，φ3值上漲幅度最小，當(dāng)膨潤土加量達(dá)到30%時(shí)，φ3值僅為21，說明4 種抑制劑組合后，不僅在膨潤土含量低時(shí)抑制能力強(qiáng)，當(dāng)膨潤土含量達(dá)到30%時(shí)依然能夠表現(xiàn)出很好的抑制效果。

圖1 抑制膨潤土造漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

磨溪009、磨溪022、磨溪019 井3 口井均位于磨溪井區(qū)，上部大井眼井段井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，該段地質(zhì)層位為沙溪廟組沙二段地層，巖性為厚泥巖夾粉砂巖，鉆井液密度為1.05～1.10 g/cm3。3 口井分別采用不同的鉆井液體系進(jìn)行鉆進(jìn)，磨溪009 井采用原聚合物體系（預(yù)水化土漿+（0.3%～0.8%）FA367+3%防塌劑）鉆進(jìn)，磨溪022 井采用引入鉀鈣抑制劑的聚合物體系（預(yù)水化土漿+5%KCl+3%CaCl2+（0.3%～0.5%）KPAM+0.1%WN2-2+2%防塌劑）鉆進(jìn)，磨溪019 井采用引入聯(lián)合抑制技術(shù)的強(qiáng)抑制聚合物鉆井液體系（清水+5%KCl+3%CaCl2+0.1%WNY-X+0.1%WNS-B+0.5%WN2-2）鉆進(jìn)。為了對比不同體系在相同地層鉆進(jìn)過程中的性能，在前500 m 井段每隔100 m取一個(gè)鉆井液樣進(jìn)行性能檢測，檢測項(xiàng)目包括密度、清液析出率（鉆井液樣常溫靜置24 h 后上層清液占總量的比例）、流變性能等，檢測結(jié)果見表5。表5 表明，隨著鉆進(jìn)井深的增加，磨溪009 井鉆井液的密度逐漸上漲，清液析出率從49%下降至0（導(dǎo)致鉆井液不能回收利用，全部進(jìn)行報(bào)廢處理），亞微米顆粒含量從4.17%上漲至11.93%，黏度和切力上漲，由于膨潤土含量過高，直接回收利用后期維護(hù)成本高，對下一開鉆井液性能影響很大；隨著鉆進(jìn)井深的增加，磨溪022 井、磨溪019 井鉆井液的清液析出率下降幅度、黏度和切力的上漲幅度、亞微米顆粒含量的上漲幅度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磨溪009 井鉆井液性能的變化幅度。

表5 磨溪井區(qū)3 口井上部大井眼鉆井液性能檢測結(jié)果

如圖2 所示，磨溪009 井井漿在100 m 時(shí)粒徑主要分布在1～100 μm 之間，在500 m 時(shí)粒徑主要分布在1～10 μm 之間，說明黏土水化分散情況嚴(yán)重，大粒徑顆粒分散成小粒徑顆粒，難以清除。

圖2 磨溪009 井不同井深鉆井液的亞微米顆粒粒徑分布

圖3 檢測結(jié)果表明，磨溪009 井、磨溪022 井和磨溪019 井的清液析出率均呈現(xiàn)下降的趨勢，磨溪009 井清液析出率從49%下降至0，磨溪022井清液析出率從69%下降至15%，磨溪019 井清液析出率從83%下降至42%。其中磨溪019 井采用強(qiáng)抑制性聚合物鉆井液體系，鉆完大井眼井段后清液析出率最高。

圖3 磨溪井區(qū)不同井的清液析出率隨井深變化情況

圖4 表明，磨溪009 井、磨溪022 井、磨溪019 井的亞微米顆粒含量均呈現(xiàn)上漲的趨勢，其中磨溪019 井的亞微米顆粒含量最低，說明體系抑制黏土分散的能力最強(qiáng)，且回收利用后對鉆井液性能影響最小。鉆完大井眼井段后，磨溪009 井共計(jì)使用鉆井液180 m3，全部報(bào)廢處理；磨溪022 井共計(jì)使用180 m3，回收利用60 m3，回收利用率達(dá)到33.33%；磨溪019 井共計(jì)使用鉆井液160 m3，回收利用120 m3，回收利用率達(dá)到75%。

圖4 亞微米顆粒含量隨井深變化圖

4 結(jié)論

1.川渝地區(qū)上部大井眼段中途完鉆后鉆井液密度、黏度、切力、亞微米顆粒含量和膨潤土含量等均大幅上漲，無法回收利用，需進(jìn)行報(bào)廢處理，增加了處理成本和安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

2.在同等加量下，鉀鈣離子協(xié)同抑制作用強(qiáng)于單一鉀、鈣離子的抑制作用；在鉀鈣協(xié)同抑制的基礎(chǔ)上，繼續(xù)引入插層抑制劑、疏水抑制劑后，抑制性能進(jìn)一步提升。經(jīng)過抑制性評價(jià)、高分子量聚合物優(yōu)選及成本等因素綜合考慮，優(yōu)選出強(qiáng)抑制聚合物鉆井液配方，綜合性能評價(jià)顯示，該配方具有良好的抑制黏土水化分散能力。

3.經(jīng)過3 口井的現(xiàn)場應(yīng)用對比，磨溪019 井大井眼段中途完鉆鉆井液回收利用率從0 提升至75%，說明強(qiáng)抑制聚合物鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用效果很好，下一步將結(jié)合固液分離裝置進(jìn)一步提升該井段鉆井液的回收利用率。