油田泥頁巖井段防塌鉆井液的研制

王玉鵬，唐向輝

(青島科技大學(xué)魯中安全環(huán)保工程與材料研究院，山東 淄博 255000)

1 研究背景

1.1 甲酸鹽鉆井液

在20世紀(jì)90年代，為滿足復(fù)雜鉆井技術(shù)要求而研制的全新鉆井液體系。甲酸鹽鉆井液體系具有較強(qiáng)的失水造壁性能、防塌性能、保護(hù)油氣層、低污染和可回收再利用的優(yōu)點，可適用于多種地層條件。

在實際作業(yè)過程中，為了減少甲酸鹽的使用成本，常常使用凈化回收利用系統(tǒng)或者循環(huán)密閉系統(tǒng)。此外，利用甲酸鹽混合適量加重劑制成的濾餅可以很好地提高井壁穩(wěn)定性。針對整個英臺地區(qū)的3600～4200 m井段地層特點，通過對甲酸鹽鉆井液各類試劑的優(yōu)選，做了大量的室內(nèi)研究實驗，研制了一種適用于該地區(qū)鉆井條件的甲酸鹽鉆井液，其最佳配方為：甲酸鹽水+3%降濾失劑HHJL-1 + 0.5%增粘劑HHTN-1 + 3%儲層保護(hù)劑HHYB-N。甲酸鹽鉆井液抗溫能力高達(dá)180 ℃，由于固相含量低，有效地提高了龍深6井的機(jī)械鉆速和單井產(chǎn)能；選用易降解、無毒性的助劑，達(dá)到環(huán)保要求，有效地保護(hù)了儲層，取得了較為理想的應(yīng)用效果。在吐哈油田，其地層礦物質(zhì)具有高水敏、高含量黏土、易破碎、易垮塌以及易漏失等特點。

甲酸鹽鉆井液的作用原理：巖石中的水活度遠(yuǎn)大于甲酸鹽鉆井液中的水活度，這就使得泥巖與頁巖的表面具有一定的選擇滲透性，因而產(chǎn)生的滲透壓差可促使巖石中的水向鉆井液中滲入；并且甲酸鹽能產(chǎn)生對自由水具有強(qiáng)束縛作用的氫鍵，它由水分子與HCOO-離子作用形成；采用甲酸鹽鉆井液鉆井能很好地控制泥頁巖的水化膨脹，從而減少由水化膨脹作用引起的地層傷害。根據(jù)電荷中和原理，甲酸鹽具有較強(qiáng)壓縮黏土顆粒雙電層的能力以及提高有機(jī)鹽離子濃度等特點，從而減弱了黏土的負(fù)電性，大大降低了水化膨脹性；高濃度的甲酸鹽溶液能產(chǎn)生高滲透壓差，遏制了壓力在泥頁巖中的傳遞，從而使得泥頁巖的水化膨脹受到了較好地抑制；甲酸鹽尤其是有機(jī)鹽溶液具有較高黏度特性，有效地阻止了水的自由進(jìn)人；形成了由鈉離子構(gòu)成的不易膨脹擴(kuò)散的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，鈉離子是通過K+、Cs+陽離子從蒙脫土中置換出來的[1]。

1.2 兩性復(fù)合離子聚合物鉆井液

在20世紀(jì)90年代初期，為了滿足不同油田對鉆井液的要求，兩性離子聚合物鉆井液體系被成功研制出來，由于它具有強(qiáng)抑制性、高潤滑性、良好油層保護(hù)性能、防縮徑卡鉆、防漏失、防粘吸卡鉆等顯著特點，深受客戶青睞，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各大油服公司；目前，該鉆井液體系已被成功研制和投入使用的試劑主要包含有包被劑FA367、FA368、FA369、黃花酚醛樹脂、強(qiáng)降濾失劑JT888、瀝青FT301以及降粘劑XY27、XY28等，按照合理的配比對它們進(jìn)行配制，可以進(jìn)一步地提高鉆井液抑制性能。鉆井液體系具有較強(qiáng)的抑制性能，可以很好地控制密度、失水率以及固相含量的升高，從而使得油層受到有利地保護(hù)。

人們在井場施工過程中發(fā)現(xiàn)，普通聚合物鉆井液對于造漿較強(qiáng)的泥頁巖抑制性能較弱，從而導(dǎo)致濾餅質(zhì)量差，造漿嚴(yán)重，鉆井液切力與黏度提升快。針對這些問題，劉平德等人通過對各種鉆井液試劑的對比篩選，研制出了一種適合的兩性離子聚合物鉆井液體系PL，它具有流變性能好、抑制性能強(qiáng)以及機(jī)械鉆速快等特點。

2 聚合醇鉆井液

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著各大油田常規(guī)較簡單的地層區(qū)塊被逐漸開采完，勘探領(lǐng)域已經(jīng)向環(huán)境惡劣，底層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)擴(kuò)展。在施工過程中極易導(dǎo)致井壁不穩(wěn)，影響機(jī)械鉆速，從而提高了鉆井成本。與此同時，隨著大位移井、水平井、定向井技術(shù)的快速發(fā)展，要求鉆井液具有更強(qiáng)的抑制性能與更好的潤滑性能，而常用鉆井液根本滿足不了這幾類井的鉆井需求。在海洋井、深井、大位移井的鉆探過程中，不得不使用油基鉆井液，但此類鉆井液污染嚴(yán)重，熒光級別高，使用前景堪憂。

因此，我國研究人員研制了一種具有強(qiáng)抑制性、環(huán)保無熒光、強(qiáng)配伍性以及良好的保護(hù)性等優(yōu)點的聚合醇水基鉆井液。聚合醇鉆井液不僅具有低污染和無干擾的優(yōu)點，同時還具有較強(qiáng)抑制性，較低濾矢量等優(yōu)良特性，成功地解決了泥頁巖井段的井壁失穩(wěn)、垮塌等復(fù)雜問題，它綜合水基鉆井液與油基鉆井液的各自優(yōu)勢，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，收到人們的青睞。

聚合醇鉆井液的抑制機(jī)理眾說紛紜，目前通過一定實驗所形成了三種機(jī)理，分別是濁點、吸附和滲透；然而，每一種機(jī)理都存在一定的道理與不足。

2.1 濁點效應(yīng)

聚合醇是一種分子量較低、非離子型的聚合物(也稱表面活性劑)，具有濁點效應(yīng)。目前，濁點機(jī)理是被大多數(shù)人們所認(rèn)可的理論。

濁點又稱為霧點，指的是水溶液為非離子表面活性劑時受熱而變渾濁或冷卻又變澄清時所對應(yīng)的溫度。該理論認(rèn)為，當(dāng)鉆井液溫度到達(dá)聚合醇的濁點時，混合水溶液中會析出小油滴(聚合醇)，在水基鉆井液體系中變?yōu)槿橐?，然后從連續(xù)水相中分離出來，最終形成油膜。由于乳狀液體被這時的井溫所激活，使得鉆井液體系獲得了良好的潤滑性能，并在黏土表面上形成一層屏蔽，改變黏土的潤滑性，抑制其水化膨脹，阻止濾液朝地層中侵入，減少油氣層的損害。另外聚合醇表面具有活性，能使得油水界面張力大大減小，巖心滲透率恢復(fù)值得到提高，利于原油返排，并對低滲透性的巖心與泥餅起到堵孔作用。

2.2 吸附機(jī)制

吸附機(jī)制認(rèn)為，聚合醇的抑制性強(qiáng)弱是由黏土顆粒與聚合醇兩者之間的黏結(jié)成膜和吸附交聯(lián)作用決定的。聚合醇本身并不具備包被絮凝性能，但聚合醇的分子鏈中主鏈上全為碳原子，側(cè)鏈以羥基居多，從而與黏土顆粒之間形成大量的氫鍵。在黏土表面上，由于聚合醇分子擁有大量的醚鍵，其與水分子會發(fā)生吸附競爭，搶占水分子的吸附位置，形成體化合物層，進(jìn)而阻止黏土與水發(fā)生反應(yīng)，起到穩(wěn)定井壁、防塌作用。

2.3 滲透說

通過提高鉆井液濾液的黏度值和降低其化學(xué)特性，來增強(qiáng)聚合醇的抑制性能，從而有效地遏制了泥頁巖的水化擴(kuò)散。井壁失穩(wěn)是當(dāng)鉆井液與泥頁巖兩者相互接觸時，由于液體自身活度的差異以及它們之間的壓力差造成的。聚合醇穩(wěn)定井壁是通過減少水力進(jìn)入地層，增大鉆井液黏度，降低濾矢量，增大滲透阻力，平衡孔隙水來阻止濾液侵入。遼河油田的雙興l井深度為5505 m，井內(nèi)最高溫度達(dá)到180 ℃，到目前為止，是該油田垂深最深的井，該區(qū)塊地層為泥頁巖，由于鉆井時常發(fā)生井壁失穩(wěn)，從而導(dǎo)致地層極易垮塌，此外地層溫度過高也提高了鉆井施工難度，致使整個鉆井周期過長。該鉆井液不僅具有良好的抑制性能、流變性能，而且防卡效果也突出，取心過程順暢，收獲率高達(dá)95.65%；防塌性能優(yōu)異，二開、三開井徑的擴(kuò)大率平均為6.4%、2.7%，鉆井施工過程中并沒有發(fā)生嚴(yán)重的掉塊現(xiàn)象，圓滿地完成了施工工作。羅云鳳等人通過室內(nèi)優(yōu)選實驗，以分析鉆井液的各類試劑毒性為基礎(chǔ)，研制了新型環(huán)保海洋聚合醇鉆井液。在120 ℃老化16 h后，性能參數(shù)變化較小，耐溫性強(qiáng)，對油氣儲層的污染小。滿足海洋鉆井施工要求。老斜454井所在區(qū)塊蒙脫石含量高，地層膠結(jié)較為疏松。在鉆井作業(yè)過程中，由于造漿嚴(yán)重，從而致使鉆井液中無用固相含量過高，改變流變性能，易造成井眼不穩(wěn)定。陳文俊等人選用抑制性能較強(qiáng)的聚合醇水基鉆井液，利用固控設(shè)備與聚合物絮凝包被劑的共同作用，改善了它的流變性能，并且具有較強(qiáng)的攜帶能力、抑制性、潤滑性。

為了解決井壁與鉆井液兩者之間穩(wěn)定性的矛盾，一種新型帶正電的鉆井液體系被研制出來，它就是正電膠鉆井液體系。正電膠鉆井液穩(wěn)定井壁的機(jī)理為：一是在施工過程中正電膠鉆井液能夠在井壁附近處構(gòu)成“靜止膜”，減弱鉆井液對井壁的侵蝕傷害；二是正電膠的膠粒還能在井壁處構(gòu)成一層帶正電膜，遏制泥頁巖或黏土的水化擴(kuò)散；正電膠鉆井液中的陽離子促使添加劑對井壁的吸附能了增強(qiáng)，井壁處帶正電膜是由添加劑相互之間的協(xié)同作用而形成的，阻擋水分子的進(jìn)入，從而井壁得到穩(wěn)定，油氣儲層也受到保護(hù)。

3 聚胺類鉆井液體系

聚胺類鉆井液是近年來國外研制出的一種新型水基鉆井液，超強(qiáng)的抑制性能和防塌效果得到了廣泛應(yīng)用。黏土層之間通過其獨有的分子結(jié)構(gòu)被束縛在一起，并使得黏土電極間距減小，遏制了黏土的吸水傾向，阻止水分子在晶層間穿過，頁巖膨脹的抑制則通過吸附或者交換替代金屬陽離子來實現(xiàn)。

該體系目前應(yīng)用廣泛，因其同時具備油基與逆乳化鉆井液的優(yōu)點，對泥頁巖水化膨脹抑制效果好，流變性能良好，以及抗溫、抗污染能力強(qiáng)等特性。王昌軍等人研制了一種與ULTRAHIB產(chǎn)品性能一致的聚胺抑制劑，根據(jù)UHIB配方優(yōu)選出一套具有強(qiáng)抑制性的鉆井液體系。在120 ℃，老化16 h后的性能參數(shù)為：YP為21.5 Pa，PV為28 mPa·s，AV為49.5 mPa·s，API濾矢量為4.8mL，滾動回收率高達(dá)96.2%，密度為1.20g/cm3。該體系具有較強(qiáng)的抑制性，良好的降濾失封堵性以及流變性，并且儲層保護(hù)效果顯著，90 mim動增水量為0，除去0.5 cm后的滲透率可以恢復(fù)到93%以上，應(yīng)用前景廣泛。由于深海區(qū)域黏土極易發(fā)生水化膨脹，經(jīng)常出現(xiàn)井壁失穩(wěn)問題，李建波等人針對此問題，通過室內(nèi)實驗研制出一種擁有較強(qiáng)抑制性能滿足深水鉆井要求的聚胺鉆井液體系。

4 結(jié)語

井壁失穩(wěn)、垮塌是鉆探行業(yè)中一個亟需解決的難題。在鉆井施工過程中如果發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌，就會導(dǎo)致鉆井工作不能順利進(jìn)行，拖延鉆井工期，從而增加了鉆井成本。因此，如何有效解決井壁失穩(wěn)、垮塌問題是現(xiàn)在科研人員的重點研究方向。文章從分析各類鉆井液特點出發(fā)，油田泥頁巖井段鉆井液具有較好的流變性能，能夠有效清潔井眼；老化前后濾失量均在合理范圍內(nèi)，滿足防塌鉆井液的要求；具有很好的抗污染、抗溫能力。