KCl-聚胺鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

胡清富，王向陽，裴紅軍，司小東，張立剛

（大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部，黑龍江大慶163318）

魯邁拉油田位于伊拉克南部，是超巨型油田，位居世界第六，是國際各大石油巨頭角逐的市場，競爭異常激烈。尤其自2015年以來，國際原油價格持續(xù)走低，加之伊拉克國內(nèi)動亂，政府資金不足，魯邁拉油田甲方不斷減少鉆井投資來縮減油田開發(fā)支出。同時魯邁拉油田地質(zhì)條件復(fù)雜，三開Mishrif、Zubair 層頁巖剝落嚴(yán)重，滲漏頻繁。激烈的市場競爭和復(fù)雜的地質(zhì)條件給承包商帶來巨大生存壓力，為了能夠滿足國際鉆井液技術(shù)服務(wù)要求，通過對原有的無固相氯化鉀鉆井液體系不斷改進(jìn)和優(yōu)化，最終形成了目前正在使用的KCl-聚胺鉆井液體系。

1 基本概況

KCl 聚合物鉆井液體系由于其在頁巖井壁穩(wěn)定和油層保護(hù)方面的突出特點，在國際鉆井行業(yè)中被廣泛使用。截止目前，大慶伊拉克魯邁拉項目8-1/2″井眼鉆井液的發(fā)展共經(jīng)歷了3個階段，分別是抗鹽聚合物鉆井液體系階段，無固相KCl 聚合物鉆井液體系階段和目前正在使用的KCl-聚胺鉆井液體系階段。2018～2020年，為實現(xiàn)提速目標(biāo)，通過大量的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場實踐，對無固相KCl 聚合物鉆井液體系做了全面的優(yōu)化，研制出新型的KCl-聚胺鉆井液體系，該體系不但流型易調(diào)整、井眼凈化能力好、油層保護(hù)能力強(qiáng)，而且具有更好的頁巖抑制能力，頁巖層段井徑質(zhì)量顯著提高，針對井型的復(fù)雜化，做了大量的提高泥漿潤滑性的實驗，取得了明顯的效果。在已完成井施工中，井下復(fù)雜明顯減少，而且減少了大量的短起下、通井作業(yè)，提速效果明顯。

2 地質(zhì)特征和施工難點

三開地層中（Tnnuma、Ahmadi、Nahr Umm、U.shale 和Middle shale 等）存在易分裂的層狀頁巖，極易發(fā)生剝落坍塌，造成井下復(fù)雜。

Mishrif 和Zubair 兩個油層滲透率高，孔隙連通性好，易發(fā)生漏失。發(fā)生漏失后，極易引起頁巖層段井壁失穩(wěn)。

Mishrif和Zubair層油層滲透率高，地層壓力低，易發(fā)生吸附粘卡。

8-1/2″井眼完井期間，測井項目較多，測井周期長，尤其是加測地層壓力、地層流體取樣等施工，增加了施工風(fēng)險。

3 KCl-聚胺鉆井液體系的室內(nèi)研究

3.1 處理劑優(yōu)選

針對前期施工中存在的問題，在原有的無固相氯化鉀鉆井液體系的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)實驗，優(yōu)選降濾失劑、包被抑制劑、頁巖抑制劑、潤滑劑，優(yōu)化處理劑加量，對體系進(jìn)行進(jìn)一步升級優(yōu)化。

（1）優(yōu)選降濾失劑。無固相氯化鉀鉆井液的失水控制是比較困難的，因為在有固相（采用膨潤土配漿）時，可形成較致密的泥餅，而無固相鉆井液不容易形成泥餅，失水控制就很困難。這就需要選擇降失水效果好的降失水劑，將無固相鉆井液的失水控制到較低的水平。為了達(dá)到良好的降失水效果，我們優(yōu)選出PAC-LV 和CMC-LV 作為主要的降失水劑，配合CMS-HT，通過不同配比，調(diào)整鉆井液流型和失水。

（2）優(yōu)選包被抑制劑。鉆井液的抑制能力是保證井壁穩(wěn)定的重要指標(biāo)。鉆井過程中泥頁巖表面吸附水分子，形成水化膜，而后水分子進(jìn)入泥頁巖晶層間，使晶層間距離增大，泥頁巖發(fā)生體積膨脹以致分散。若鉆井液含鹽度低于泥頁巖中水相的鹽度，滲透水化現(xiàn)象將更嚴(yán)重，且滲透水化引起的體積膨脹比表面水化大得多?？刂普惩了蛎洝⒎稚⒌姆椒ㄖ饕幸韵聝煞N：一是電中和作用，使（有機(jī)、無機(jī)）陽離子吸附在粘土上，降低電動電位，控制并降低粘土的水化作用；二是包被作用，使用長鏈大分子聚合物，利用其產(chǎn)生多點吸附，包被粘土表面，阻止泥頁巖與鉆井液中自由水的接觸，抑制泥頁巖的水化膨脹、分散。通過室內(nèi)評價，我們優(yōu)選出KPAM 和PHPA 通過一定比例復(fù)配，作為包被抑制劑使用。

（3）優(yōu)選頁巖抑制劑。目前，國內(nèi)外鉆井液常用的頁巖抑制劑主要為無機(jī)抑制劑與有機(jī)抑制劑兩大類，無機(jī)抑制劑主要包含石膏、芒硝、碳酸鉀、氯化鉀等；有機(jī)抑制劑主要包含瀝青類、有機(jī)硅類、環(huán)氧類聚合物、聚合醇類、聚酰胺類以及腐植酸類等。本項目無機(jī)抑制劑使用的是KCl，通過優(yōu)選實驗，有機(jī)抑制劑選用抗鹽效果較好的聚合醇及胺基聚醇，通過膨脹性實驗與回收率實驗，確定聚合醇及胺基聚醇具有較好的頁巖抑制效果，完全滿足施工要求。

（4）優(yōu)選潤滑劑。隨著項目的深入，S 型和J 型定向井越來越多，位移也越來越大，對鉆井液潤滑性的要求越來越高，高效潤滑劑可有效提高鉆井液潤滑性能，是國內(nèi)外解決水平井摩阻問題的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國內(nèi)外的鉆井液潤滑劑大約有15大類170多種，經(jīng)過反復(fù)的實驗驗證，我們最終優(yōu)選出白油和Non foaming E.P.Lubricant 作為液體潤滑劑，Graphite Powder作為固體潤滑劑。

3.2 鉆井液性能評價

3.2.1 鉆井液的常規(guī)性能對比

從室內(nèi)實驗結(jié)果看（見表1），優(yōu)化后的鉆井液性能要好于優(yōu)化前，尤其是泥餅質(zhì)量更加薄而致密，降濾失效果更好，這對頁巖地層的穩(wěn)定高滲透砂巖地層泥餅厚度的控制更加有利。

表1 優(yōu)化前后鉆井液的性能對比

3.2.2 抑制性

采用伊拉克魯邁拉Tanuma 層的頁巖巖屑做回收率和16h 膨脹率，測得巖屑在優(yōu)化后的KCl-聚胺鉆井液體系中的回收率和膨脹率有明顯優(yōu)化（見表2）。

表2 體系優(yōu)化前后膨脹率的對比評價

3.2.3 潤滑性

通過對比優(yōu)化前后鉆井液體系的摩阻系數(shù)來評價鉆井液潤滑性，實驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的KCl-聚胺鉆井液體系摩阻系數(shù)由0.05 降至0.03，明顯高于優(yōu)化前的鉆井液。

3.2.4 抗溫性

伊拉克魯邁拉區(qū)塊Zubair 油層開發(fā)井，井底溫度約為100℃，在該溫度下對優(yōu)化后的鉆井液體系做了抗溫性試驗，優(yōu)化后的鉆井液體系的抗溫性穩(wěn)定，當(dāng)巖屑污染達(dá)到15%時，鉆井液性能依然表現(xiàn)良好（見表3）。

3.2.5 油氣層保護(hù)

由于粒徑匹配的碳酸鈣作為橋接劑和加重劑，并加入了磺化瀝青，有效地改善了泥餅質(zhì)量，提高了油層保護(hù)效果。采用國內(nèi)低滲砂巖巖芯進(jìn)行油氣層保護(hù)效果實驗，巖芯的滲透率恢復(fù)值能達(dá)到90%以上，說明該鉆井液體系能夠很好地起到油層保護(hù)效果（見表4）。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

目前使用優(yōu)化后的KCl-聚胺鉆井液體系已經(jīng)完成25 口井的施工，性能表現(xiàn)良好，平均井眼擴(kuò)大率2.25%，頁巖層段的擴(kuò)大率從11.25%降至5.32%，現(xiàn)場 施工復(fù)雜明顯減少，取得了良好的效果（見表5）。

表3 KCl-聚胺鉆井液體系的抗溫、抗污染穩(wěn)定性

表4 優(yōu)化后KCl-聚胺鉆井液滲透率恢復(fù)值評價

表5 部分井油層鉆井液性能統(tǒng)計

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

（1）流變性能好，KCl-聚胺鉆井液流變性穩(wěn)定，在容易高度水化分散的泥巖地層鉆進(jìn)，粘度保持在50s左右，靜切力適當(dāng)，初切力為2～4Pa，終切力為4～8Pa，動塑比大于0.36Pa/mPa·s。

（2）抑制能力強(qiáng)，濾餅致密，韌性強(qiáng)，有較強(qiáng)的護(hù)壁性，鉆進(jìn)期間無水化分散和剝落掉塊現(xiàn)象，平均井徑擴(kuò)大率在2%左右。

（3）井眼凈化能力強(qiáng)，鉆井液懸浮能力強(qiáng)，鉆進(jìn)過程中井口返砂良好，沒有出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象。在通井循環(huán)到篩面干凈后，未出現(xiàn)測井、下套管遇阻情況。

（4）潤滑性良好，試驗井的鉆井液密度為1.20～1.25g/cm3，加入潤滑劑前摩阻系數(shù)有原來的0.15～0.2下降到不足0.1，滿足S型和J型井的施工要求。

5 結(jié)論和認(rèn)識

（1）KCl-聚胺鉆井液具有攜屑性強(qiáng)、抑制能力強(qiáng)的特點。室內(nèi)和現(xiàn)場試驗表明，該體系能夠滿足現(xiàn)場施工的要求。

（2）KCl-聚胺鉆井液固相含量低，使用可酸化的屏蔽暫堵材料，能夠有效保護(hù)儲層。

（3）KCl-聚胺鉆井液有效解決了魯邁拉區(qū)塊頁巖層井壁穩(wěn)定問題，頁巖段井眼擴(kuò)大率大幅減小。

（4）KCl-聚胺鉆井液具有較好的潤滑性，解決了定向井扭矩大的問題。

（5）KCl-聚胺鉆井液有效減少了井下復(fù)雜事故的發(fā)生，大大縮短了鉆井周期。