類油基鉆井液體系在南堡油田的研究與應(yīng)用

馬海云，胡勇科，邱元瑞，武海棟

（中國(guó)石油冀東油田公司監(jiān)督中心，河北唐山 063299）

隨著南堡油田深層火成巖井段勘探的突破，鉆井深度逐年增加，部分探井已鉆至5 000 m以上。東三段地層上部以灰色泥巖為主，夾薄層粉砂巖，下部發(fā)育灰黑色厚層玄武巖。沙一段地層以深灰色、黑灰色泥巖為主，局部地區(qū)發(fā)育厚層火山巖，火山巖中上部為玄武巖，中、下部為凝灰?guī)r。沙二段、沙三段為淺灰色細(xì)砂巖、粉砂巖與深灰色泥巖互層，局部地區(qū)發(fā)育厚層凝灰?guī)r和玄武巖。南堡深層泥巖、凝灰?guī)r、玄武巖地層微裂縫發(fā)育、自吸水現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生水力尖劈，導(dǎo)致地層破碎。常用的水基鉆井液在封堵、抑制、防塌的性能上無法滿足該井段井壁穩(wěn)定需要[1–2]，諸多探井在鉆探過程中深部地層發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌，無法實(shí)現(xiàn)勘探目的。油基鉆井液有較強(qiáng)的抑制能力、優(yōu)異的封堵能力和膜效率特性等優(yōu)勢(shì)。但是，油基鉆井液成本高、不利于環(huán)境保護(hù)[3]，且油基鉆井液與固井水泥漿摻混，會(huì)降低水泥漿的流動(dòng)性，影響油層固井質(zhì)量。因此，針對(duì)南堡凹陷的地層巖性特點(diǎn)，從油基鉆井液的性能優(yōu)勢(shì)對(duì)比出發(fā)，室內(nèi)研究了適應(yīng)該地層特性的環(huán)保型可重復(fù)利用的類油基鉆井液技術(shù)，該技術(shù)具有油基鉆井液的工程性能和水基鉆井液的環(huán)保特征，并具有良好的油藏保護(hù)性能，較好地解決了井壁坍塌和油層污染的難題。

1 油基鉆井液的優(yōu)勢(shì)

1.1 半透膜效應(yīng)

油基鉆井液當(dāng)中無數(shù)的油包水乳狀液滴自身就是很好的半透膜，具有很強(qiáng)的膜效率，能夠有效地阻止壓力和濾液的傳遞，從而延長(zhǎng)鉆井安全周期[4–5]。圖1給出了人造井壁在模擬井下循環(huán)條件下油基鉆井液與水基鉆井液侵入深度的對(duì)比。從圖1中可以看出，在模擬井下循環(huán)條件下，水基鉆井液很快浸潤(rùn)濕人造井壁，而油基鉆井液則僅浸潤(rùn)濕人造井壁的一半，可見油基鉆井液具有良好的半透膜效應(yīng)，能有效阻止壓力和濾液的傳遞過程，從而有效延緩鉆井安全周期。

圖1 油基鉆井液與水基鉆井液侵入井壁深度的對(duì)比

1.2 反向滲透壓效應(yīng)

半透膜效應(yīng)的特點(diǎn)是當(dāng)用一個(gè)半滲透膜分隔兩種不同濃度的溶液（或者一種純?nèi)芤汉鸵环N溶質(zhì)）時(shí)，由于膜允許溶劑通過而不允許溶質(zhì)通過，所以會(huì)產(chǎn)生滲透壓。也就是說，在具備半透膜效應(yīng)的情況下，分隔的兩種不同活度的溶液，高活度溶液中的溶劑將向低活度溶液中遷移[6–9]。在油基鉆井液中由于水相中存在20%～27%的CaCl2的水溶液，明顯的活度差將使地層中的水向鉆井液中遷移，從而保證地層不受水相遷移的影響，維持井壁的穩(wěn)定性[10–11]。

2 類油基鉆井液體系的構(gòu)建思路[12]

油基鉆井液對(duì)環(huán)境的污染以及后續(xù)的處理難度，阻礙了油基鉆井液的應(yīng)用與推廣。類油基反滲透鉆井液技術(shù)即是通過借鑒油基鉆井液封堵、活度平衡原理，通過油基鉆井液各項(xiàng)優(yōu)異性能的模擬構(gòu)建而來，使鉆井液具有類似油基鉆井液的強(qiáng)膜效率、反滲透功能。通過定量控制井下滲透壓差來平衡鉆井液與井壁地層的水驅(qū)動(dòng)力，控制水流方向，阻止水和鉆井液進(jìn)入泥頁巖以及井壁地層。

2.1 鍵合劑及納米封堵材料

通過分子設(shè)計(jì)，引入了一種含大量與水分子鍵合的多官能團(tuán)小分子有機(jī)化合物——鍵合劑HBA（圖2），該化合物通過分子內(nèi)和分子間與水分子形成氫鍵，從而使鉆井液當(dāng)中的自由水不能自由移動(dòng)而形成鍵合水[1,12]。同時(shí)輔之以膠束封堵劑和納米固壁劑在頁巖井壁表面形成較高膜效率的封堵層，以接近油包水乳滴的半透膜效應(yīng)，為阻止壓力和濾液的傳遞創(chuàng)造條件。圖3給出了人造井壁在模擬井下循環(huán)條件下油基鉆井液與類油基鉆井液侵入深度的對(duì)比。

圖2 鍵合劑分子設(shè)計(jì)及與水的鍵合作用

圖3 油基鉆井液與類油基鉆井液侵入井壁深度的對(duì)比

從圖3中可以看出，在模擬井下循環(huán)條件下，引入鍵合劑HBA的鉆井液浸潤(rùn)濕人造井壁的程度基本上趨于油基鉆井液，能有效阻止壓力和濾液的傳遞過程。

2.2 反滲透效應(yīng)的構(gòu)建

與油基鉆井液類似，類油基鉆井液在模擬構(gòu)建了半透膜效應(yīng)之后，體系中加入20%NaCl+5%KCl，可明顯降低活度，從而在具備半透膜的條件下使地層中的水向鉆井液中遷移，保證地層不受水相遷移的影響，維持井壁的穩(wěn)定性。

3 類油基鉆井液體系

基于油基鉆井液體系井壁穩(wěn)定作用機(jī)理的分析，結(jié)合高溫護(hù)膠穩(wěn)定技術(shù)、半透膜效應(yīng)以及活度平衡鍵合水技術(shù)以及納米封堵技術(shù)[4]，最終構(gòu)建了適合于硬脆性泥頁巖地層的類油基鉆井液體系配方，其配方見表1。

表1 類油基鉆井液體系配方

3.1 基本性能及抗鉆屑污染能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)研究對(duì)油基鉆井液與類油基鉆井液的基本性能及抗鉆屑污染能力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。從表2的基本性能數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，類油基鉆井液與油基鉆井液都具有較好的流變性能，巖屑在油基鉆井液和類油基鉆井液體系中基本不水化造漿。

表2 油基鉆井液體系與類油基鉆井液基本性能對(duì)比

3.2 線性膨脹率性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)選擇NB27–5–1井現(xiàn)場(chǎng)泥頁巖鉆屑，觀察鉆屑在油基鉆井液與類油基鉆井液體系中的線性膨脹率的對(duì)比情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4線性膨脹率數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，類油基鉆井液與油基鉆井液都具有較好的抑制能力，巖屑在油基鉆井液和類油基鉆井液體系中基本沒有膨脹。

圖4 線性膨脹率對(duì)比

3.3 孔隙壓力傳遞性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

硬脆性泥頁巖來說滲透率極低，雖然在鉆井過程中有一定的壓差，但如果沒有很好的膜效率，壓力會(huì)向地層傳遞。由于地層滲透率低，壓力傳遞無法及時(shí)向遠(yuǎn)端輸送，因此會(huì)在近井壁帶進(jìn)行疊加，孔隙壓力會(huì)逐漸上升。隨著時(shí)間的推移，平衡壓差逐漸降低，直至平衡壓力趨近于零，從而造成井壁失穩(wěn)。因此，硬脆性泥頁巖孔隙壓力傳遞的快慢直接影響到鉆井安全周期。

油基鉆井液具有優(yōu)異的半透膜效率，能有效阻止孔隙壓力的傳遞，形成反向滲透壓，因此室內(nèi)研究采用研制的泥頁巖孔隙壓力傳遞實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)油基鉆井液與類油基鉆井液的孔隙壓力傳遞的性能進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5孔隙壓力傳遞效果對(duì)比可以看出，常規(guī)的水基鉆井液無法提供良好的膜效率，即半透膜效應(yīng)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，模擬地層端的孔隙壓力逐漸上升，不利于井壁的穩(wěn)定，而類油基鉆井液具有優(yōu)異的半透膜效應(yīng)，壓力并不能明顯地向地層端進(jìn)行釋放。由于半透膜效應(yīng)，地層兩端的活度差帶來的滲透壓又使地層端的水相向鉆井液中遷移，從而帶來一定時(shí)間內(nèi)地層端壓力的反向下降，有利于保持長(zhǎng)時(shí)間的平衡壓差及井壁的穩(wěn)定。從數(shù)據(jù)中可以看出，類油基鉆井液同樣存在良好的半透膜效應(yīng)，基本達(dá)到了油基鉆井液的效果。

圖5 孔隙壓力傳遞對(duì)比

4 類油基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，類油基鉆井液已經(jīng)在南堡油田2口深層復(fù)雜井進(jìn)行了成功應(yīng)用。應(yīng)用效果表明，該體系具有很好的流變性、抑制性、井壁穩(wěn)定性及油層保護(hù)性能，有效地解決了南堡油田深層易水化分散、膨脹造漿和硬脆性泥巖坍塌問題，提高了機(jī)械鉆速，降低了鉆井液密度。

4.1 井徑規(guī)則

表3是南堡油田類油基鉆井液與常規(guī)水基鉆井液鉆井過程中的井徑擴(kuò)大率對(duì)比結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯示，類油基鉆井液與水基鉆井液相比，實(shí)驗(yàn)井井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率較為理想，井壁穩(wěn)定性好。

表3 南堡油田類油基鉆井液與水基鉆井液井徑擴(kuò)大率對(duì)比

4.2 儲(chǔ)層保護(hù)良好

表4為類油基鉆井液與常規(guī)水基鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果對(duì)比，從對(duì)比結(jié)果中可以看出，類油基鉆井液的平均滲透率恢復(fù)值較為合理，相較于KCl成膜低滲透鉆井液77.27%的滲透率恢復(fù)值，其滲透率恢復(fù)值有所提高。

表4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液滲透率恢復(fù)值

5 結(jié)論

（1）類油基鉆井液具有類似油基鉆井液的強(qiáng)膜效率、反滲透功能。室內(nèi)研究表明，類油基鉆井液具有優(yōu)異的半透膜效應(yīng)，能有效阻止壓力和濾液的傳遞。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該體系具有很好的流變性、抑制性、井壁穩(wěn)定性及油層保護(hù)性能，能有效解決南堡油田深層?xùn)|營(yíng)組、沙河街組大段硬脆性泥頁巖的坍塌問題。