泥頁(yè)巖強(qiáng)抑制劑支化聚醚胺PEA-1的特性及在衛(wèi)456井的應(yīng)用

王忠瑾，司西強(qiáng)，陸為綱，王延世，張永濤，雷祖猛

1.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；2.中國(guó)石化石油工程完鉆井液技術(shù)中心，河南濮陽(yáng)457001；3.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽(yáng)457001

泥頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)一直是油氣鉆井工程中的一個(gè)世界性難題。目前，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆遇的地層約75%為泥巖，而大約95%的井壁失穩(wěn)問(wèn)題發(fā)生在泥頁(yè)巖地層［1］。井壁失穩(wěn)與地層黏土礦物的水化膨脹、分散等作用密切相關(guān)，當(dāng)鉆遇泥頁(yè)巖等易坍塌地層時(shí)，在鉆井液中加入抑制劑是解決井壁失穩(wěn)最有效的途徑之一［2-7］。目前，胺基抑制劑產(chǎn)品被認(rèn)為是抑制能力最強(qiáng)、使用效果最好、應(yīng)用最廣泛的一類有機(jī)材料，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用并取得了良好的效果［8-15］。中原石油工程有限公司展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)，自主研發(fā)了一種環(huán)保型泥頁(yè)巖強(qiáng)抑制劑——支化聚醚胺PEA-1［16］，該產(chǎn)品前期已在現(xiàn)場(chǎng)取得了一定的應(yīng)用效果［17-18］，為進(jìn)一步研究其特性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，進(jìn)行了產(chǎn)品配伍性能、抑制性能、抗溫性能及生物毒性等相關(guān)研究，并在中原油田衛(wèi)456 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以期為支化聚醚胺產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

多元醇，鄭州派尼化學(xué)試劑廠；烷基苯磺酸、端羥基醚化劑、氯代環(huán)氧化物、氫氧化鈉、碳酸鈉，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；有機(jī)胺A，實(shí)驗(yàn)室自制；鈣膨潤(rùn)土，渤海鉆探泥漿公司。

ZNCL-T 型智能磁力恒溫?cái)嚢杵鳎幽蠍?ài)博特科技發(fā)展有限公司；DZF-6050 型真空干燥箱，上海創(chuàng)博環(huán)球生物科技有限公司；OFI 高溫滾子加熱爐，美國(guó)OFI 公司；GJS-B12K 型變頻高速攪拌機(jī)、ZNS-4 型鉆井液濾失量測(cè)定儀、ZNN-D6B型數(shù)控六速黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器廠有限公司；BL200S 型精密電子天平，上海勤酬實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 PEA-1產(chǎn)品的制備

支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品的制備方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。

1.3 PEA-1產(chǎn)品特性

PEA -1 產(chǎn)品作為一種新型環(huán)保泥頁(yè)巖強(qiáng)抑制劑，需要考慮其自身性能及與鉆井液體系的配伍性能以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性價(jià)比等，其中配伍性能則是其在鉆井液中能夠得到較好應(yīng)用的前提條件。支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品特性從以下幾個(gè)方面著手研究。

1.3.1 配伍性能

考察了支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品與飽和鹽水鉆井液的配伍性能。在室內(nèi)配制的飽和鹽水鉆井液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEA-1 產(chǎn)品，120 ℃滾動(dòng)16 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表1中4 個(gè)鉆井液的配方中，XC 為黃原膠，LV-CMC 為低黏度羧甲基纖維素鈉，HV-CMC 為高黏度羧甲基纖維素，SMP為磺化酚醛樹(shù)脂，SMC為磺化褐煤。

表1 PEA-1對(duì)飽和鹽水鉆井液性能的影響結(jié)果

1#為飽和鹽水鉆井液，組成為4% 土+ 1.5%LV-CMC+0.2%HV-CMC+0.2%XC+3%SMP+3% SMC + 0.2% NaOH +36.5% NaCl；2#為飽和鹽水鉆井液+ 0.2% PEA-1 ；3#為飽和鹽水鉆井液+0.5%PEA-1；4#為飽和鹽水鉆井液+1.0%PEA-l。

由表1可見(jiàn)：PEA-1 產(chǎn)品加入飽和鹽水鉆井液后，對(duì)鉆井液流變性能基本無(wú)影響，不會(huì)破壞原有的膠體穩(wěn)定性能，只是稍降低中壓濾失量。這表明，PEA-1 產(chǎn)品與飽和鹽水鉆井液具有較好的配伍性能。

考察了PEA-1 產(chǎn)品與現(xiàn)場(chǎng)井漿的配伍性能?，F(xiàn)場(chǎng)井漿為文138-側(cè)12 井的井漿，取樣井深為3 277 m，密度為1.42 g/cm3；漏斗黏度為54 s；Cl-含量為100 000 mg/L，鉆井液類型為聚合物鹽水鉆井液。在現(xiàn)場(chǎng)井漿中加入不同含量支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品，120 ℃滾動(dòng)16 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 PEA-1對(duì)文138-側(cè)12井井漿性能的影響

由表2可知：在文138-側(cè)12 井井漿中加入不同含量的PEA-1 產(chǎn)品后，在120 ℃高溫下熱滾16 h，鉆井液黏切等流變性變化不大，API 濾失量保持穩(wěn)定。在PEA-1加量達(dá)到2.0%后，鉆井液黏切略有升高，表觀黏度由22.5 mPa·s 升至30.0 mPa·s，塑性黏度由18.0 mPa·s升至20.0 mPa·s，靜切力由0.5/3.5 Pa/Pa 升至2.0/5.0 Pa/Pa，API 濾失量保持1.0 mL 不變。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支化聚醚胺產(chǎn)品在鉆井液中加量較高時(shí)，在發(fā)揮強(qiáng)抑制劑性能的同時(shí)，不會(huì)對(duì)鉆井液流變性和濾失量造成不良影響。

1.3.2 抑制性能

將不同含量支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品加入鈣土基漿中，考察抑制劑含量對(duì)鈣土基漿的相對(duì)抑制率的影響。老化實(shí)驗(yàn)條件為200 ℃、16 h，在此條件下相對(duì)抑制率評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1 PEA-1產(chǎn)品相對(duì)抑制率評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖1可知：支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品含量為0.3%時(shí)，其相對(duì)抑制率達(dá)96.7% ；當(dāng)含量≥0.5%時(shí)，其相對(duì)抑制率大于98%，且趨于穩(wěn)定。由此可以認(rèn)為，在PEA-1 含量大于0.3%時(shí)，即可較好地抑制黏土水化分散，滿足鉆井液抑制防塌要求。

1.3.3 抗溫性能

綜上所述，為了提高國(guó)土資源所檔案管理工作的水平，使其能更好地適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)，建議國(guó)土資源所檔案管理從以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)。

考察不同老化溫度下支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品對(duì)鈣土基漿的相對(duì)抑制率的影響，以此評(píng)價(jià)支化聚醚胺產(chǎn)品的抗高溫性能。支化聚醚胺加量為0.3% 不變，改變老化溫度，老化實(shí)驗(yàn)條件為對(duì)應(yīng)溫度下熱滾16 h。不同老化溫度下PEA-1 對(duì)鈣土基漿的相對(duì)抑制率評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出：老化溫度對(duì)鈣土基漿的Φ100影響較大，但從相對(duì)抑制率結(jié)果來(lái)說(shuō)，老化溫度的變化對(duì)相對(duì)抑制率的數(shù)值影響不大。溫度為120～240 ℃時(shí)，支化聚醚胺產(chǎn)品對(duì)鈣土基漿的相對(duì)抑制率均大于97%，在240 ℃時(shí)產(chǎn)品的相對(duì)抑制率達(dá)97.98%，但是基漿的Φ100急劇增大。當(dāng)老化溫度為220 ℃時(shí)，支化聚醚胺對(duì)鈣土基漿的相對(duì)抑制率＞97%，可認(rèn)為支化聚醚胺在220 ℃時(shí)仍然對(duì)黏土礦物的水化膨脹分散起到較強(qiáng)抑制作用，且基漿流變性能穩(wěn)定，支化聚醚胺抗溫可達(dá)220 ℃。

表3 不同老化溫度下PEA-1的相對(duì)抑制率結(jié)果

1.3.4 生物毒性

采用發(fā)光細(xì)菌法對(duì)PEA-1 產(chǎn)品的生物毒性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：PEA-1產(chǎn)品試樣的EC50值為521 400 mg/L，遠(yuǎn)大于排放標(biāo)準(zhǔn)30 000 mg/L（參照國(guó)標(biāo)GB/T 15441—1995 水質(zhì)急性毒性的測(cè)定發(fā)光細(xì)菌法），由此可見(jiàn)，PEA-1 產(chǎn)品無(wú)生物毒性，是一種綠色環(huán)保的新型鉆井液處理劑，符合世界綠色鉆井液的發(fā)展趨勢(shì)。

2 PEA-1產(chǎn)品在衛(wèi)456井的應(yīng)用

2.1 概況

衛(wèi)456 井是部署在東濮凹陷中央隆起帶北部戶部寨構(gòu)造東翼的一口直井評(píng)價(jià)井。該井鉆探目的為：①勘探戶部寨構(gòu)造東翼沙四上亞段含油氣情況；②為沙四上亞段致密油勘探研究提供資料。 完鉆原則：①定深無(wú)油氣顯示完鉆；②沙四段見(jiàn)紅色地層無(wú)油氣顯示完鉆。完鉆層位為沙河街組沙四上亞段。設(shè)計(jì)井深3 980 m，三開(kāi)制井深結(jié)構(gòu)，井深結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 衛(wèi)456井井深結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

2.2 技術(shù)難點(diǎn)及措施

2.2.1 技術(shù)難點(diǎn)

在衛(wèi)456 井三開(kāi)井段施工過(guò)程中存在如下技術(shù)難點(diǎn)：

2）三開(kāi)裸眼段長(zhǎng)，攜巖帶砂困難。

3）下部地層井底溫度高達(dá)140～150 ℃鉆井液流變性控制難度大。

4）鹽膏層段夾紫紅色及灰色泥巖，易吸水膨脹掉塊，鄰井衛(wèi)79-13、部12 及衛(wèi)76 等井亦存在膏泥巖井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，井壁穩(wěn)定難度大。

2.2.2 技術(shù)措施

衛(wèi)456 井三開(kāi)采用飽和鹽水鉆井液體系可有效控制鹽膏層的溶解，避免大肚子井眼的形成；同時(shí)適當(dāng)提高鉆井液密度，可防止鹽膏層蠕變縮徑，形成規(guī)則井眼；使用SMP、SMC 和SMT 來(lái)提高鉆井液的抗溫性能，通過(guò)使用XC、HV-CMC 調(diào)整鉆井液的流變性能，保障鉆井液具有較好的攜巖帶砂能力；支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品抑制性能、抗溫性能優(yōu)異，在鉆井液中加入0.3%～0.5% 的PEA-1 后，可明顯增強(qiáng)鉆井液體系的抑制性能，保障膏泥巖井段的井壁穩(wěn)定，減少卡鉆遇阻，抑制地層造漿，保障三開(kāi)井段鉆進(jìn)、電測(cè)、下套管作業(yè)的順利進(jìn)行。

2.3 應(yīng)用情況及效果

本井三開(kāi)鉆遇灰色泥巖、灰色白云質(zhì)泥巖、含膏泥巖、紅色粉砂巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、灰白色膏鹽巖、灰色粉砂巖、灰色泥巖、灰白色鹽巖、深灰色頁(yè)巖等。采用飽和鹽水鉆井液，在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系中加入0.5%PEA-1產(chǎn)品，加入前后鉆井液性能如表5所示。

表5 衛(wèi)456井三開(kāi)鉆井液加入PEA-1前后性能對(duì)比

由表5可知：加入PEA-1 前后鉆井液性能基本沒(méi)有變化，只有動(dòng)塑比和終切力稍有增加，動(dòng)塑比由0.25 增至0.28，終切力由5.5 Pa 增至6.0 Pa，漏斗黏度及中壓濾失量不變?？傮w來(lái)說(shuō)，PEA-1產(chǎn)品與衛(wèi)456 井三開(kāi)飽和鹽水鉆井液體系具有較好的配伍性。

在確認(rèn)了PEA -1 產(chǎn)品與衛(wèi)456 井現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配伍性良好的前提下，針對(duì)沙一段、沙二段的大段泥巖及膏泥巖存在井壁坍塌、掉塊嚴(yán)重的問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中加入0.5%PEA-1 產(chǎn)品后，鉆井液性能穩(wěn)定，鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定無(wú)掉塊，通井順利無(wú)遇阻現(xiàn)象，井眼規(guī)則，井徑擴(kuò)大率為9.67%，電測(cè)、下套管作業(yè)可一次到底。

PEA-1 產(chǎn)品在衛(wèi)456 井三開(kāi)井段的應(yīng)用情況總結(jié)如下：

1）抑制防塌效果突出。飽和鹽水鉆井液中加入PEA-1 后，井眼規(guī)則，三開(kāi)井段設(shè)計(jì)井徑擴(kuò)大率為20% ，實(shí)際平均井徑擴(kuò)大率為9.67% ，通過(guò)三開(kāi)井段井徑曲線可以明顯看出井壁穩(wěn)定，無(wú)鄰井出現(xiàn)的掉塊現(xiàn)象，無(wú)大肚子井眼。三開(kāi)井段井徑曲線見(jiàn)圖2。

圖2 衛(wèi)456井三開(kāi)井段井徑曲線

2）鉆井液固相含量得到有效控制。PEA-1產(chǎn)品具有優(yōu)異的抑制性能，能夠有效控制泥巖水化分散后侵入鉆井液中，鉆井液中膨潤(rùn)土及低密度固相含量減少，保證了鉆井液的清潔，使鉆井液具有良好的流變性能。

3）機(jī)械鉆速高，復(fù)雜時(shí)效低。三開(kāi)井段應(yīng)用PEA-1產(chǎn)品，未發(fā)生復(fù)雜情況，有利于提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低鉆井綜合成本，平均機(jī)械鉆速達(dá)8.18 m/h。

4）產(chǎn)品無(wú)熒光。本井為評(píng)價(jià)井，鉆進(jìn)過(guò)程具有很強(qiáng)的探索性和不可預(yù)見(jiàn)性，本井應(yīng)用的支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品無(wú)熒光，應(yīng)用過(guò)程中不影響錄井。

總之，本井應(yīng)用支化聚醚胺PEA-1 產(chǎn)品，保證了三開(kāi)井段鉆井施工及后續(xù)完井作業(yè)的順利進(jìn)行。PEA-1 產(chǎn)品具有優(yōu)異的抑制防塌性能、抗溫性能，與現(xiàn)場(chǎng)飽和鹽水鉆井液具有較好的配伍性能，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)綠色、安全、高效的鉆井目標(biāo)，為后續(xù)同類井的鉆井施工提供了較好的解決方案。

3 結(jié)論

1）制備得到的支化聚醚胺PEA-1產(chǎn)品，與飽和鹽水鉆井液配伍性好，抑制性能、抗溫性能優(yōu)異，無(wú)生物毒性。PEA-1 產(chǎn)品相對(duì)抑制率大于98%，抗溫達(dá)220 ℃，EC50值為521 400 mg/L，遠(yuǎn)大于排放標(biāo)準(zhǔn)30 000 mg/L。

2）PEA-1產(chǎn)品在衛(wèi)456井三開(kāi)井段的應(yīng)用效果突出，保證了鉆井施工及完井電測(cè)、下套管的順利進(jìn)行。PEA-1 產(chǎn)品具有較好的抑制防塌性能，較好地解決了膏泥巖井段的井壁失穩(wěn)難題，為實(shí)現(xiàn)安全、高效的鉆井目標(biāo)提供了技術(shù)保障。