疏水型高性能水基鉆井液在YC1側(cè)水平井中的應(yīng)用研究

徐 浩，謝 鑫，唐玉華，王媛媛，金 晶

中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州225009

近年來，江蘇油田勘探開發(fā)向深層隱蔽和非常規(guī)油氣藏發(fā)展，多目標(biāo)中深層泥頁巖油氣井增多，其中，蘇北盆地朱家墩地區(qū)深井大斜度井、水平井鉆探過程中井壁失穩(wěn)問題突出。該區(qū)巖樣黏土組分含量、I/S相對(duì)含量高，結(jié)構(gòu)致密，發(fā)育微米級(jí)裂縫，泥頁巖鉆進(jìn)中易造成水敏性垮塌。已有研究表明，采用強(qiáng)抑制KCl/聚胺鉆井液體系不能有效滿足該區(qū)鉆井施工，同時(shí)蘇北盆地水網(wǎng)密集，環(huán)保問題突出，不適于使用油基鉆井液［1-2］。因此，針對(duì)蘇北盆地朱家墩深層泥頁巖大斜度井和水平井井壁失穩(wěn)難題，通過對(duì)該區(qū)深層泥頁巖地層特點(diǎn)分析，強(qiáng)化水基鉆井液疏水性、抑制性和封堵性［3-5］，研發(fā)一套疏水型高性能水基鉆井液，對(duì)該區(qū)深層泥頁巖進(jìn)行優(yōu)質(zhì)高效勘探開發(fā)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料、儀器和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

巖屑，朱家墩區(qū)塊YC5井阜寧組泥頁巖垮塌物；復(fù)合有機(jī)鹽Weigh、納米封堵劑NA-1，北京培康佳業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司；納米封堵劑MN-1、雙親劑SQ-1、生物潤(rùn)滑劑JS-LUB，中石化華東石油工程有限公司科技發(fā)展分公司；微球聚合物TD-1、雙疏劑SH-1，北京石大博誠(chéng)科技有限公司；膨潤(rùn)土、超細(xì)碳酸鈣QS-4、加重劑BaSO4，工業(yè)級(jí)，泰州環(huán)球儀器有限公司；純堿、NaOH等，分析純，市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

OCA20視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，北京東方德菲儀器有限公司；BGRL-9型高溫滾子加熱爐、ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀、中壓濾失儀、高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；WTFann LSM2100型四聯(lián)頁巖動(dòng)態(tài)膨脹測(cè)試儀，F(xiàn)ann212型極壓潤(rùn)滑儀，美國(guó)Fann公司；Mastersizer 3000型激光粒度儀，法國(guó)Malvetn公司；OFI 171-84-01型滲透性堵塞儀，美國(guó)OFI公司；XS204型電子分析天平，梅特勒-托利多（上海）有限公司。

實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1部分：水基鉆井液》。

2 結(jié)果與討論

2.1 朱家墩地區(qū)深層泥頁巖地層成分分析

選擇朱家墩地區(qū)YC5井泥頁巖垮塌物，開展礦物組分與理化性能綜合分析，其性能分析結(jié)果見表1、掃描電鏡分析見圖1。由表1可知：該區(qū)巖樣黏土組分含量較高，大于50%；I/S相對(duì)含量高達(dá)87%；陽離子交換容量（CEC）為160 mmol/kg。由圖1可知：該區(qū)泥頁巖巖樣結(jié)構(gòu)致密，微裂縫發(fā)育，微裂隙大多小于10 μm，泥晶間微孔隙大多小于1 μm、只有少量為1～2 μm，說明該區(qū)泥頁巖黏土敏感性強(qiáng)，易水化；微裂縫發(fā)育，具有硬脆性特征［6］。

圖1 掃描電鏡照片

表1 泥頁巖性能分析測(cè)試

2.2 水基鉆井液核心處理劑的選擇

2.2.1 疏水劑優(yōu)選

室內(nèi)采用懸滴法實(shí)驗(yàn)，基漿中分別加入1%SQ-1與1%SH-1疏水材料，滾動(dòng)后評(píng)價(jià)室溫中壓（API）與高溫高壓（HTHP）濾液疏水性能，結(jié)果見表2和表3。一般情況下，濾液的接觸角越大，疏水性越好。由表2可知：室溫中壓條件下，基漿中配加SQ-1時(shí)，濾液疏水性較好。由表3可知：在120℃高溫高壓條件下，基漿中配加SH-1時(shí)，濾液疏水性更佳，更適應(yīng)于深井。綜合實(shí)驗(yàn)表明，加入疏水劑后，濾液能在巖心表面形成很好的疏水膜，從而有效降低濾液侵入地層［7］。

表2 疏水劑對(duì)API濾液性能的影響(°)

表3 疏水劑對(duì)HTHP濾液性能的影響(°)

2.2.2 微納米封堵劑優(yōu)選

朱家墩深層泥頁巖存在納米級(jí)孔喉和微米級(jí)裂縫，同時(shí)考慮黏土水化后也呈現(xiàn)納米級(jí)分散狀態(tài)［8］，室內(nèi)主要考察3種微納米封堵材料MN-1、TD-1以及NA-1，分別將其加入基漿中評(píng)價(jià)高溫高壓濾失量（FLHTHP），結(jié)果見表4。由表4可知：SQ-1與MN-1配合，高溫高壓濾失量最低，為7.2 mL，說明其封堵效果最佳。

表4 封堵性能評(píng)價(jià)

2.3 水基鉆井液的性能評(píng)價(jià)

通過對(duì)水基鉆井液核心處理劑進(jìn)行優(yōu)選［9］，形成了一套疏水型高性能水基鉆井液體系，記為1#體系，其配方如下：基漿+（3%～5%）QS-4+（1%～2%）MN-1+（1%～2%）SQ-1+3%JS-LUB+BaSO4。

2.3.1 流變性評(píng)價(jià)

對(duì)上述1#水基鉆井液體系進(jìn)行老化前后的流變性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。由表5可知：在150℃高溫老化后，鉆井液體系的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動(dòng)切力（YP）、動(dòng)塑比等各項(xiàng)參數(shù)均下降，反映該體系具有較好的流變性能，完全滿足大斜度井、水平井懸浮攜巖降阻要求。

表5 1#體系流變性評(píng)價(jià)

2.3.2 抑制性評(píng)價(jià)

室內(nèi)選用YC5井泥頁巖垮塌物和膨潤(rùn)土分別對(duì)鉆井液體系進(jìn)行滾動(dòng)回收率和線性膨脹率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中，巖心為YC5井泥頁巖垮塌物；膨潤(rùn)土為鉆井液試驗(yàn)用土，執(zhí)行SY/T 5490標(biāo)準(zhǔn)；聚合物體系主要是聚丙烯酰胺鉆井液；KCl體系是KCl加入聚合物中形成的鉆井液，抑制性評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。由表6可知：1#體系巖心的一次回收率高達(dá)99.8%，大于清水配方和其他2種體系；24 h膨潤(rùn)土線性膨脹率遠(yuǎn)小于清水線性膨脹率，該體系表現(xiàn)出極強(qiáng)的抑制性能，能夠有效降低朱家墩泥頁巖水化膨脹而導(dǎo)致的井壁垮塌。

表6 抑制性評(píng)價(jià)

2.3.3 封堵性評(píng)價(jià)

在室內(nèi)對(duì)1#體系分別進(jìn)行激光粒度分析、高溫高壓濾失以及PPT砂盤滲透實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2～4。由圖2可知：該體系粒徑分布在10 nm～20 μm，與朱家墩區(qū)塊泥頁巖裂縫匹配，能有效封堵該區(qū)泥頁巖微裂縫，降低濾液侵入。由圖3可知：1#體系高溫高壓濾失量與合成基鉆井液接近，同樣表現(xiàn)出很好的封堵性能，可以進(jìn)一步降低濾液侵入。由圖4可知：在3.5 MPa正壓差作用下，60 min后該體系濾失量達(dá)到飽和，基本不再侵入地層。綜合實(shí)驗(yàn)表明，該體系具有極強(qiáng)的封堵性能，能有效阻止濾液侵入地層，防止朱家墩泥頁巖地層垮塌。

圖2 激光粒度分布

圖3 150℃、3.5 MPa下不同鉆井液體系的濾失量

圖4 PPT砂盤滲透測(cè)試結(jié)果

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.4.1 工程地質(zhì)概況

YC1側(cè)水平井設(shè)計(jì)井深4 312.2 m，垂深3 242.93 m，開窗側(cè)鉆井深2 850 m，最大井斜86.29°，水平段長(zhǎng)987 m，鉆探目的是評(píng)價(jià)朱家墩地區(qū)深層泥頁巖裂縫性油氣產(chǎn)能［10］。

2.4.2 體系預(yù)處理

為確保體系順利轉(zhuǎn)化，要求側(cè)鉆前鉆井液膨潤(rùn)土含量控制在25～30 g/L。

轉(zhuǎn)化時(shí)，按照1～2個(gè)循環(huán)周加入30%Weigh及相關(guān)處理劑進(jìn)行轉(zhuǎn)化，充分循環(huán)，待性能穩(wěn)定后加入1% MN-1和1% SQ-1，將體系轉(zhuǎn)化為疏水型高性能水基鉆井液。

2.4.3 體系維護(hù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消耗以及性能波動(dòng)情況，及時(shí)按照配方比例配制等濃度膠液。

鉆進(jìn)過程中使用好四級(jí)固控設(shè)備，振動(dòng)篩篩布尺寸在75 μm以上，維持膨潤(rùn)土含量在30 g/L左右。

水平段調(diào)節(jié)鉆井液流型，確保動(dòng)塑比在0.3以上，以增強(qiáng)體系護(hù)壁能力及懸浮攜帶能力。

水平段鉆井液性能指標(biāo)要求API濾失量小于4 mL，HTHP濾失量小于7 mL。

2.4.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

將研制的疏水型高性能水基鉆井液體系應(yīng)用于朱家墩地區(qū)2 850～4 030 m井段，并對(duì)其流變性能和濾失性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表7。由表7可知：應(yīng)用井段體系性能波動(dòng)幅度小，易于維護(hù)；有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)力，懸浮攜巖能力突出；高溫高壓濾失量控制在6 mL以內(nèi)，大大減少了濾液侵入地層。圖5是施工現(xiàn)場(chǎng)返出的泥頁巖鉆屑情況，由圖5可知：返出的泥頁巖鉆屑顆粒較大，完整性好，鉆頭切削印清晰，鉆進(jìn)中無垮塌掉塊，說明該體系抑制性極強(qiáng)。綜合表明，該體系能夠很好地解決該區(qū)深層泥頁巖吸水膨脹而導(dǎo)致的垮塌問題。

表7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用綜合性能測(cè)試結(jié)果

圖5 現(xiàn)場(chǎng)返砂情況

3 結(jié)論

1）根據(jù)蘇北盆地朱家墩地區(qū)深層泥頁巖的實(shí)際情況，優(yōu)選了疏水劑SQ-1、微納米封堵劑MN-1，形成了一套疏水型高性能水基鉆井液體系，其配方為基漿+（3%～5%）QS-4+（1%～2%）MN-1+（1%～2%）SQ-1+3%JS-LUB+BaSO4。應(yīng)用該體系模擬朱家墩地區(qū)深層泥頁巖的一次回收率為99.8%，高溫高壓濾失量為5.8 mL。

2）通過對(duì)室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)工藝優(yōu)化，形成一套針對(duì)朱家墩深井泥頁巖水平井安全鉆井的疏水型高性能水基鉆井液體系，當(dāng)體系中SQ-1與MN-1用量均為1%時(shí)，粒徑范圍與朱家墩泥頁巖微孔隙、微裂縫匹配，具有很好的封堵防塌性能。該體系具有很好的流變性、疏水性以及抑制封堵性能，其封堵性能接近合成基鉆井液?，F(xiàn)場(chǎng)施工中易轉(zhuǎn)化維護(hù)，水平段攜巖好，返出巖屑完整度好，高溫高壓濾失量低于6 mL，能夠解決該區(qū)深層泥頁巖吸水膨脹而導(dǎo)致的垮塌問題。