陽離子烷基糖苷鉆井液在長南水平井的應用

趙 虎，司西強，雷祖猛，王忠瑾

(中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001)

陜北長南地區水平井為鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的叢式水平開發井，目的層為二疊系—奧陶系，為低滲致密儲藏，巖性復雜。選用陽離子烷基糖苷(CAPG)鉆井液進行試驗，可發揮其優良的抑制和潤滑性能，解決造斜段和水平段易井壁失穩、托壓和卡鉆等井下復雜問題，并利用其低水活度和成膜封固作用，降低儲層的水鎖效應，保護致密儲藏。

1 CAPG鉆井液體系

烷基糖苷(APG)與水有良好的互溶性，其水溶液幾乎不受無機鹽的影響，因分子鏈的長短差異抗溫150～180℃。將APG加入鉆井液中:可增大鉆井液的屈服值和凝膠強度，提高鉆井液的攜巖能力;可降低鉆井液的摩擦系數，提高鉆井液的潤滑性;可有效降低鉆井液的水活度，阻止與鉆井液接觸的頁巖水化和膨脹，降低儲層的水鎖效應［1－3］。APG鉆井液在中原油田的非常規水平井的應用結果表明，該鉆井液具有較好的攜巖帶砂、潤滑防卡和抗溫抗污染能力，可滿足長水平段鉆井的施工需要［4］，但抑制性能有待提高，不能有效解決長段泥頁巖的井壁掉塊問題，且加量大，成本較高。

CAPG在秉承了APG較好潤滑性的基礎上，抑制性能顯著提高，能夠有效解決泥頁巖及砂泥巖等易坍塌地層的井壁失穩問題。CAPG分子本身帶正電荷，含有1個親油的烷基、3個親水的羥基(—OH)、1個親水的醚鍵(C—O—C)和1個強吸附的季銨陽離子(R1R2R3R4N+Cl－)。其抑制機理是多種化學和物理作用的共同體現［5－11］，主要包括:1)靜電吸附成膜及拉緊晶層;2)羥基吸附成膜;3)季銨基團吸附成膜及嵌入去水;4)降低水活度;5)形成封固層。這些作用大大增強了CAPG的抑制能力，且仍保留了APG的潤滑和抗溫抗污染能力，加量顯著降低。同時通過優選封堵材料，優化體系配方，可協同作用解決水平段泥頁巖的井壁穩定問題。

2 陜北長南地區地質與工程概況

現場試驗井目的層為低滲致密儲藏，巖性復雜，具體地質參數如表1所示。

試驗井位根據地質特點有2種井深結構，即三開(二開為 φ241.3 m鉆頭鉆至造斜點前，φ215.9 mm鉆頭鉆至A靶點，下技套)和四開(三開φ244.5 mm鉆頭鉆至A靶點)結構。完井方式有2種，即分段壓裂管柱和套管完井。具體工程參數如表2所示，靖南72－13H1井和高橋26－126H井均因地質出層而懸空側鉆，部分水平井段未計入水平段長。

表1 試驗井地質概況

表2 試驗井工程參數

3 鉆井液技術難點與技術思路

3.1 技術難點

3.1.1 井眼清潔難度大

三口井設計水平段長均超過1 000 m，井身，距結構為多級套管組合，尤其是靖南72－13H1井地面2 928 m套管直徑為244.5 mm，環空較大;2 728～3 770 m套管直徑為177.8 mm，環空較小;四開水平段鉆頭直徑為152.4 mm，井眼較小。因此鉆井液既要滿足上部大環空低返速下的帶砂能力，又要滿足水平段小井眼排量受限下的攜砂和懸浮固相能力。必須選用合理的鉆井液流變參數和合適的排量，盡可能降低循環壓耗，并保持良好的攜砂和懸浮能力，滿足鉆井工程的需要。

3.1.2 地層巖性交錯，井壁穩定要求高

高橋26－126H井造斜段地層泥巖含量較高兼有煤層，高橋46－118H1井造斜段地層泥巖含量較高，需要提高鉆井液密度以有效支撐井壁，但未封固上部劉家溝組易漏地層，安全密度窗口較窄。水平段地層不同層位含有砂質泥巖、灰色泥巖、炭質泥巖、煤層和白云巖等，巖性變換交錯。地層中的泥巖和煤層易坍塌掉塊，對鉆井液的防塌能力要求較高。

3.1.3 水平井段長，潤滑性能要求高

鉆進過程中大部分的扭矩增大以及阻卡問題均是由井眼清潔差而形成的巖屑床、井壁不穩定、鍵槽和壓差過大等因素引起的，長水平段對鉆井液的潤滑性能要求更高。

3.2 技術思路

3.2.1 井眼清潔

根據多級套管組合和長水平井段鉆井需求，采用合理的鉆井液流變參數和合適的排量，將鉆井液黏度控制在50～70 s，鉆井液排量14～19 L/s。實鉆過程中會因膨潤土含量偏低造成鉆井液切力下降，可適當補充黃原膠(XC)以改善鉆井液的流型，提高攜巖帶砂能力。

3.2.2 井壁穩定

選用合理密度的鉆井液，以有效支撐井壁，造斜段鉆遇大段泥巖或煤層時，及時提高鉆井液密度，但應補充一定濃度的封堵材料，如無滲透處理劑等。保持一定濃度的CAPG，通過多羥基吸附拉近黏土和巖石晶片的結構，限制黏土分散，根據各井情況可復合使用KCl，以保持鉆井液的強抑制能力，或采用硅鉀基防塌劑、超細凝膠等，以提高鉆井液的固壁作用或封堵能力，達到穩定井壁的目的。

3.2.3 潤滑防卡

CAPG與APG配合使用，能兼顧潤滑、防塌效果，有利于降低成本，在鉆進過程中應根據地層巖性變化和水平位移的增加而及時補充，保持鉆井液的潤滑性。

4 CAPG鉆井液現場應用

CAPG鉆井液試驗井段含造斜段和水平段，具體應用情況如表3所示。

表3 試驗井鉆井液應用概況

4.1 鉆井液的配制

充分利用現場鉆井液，通過固控設備盡可能清除老漿固相，配制40～60 m3膠液，鉆井液的配方如下:30～50 kg/m3CAPG+40 kg/m3APG+聚合物增黏降濾失劑(COP－HFL)+聚合物降濾失劑(COP－LFL)+低黏羧甲基纖維素鈉(LVCMC)+60～80 kg/m3KCl(或60～80 kg/m3)硅甲基防塌劑)+10～20 kg/m3瀝青類 +適量NaOH。根據各井情況調整聚合物加量，充分循環均勻后，實現鉆井液的平穩轉換。

4.2 鉆井液的維護處理

4.2.1 流變性控制和井眼清潔

為了同時滿足水平段的沖刷帶砂和上部環空的懸浮帶砂需求，鉆井液應保持合理的流變性，鉆井液的黏度為50～70 s、動切力為5～10 Pa、靜切力為1～3 Pa/4～6 Pa時較為合理。使用高黏聚合物乳液(HP)、COP－HFL和高黏羧甲基纖維素鈉(HV－CMC)等均可提高鉆井液的黏度;在膨潤土含量較低的情況下可用XC提高動切力和靜切力;若需要降低鉆井液的黏切，用1 kg/m3LV－CMC+1 kg/m3低黏聚合物(PL)稀膠液稀釋即可，若下鉆劃眼較多，可用高XC或HP配置稠塞液清砂。

4.2.2 濾失量和泥餅質量控制

適當補充LV－CMC、COP－HFL和PL等聚合物可降低鉆井液的濾失量;補充瀝青類、超細凝膠、乳化石蠟等可提高封堵降濾失效果，提高泥餅質量;補充APG和CAPG亦可改善泥餅質量。

4.2.3 防塌措施

選用合理密度的鉆井液，以有效支撐井壁，是保持井壁穩定的前提。如靖南72－13H1井，四開鉆井液密度為1.20 g/cm3，4 100 m后密度提高到1.25 g/cm3，側鉆后4 495 m，γ ＞200，泥質含量升高，鉆井液密度提高到1.30 g/cm3。高橋26－126H井造斜段轉換鉆井液，密度為 1.21 g/cm3，鉆遇泥巖地層時，逐步提高鉆井液密度至中完1.25 g/cm3，考慮到上部劉家溝易漏地層密度不宜過高。保持CAPG的質量濃度≥30 kg/m3可有效保障鉆井液的抑制性，在泥巖含量較高的井段補充瀝青等可提高鉆井液的封堵能力。

4.2.4 潤滑防卡措施

APG類產品潤滑能力強，保持APG和CAPG的總量≥70 kg/m3，隨著水平段的加長，適當提高其用量，可有效降低鉆井液的摩阻;同時必須加強固相控制，使鉆井液含砂量≤3 kg/m3，滿足長水平段鉆井工程的需要。

4.3 鉆井液的應用效果

在整個鉆進過程中，鉆井液性能穩定，井下安全，起下鉆暢通無阻，電測及完井作業均一次成功，未出現井下復雜情況，達到了穩定井壁、保護儲層及井下安全的目的，為地質資料的完整錄取和鉆井施工的順利進行提供了技術保障。具體應用效果如下:

1)抑制性強，保障了井壁穩定，提高了固控效果。保持CAPG用量≥30 kg/m3，并輔助使用KCl(用量≥60 kg/m3)或硅鉀基防塌劑，有效保障鉆井液的抑制性，同時加強封堵和降低濾液浸入措施，3口試驗井均在設計密度范圍內保持了井壁穩定。其中靖南72－13H1井在完井作業期間由于天氣等原因停達44 d，在此期間通井拉井壁井下正常，下完井管柱順利。高橋26－126H井和高橋46－118H1井在泥巖含量較高的雙石組(石千峰組和石盒子組)及含煤層的山西組未出現掉塊現象，鉆完井作業順利。分段鉆井液性能如表4所示。

表4 試驗井分段鉆井液性能

2)潤滑性好，滿足定向施工需要，利于降低循環壓耗、提高機械鉆速。APG類產品潤滑能力強，可改善鉆井液的泥餅質量;同時加強固相控制，控制鉆井液含砂量≤3 kg/m3，可保障長水平段鉆井工程的需要。靖南72－13H1井的機械鉆速較同等巖性和工程措施的臨井靖南70－6H1井水平段提高72%;高橋26－126H井造斜段轉換為CAPG鉆井液后，解決了定向托壓和鉆頭泥包等問題。水平段機械鉆速與摩阻如表5所示。

表5 試驗井的機械鉆速和摩阻

3)剪切稀釋性好，攜巖能力強，保證了井眼清潔及巖屑床的清除。在鉆進過程中，通過補充XC、HV－CMC或HP膠液以保持鉆井液的攜砂能力，及時將鉆屑帶出。一方面減少了鉆屑的重復切削或研磨，有利于控制鉆井液的固相含量;另一方面保持了井眼清潔，減少了巖屑床的形成，保證了井下鉆井的安全施工。

4)有利于油氣層保護和環境保護。CAPG與APG可有效降低鉆井液的水活度，形成理想隔離膜，阻止與鉆井液接觸的泥頁巖水化和膨脹，有效維持井眼的穩定，降低儲層的水鎖效應，實現對儲層的保護;鉆井液中膨潤土含量低，亞微米固相顆粒含量少，使用的加重材料為石灰石，有利于酸化解堵，保護儲層;APG及配伍處理劑的生物毒性低，可自然降解，環境保護壓力低。

5 結論

1)APG鉆井液體系的攜巖帶砂能力、潤滑能力、濾失造壁性等較好，抗溫穩定性較高;CAPG鉆井液體系可提高鉆井液的抑制性能，滿足更多地層長水平段鉆井的需要。

2)應根據相應井段情況控制鉆井液密度，遇泥巖或煤層時適當提高鉆井液的密度，及時補充CAPG、KCl或硅甲基防塌劑，復合使用瀝青類等材料，保障井壁穩定。

3)應優化鉆井液配方，在滿足鉆井工程需要的前提下，降低鉆井液的成本，如:高橋46－118H1井的鉆井液未使用KCl，改用少量硅甲基防塌劑協同CAPG，鉆井液仍保持良好的抑制能力。

4)應進一步加強固相控制，選擇合理的振動篩目數，及時清除鉆井液中的有害固相，進一步提高機械鉆速。

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