GSY防塌環(huán)保鉆井液體系在蘇丹六區(qū)油田的研究與應(yīng)用

劉相偉 王麗

(中石油長城鉆探工程有限公司對外合作部, 北京 100101) (中石油遼河油田分公司國際事業(yè)部，遼寧 盤錦 124010)

GSY防塌環(huán)保鉆井液體系在蘇丹六區(qū)油田的研究與應(yīng)用

劉相偉 王麗

(中石油長城鉆探工程有限公司對外合作部, 北京 100101) (中石油遼河油田分公司國際事業(yè)部，遼寧 盤錦 124010)

蘇丹六區(qū)油田的AG地層泥頁巖水敏性極強，因井壁失穩(wěn)造成的井眼事故頻繁發(fā)生。通過使用多功能絮凝包被抑制劑GWAMAS，替換掉原有體系中的KPAM，解決了原有體系抑制性不足的問題。同時引入高效防塌劑GSY、天然高分子降濾失劑CGS等高效處理劑，構(gòu)建了滿足蘇丹六區(qū)油田快速、安全、經(jīng)濟的防塌環(huán)保鉆井液體系。室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗均表明，該鉆井液具有良好的流變性、抑制性、抗污染能力、環(huán)保性，能有效地解決AG地層井壁失穩(wěn)問題，具有良好的性價比，推廣前景廣闊。

井壁失穩(wěn)；GWAMAS包被抑制劑；防塌環(huán)保鉆井液；蘇丹六區(qū)油田

蘇丹六區(qū)油田的AG地層泥巖、頁巖吸水膨脹而導致的坍塌、掉塊，井下復雜較多[1～5]。為了解決蘇丹六區(qū)油田井壁失穩(wěn)問題，分別用KCl-PHPA、KCl-KPAM、KCl-PAC(低黏)等聚合物體系，但是即使KCl質(zhì)量分數(shù)達到8%～10%，現(xiàn)場應(yīng)用效果并不理想，井壁失穩(wěn)問題依然頻繁發(fā)生[6～8]。為此設(shè)計出一套GSY防塌環(huán)保鉆井液體系，有效解決了蘇丹六區(qū)油田井壁失穩(wěn)問題。

1 蘇丹六區(qū)油田鉆井液技術(shù)難點分析及對策

1)鉆井過程中，地層從上到下存在大段泥巖，泥巖中蒙脫石、高嶺石、伊利石含量高，易水化膨脹，導致井壁膨脹縮徑，起下鉆掛卡、阻劃。對已鉆38口井的井徑狀況相關(guān)資料進行了收集，其中10口井井徑基本規(guī)則，占26%；10口井以縮徑為主，占26%；12口井縮徑并擴徑，占32%；6口井擴徑，占16%。復雜情況在淺部(1500m以上)以縮徑為主，在深部(1750～3000m以下)經(jīng)常出現(xiàn)掉塊坍塌現(xiàn)象，尤其是AG地層掉塊嚴重。從礦物X射線和對所鉆過的FN-1、FN-21、FN-68這3口井的巖性進行了分析，黏土類型均以伊-蒙混層為主，而且間層比均不低于40%，同時黏土總量都集中在62.6～66.4之間，屬于典型強造漿地層。

2)下部AG地層存在類似頁巖地層，容易發(fā)生剝落、坍塌，嚴重時可能造成井壁坍塌卡鉆。AG地層則以泥巖成分為主，孔隙度相對偏低，特別是AG(中)地層的平均孔隙度最低，為16.3%，其砂層所占比例也相對較小，為12.8%。因此，鉆井液要維持適宜的密度，AG地層的漏失問題才能緩解，AG地層的孔隙度低，井漏的傾向小。

圖1 巖樣微裂縫高清圖

圖1為巖樣的微裂縫情況，可以看出巖樣整體致密，其中有5～10μm的微裂縫，有明顯的層理結(jié)構(gòu)。為解決以上問題，確定鉆井液技術(shù)對策如下：一是提高鉆井液的抑制性和封堵性；二是保證適當?shù)你@井液密度；三是替換原有體系核心處理劑，使用公司自己生產(chǎn)的處理劑，提高抑制性同時降低口井每米成本。

2 鉆井液用多功能絮凝包被抑制劑GWAMAS優(yōu)選

2.1GWAMAS作用機理

鉆井液用多功能絮凝包被抑制劑GWAMAS是一種液體的增黏包被抑制劑，它是丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物，其有效成分HPAM吸附在頁巖顆粒邊緣和表面上的高聚物連同吸附物形成了一層保護屏障，阻止了水分子的進入，降低了頁巖表面的水化效應(yīng)，阻礙了頁巖的崩裂和坍塌。高分子鏈深入到泥頁巖的縫隙中起到固結(jié)和防止泥頁巖水化膨脹的作用。同時HPAM的—COO—使分子鏈帶負電荷水化，由于靜電斥力和水化膜的作用使卷曲的分子得到伸展。對于不同類型的顆粒表現(xiàn)出了不同的吸附、絮凝能力。其分子式及作用機理如圖2所示。

圖2 HPAM表面上的吸附

2.2GWAMAS包被劑的優(yōu)選

1)包被劑對井漿性能的影響 在分散井漿中加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%的2種包被劑，分別測試分散井漿，分散井漿+0.3%河北崇禮多元包被劑，分散井漿+0.3%GWAMAS乳液包被劑，在常溫及90℃時的性能，結(jié)果如表1所示。2種包被劑對鉆井液性能影響趨勢接近，漏斗黏度及液相黏度增大，動塑比降低，靜切力降低，GWAMAS乳液包被劑的流變性指標略優(yōu)于河北崇禮多元包被劑。

表1 包被劑對井漿性能的影響

注1：μf為漏斗黏度；μa為表觀黏度；μp為塑性黏度；τi、τf分別為初切力和終切力；τd為動切力；Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分別為六速旋轉(zhuǎn)黏度計600、300、200、100、6、3r/min對應(yīng)的讀值；VAPI為API濾失量；n為流性指數(shù)；K為稠度系數(shù)。下同。

注2：配方1#為分散井漿；配方2#為分散井漿+0.3%河北崇禮多元包被劑；配方3#為分散井漿+0.3%GWAMAS乳液包被劑。

2)包被劑具有抑制頁巖分散作用 取Abu Gabra Suf N-3井深為3130m的巖屑50g(6～10目)，分別加入清水及含有包被劑的水溶液中，熱滾120℃×16h后，用40目篩回收巖屑，烘干，稱重，實驗結(jié)果如表2所示。2種包被劑巖屑回收率均超過90%，但是GWAMAS乳液包被劑抑制巖屑分散能力更強。

表2 巖屑回收實驗結(jié)果表

圖3 巖屑回收照片

3)粒度分析 以分散井漿為基液，分別加入0.3%河北崇禮多元包被劑，0.3%化學公司GWAMAS乳液包被劑，放入粒度分析儀中，測定其微粒含量，測試結(jié)果見表3。分散井漿配方：3%膨潤土漿+0.2%Na2CO3+0.1%XC；多元包被劑配方：分散井漿+0.3%河北崇禮多元包被劑；乳液包被劑配方：分散井漿+0.3%化學公司乳液包被劑GWAMAS。表3中的測量結(jié)果表明，兩種包被劑體系的平均粒徑略有降低；表4在一定程度上表現(xiàn)出兩種包被劑對微粒的絮凝作用(與吸附基團分布有關(guān))的差異，在0.25～0.3μm、0.3～0.35μm、0.35～0.4μm、0.4～0.47μm、0.47～0.55μm等粒徑區(qū)間內(nèi)，加入GWAMAS乳液包被劑的體系中微粒質(zhì)量分數(shù)均高于多元包被劑，說明乳液包被劑對微粒的吸附橋連作用相對較弱。

試驗結(jié)果表明，GWAMAS乳液包被劑具有良好的流變性能和抑制頁巖分散作用，同時微粒質(zhì)量分數(shù)較多的吸附橋連作用相對較弱，以上優(yōu)點使鉆井液體系在配漿轉(zhuǎn)化過程中減少了提黏劑的使用，減少了成本。

表3 特征粒徑對比

注：D10、D50、D90分別為累計粒度分布數(shù)達到10%、50%、90%時所對應(yīng)的粒徑。

表4 粒徑區(qū)間分布

2.3GSY環(huán)保防塌鉆井液體系配方及性能評價

2.3.1GSY環(huán)保防塌鉆井液體系配方

本著安全、經(jīng)濟的原則，配方優(yōu)選了防塌抑制劑、多功能絮凝包被抑制劑、流型調(diào)節(jié)劑、防塌降濾失劑、潤滑劑等，確定GSY新型環(huán)保防塌鉆井液體系：2%膨潤土漿+6%高效防塌抑制劑GSY(粉末)+0.2%乳液包被劑GWAMAS +3%天然高分子降濾失劑CGS+0.86%低黏聚陰離子纖維素PAC-LV+2%低軟化點瀝青KH-931+2%抗高溫抗鹽降濾失劑NFC-1+0.1%黃原膠XC+0.2%NaOH+重晶石。其性能見表5，老化后流變性能適當，高溫高壓失水量符合預期要求。

表5 最終配方的鉆井液性能

注：ρ為密度；Vhthp為高溫高壓濾失量。熱滾條件130℃×16h，滾后50℃測試。

2.3.2熱穩(wěn)定性評價

實驗測試GSY環(huán)保防塌鉆井液體系熱穩(wěn)定性，對比GSY環(huán)保防塌鉆井液體系中不添加0.2%乳液包被劑GWAMAS配方的熱穩(wěn)定性，測試結(jié)果如表6所示。對比4#體系和GSY防塌鉆井液體系，GSY防塌鉆井液體系在150℃滾動16h后性能變化不太大，而4#體系性能已被完全破壞，表明乳液包被劑GWAMAS可以明顯地提高體系的抗溫能力，至150℃。

表6 GSY環(huán)保防塌鉆井液體系抗溫性能表

注：4#配方中不添加GWAMAS，配方為2%膨潤土漿+6%高效防塌抑制劑GSY(粉末)+3%天然高分子降濾失劑CGS+0.86%低黏聚陰離子纖維素PAC-LV +2%低軟化點瀝青KH-931+2%抗高溫抗鹽降濾失劑NFC-1+0.1%黃原膠XC。

2.3.3防塌抑制能力評價

在巖屑回收率試驗中，篩取Abu Gabra Suf N-3井中井深為3130m的巖屑40g(8～10目)，分別加入常用抑制防塌體系、有機硅防塌體系、硅氟鉆井液體系、KCl鉆井液體系、GSY鉆井液體系，測試這5種鉆井液的抑制性能。在滾子爐120℃下滾動16h后取出，過40目篩網(wǎng)，收集巖屑，測得回收率。GSY鉆井液體系對頁巖的抑制性最強，高達96%(圖4)，明顯優(yōu)于另外4種鉆井液體系。

圖4 體系抑制性對比圖

2.3.4抗土侵污染性能評價

蘇丹六區(qū)油田上部地層，蒙脫石質(zhì)量分數(shù)較高，極易出現(xiàn)黏土侵入鉆井液，致使流變性無法控制，因此，向GSY鉆井液體系中分別加入不同質(zhì)量分數(shù)的膨潤土測其性能，結(jié)果見表7。可以看出，GSY體系鉆井液體系的膨潤土容量為6%，抗土侵能力較強。

表7 鉆井液體系膨潤土容量限性能測試表

3 GSY防塌環(huán)保鉆井液體系現(xiàn)場應(yīng)用及效果

以蘇丹六區(qū)油田Sufyan E-3井為例，該井鉆井液設(shè)計方案如下。二開(600～2980m井段)采用KCl聚合物鉆井液體系：3%膨潤土漿+0.2%Na2CO3+0.3%低黏聚陰離子纖維素PAC-LV+3%高分子降濾失劑CGS+0.2%乳液包被劑GWAMAS +5%KCl+0.5%抗高溫抗鹽降濾失劑NFC-1 +3%暫堵劑+重晶石。三開(2980～3600m井段)采用GSY鉆井液體系：2%膨潤土漿+6%高效防塌抑制劑GSY(粉末)+0.2%乳液包被劑GWAMAS+3%高分子降濾失劑CGS+0.86%低黏聚陰離子纖維素PAC-LV+2%低軟化點瀝青KH-931 +2%抗高溫抗鹽降濾失劑NFC-1+0.1%黃原膠XC +0.2%NaOH+重晶石。

GSY防塌環(huán)保鉆井液體系在蘇丹六區(qū)油田Sufyan E-3三開井段現(xiàn)場試驗中，開泵正常，電測和下套順利，井徑較規(guī)則，該鉆井液體系滿足了安全鉆井、錄井及測井等各項要求。GSY防塌環(huán)保鉆井液體系應(yīng)用效果良好，達到了預期目的。

1)良好的潤滑效果 Sufyan E-3井是蘇丹六區(qū)油田一口區(qū)域探井，起下鉆、接單根、電測等作業(yè)順利，起鉆過程中附加拉力小于7t，在該井段且沒有使用其他液體潤滑劑。

2)強抑制性 原KCl聚合物體系在該井段每150～200m需要加入處理劑進行鉆井液性能的調(diào)整，從井深2908～3600m井段使用GSY體系后，該井段沒有進行鉆井液性能的調(diào)整，性能非常穩(wěn)定。

3)有效解決AG地層井壁失穩(wěn) Sufyan E-3井在2908～3600m井段，井徑擴大率僅為10%，井徑光滑平順，成本較原KCl聚合物體系相比下降10%，滿足了安全鉆井、井壁穩(wěn)定、成本下降等要求，具有明顯的口井效益。

4 結(jié)論

1) 優(yōu)選出多功能絮凝包被抑制劑GWAMAS，該包被抑制劑具有良好抑制包被作用。通過優(yōu)化，形成了GSY體系配方：2%膨潤土漿+6%高效防塌抑制劑GSY(粉末)+0.2%乳液包被劑GWAMAS +3%天然高分子降濾失劑CGS+0.86%低黏聚陰離子纖維素PAC-LV+2%低軟化點瀝青KH-931+2%抗高溫抗鹽降濾失劑NFC-1+0.1%黃原膠XC+0.2%NaOH+重晶石。

2) GSY防塌環(huán)保鉆井液有效地解決了蘇丹六區(qū)油田AG地層井壁穩(wěn)定問題，在該井段井徑擴大率僅為10%，井徑光滑平順，達到了快速、安全、環(huán)保鉆井目的。

[1]鄧金根，張洪生.鉆井工程中井壁失穩(wěn)的力學機理[M].北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[2]賈利春，陳勉，張偉，等.誘導裂縫性井漏止裂封堵機理分析[J].鉆井液與完井液，2013，30(5)：82～85.

[3]豐全會.井壁穩(wěn)定性研究及其在鹽城地區(qū)的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2000，23(4)：22～26.

[4]肖穩(wěn)發(fā)，向興金，羅春芝，等.合成基鉆井液體系的室內(nèi)研究[J].鉆采工藝，2000，23(3):78～81.

[5]徐同臺，趙忠舉.21世紀初國外鉆井液和完井液技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[6]Jarrett M A. A new polymer/glycol water-based system for stabilizing troublesome water-sensitive shales[J]. SPE29545，2010.

[7]Al-Ammari S M, Phillips J E, Ogunsola A, et a1. Water-free, drilling fluids dramatically improved the producibility of sensitives and stone reservoir [J]. SPE93702，2005.

[8]Davison J M, Jones M. Oil-based muds for reservoir drilling：their performance and clean-up characteristics [J]. SPE72063，2008.

[編輯] 帥群

TE254

A

1673-1409(2017)19-0057-06

2016-11-10

劉相偉(1984-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井液技術(shù)服務(wù)及管理工作，liuxiangwei2007@163.com。

[引著格式]劉相偉，王麗.GSY防塌環(huán)保鉆井液體系在蘇丹六區(qū)油田的研究與應(yīng)用[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(19):57～62.