聚合醇在水基鉆井液中的優選與應用

張欣濤

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術研究院鉆井液分公司，黑龍江大慶163000）

鉆井液及鉆井液處理劑經過20世紀80年代的發展高潮以后，逐漸進入穩定期，亦即技術成熟期。可以認為，由于鉆井液及鉆井液處理劑都有眾多的類型及產品可供選擇，因此現代鉆井液技術已不再研究和開發一般鉆井液及鉆井液處理劑產品，而是在高效廉價、一劑多效、保護油氣層、盡可能減輕環境污染等方面進行深入研究[1]，以尋求技術更先進、性能更優異、綜合效益更佳的鉆井液及鉆井液處理劑。

1 聚合醇在鉆井液中的作用機理

由于聚合醇能抑制頁巖水化膨脹，具有潤滑、生物降解、利于環保、保護油層等特點，很快引起了人們對其作用機理的關注。聚合醇抑制泥頁巖水化分散的機理歸納起來有以下4種：①濁點效應。當溫度在濁點以下時，聚合醇處于被溶解狀態,而溫度高于濁點時，則從水溶液中析出，在頁巖表面吸附并形成憎水膜，抑制頁巖水化分散[2]；②聚合醇可增大濾液的粘度、抑制頁巖水化分散。抑制機理是降低濾液化學活性，減小其滲透能力，但該機理要求多元醇濃度較高，在3%～5%的一般加量下不能實現[3]；③與水分子爭搶頁巖中粘土礦物上的吸附位置；④在抑制頁巖水化分散、穩定頁巖的作用上，聚合醇與無機鹽具有協同效應[4]。

2 聚合醇的優選

本次室內實驗將對7種不同廠家的聚合醇（編號為JHC-A、JHC-B、JHC-C、JHC-D、JHC-E、JHC-F、JHC-G）進行評價，從中優選出不起泡、具有較強抑制能力和一定濁度的聚合醇，與有機抑制劑復配，提高體系抑制能力的同時，對泥頁巖微裂縫形成內封堵，有效避免泥頁巖水化膨脹分散，防止鉆進過程中泥頁巖縮徑、坍塌引起的卡鉆等復雜情況。針對收集到的7種聚合醇樣品，利用泉頭組四段泥頁巖巖屑，通過滾動回收率實驗，評價聚合醇單劑抑制效果，同時開展與原水基鉆井液體系配伍性實驗研究，評價其加入前后鉆井液性能變化情況，并觀察是否有起泡現象發生。通過對比實驗結果，優選出各項性能較優的聚合醇處理劑。

2.1 聚合醇單劑加量及抑制效果評價

針對收集到的7種聚合醇樣品，利用泉頭組四段泥頁巖巖屑，通過滾動回收率實驗，評價聚合醇單劑抑制效果，同時確定最適宜的處理劑加量。通過對比實驗結果，優選出各項性能較優的聚合醇處理劑，試驗結果如表1所示。

從實驗結果可以看出，7種聚合醇樣品均在加量為3%時回收率升高明顯，說明聚合醇對巖屑有一定的抑制性，繼續增加加量回收率也會有小幅升高，但考慮到3%的加量已經具有很好的抑制性，且考慮到經濟性，故確定聚合醇加量為3%。聚合醇單劑抑制效果先后順序：JHC-B＞JHC-D＞JDC-A＞JHC-E＞JHCC＞JHC-F＞JHC-G。其中，JHC-B樣品、JHC-D、JHC-F均在3%加量單劑評價過程中存在起泡現象。

2.2 配伍性實驗評價

在原鉆井液體系中分別加入JHC-A、JHC-B、JDC-C、JHC-D、JHC-E、JHC-F、JHC-G 7種聚合醇，控制聚合醇加量為3%，測試老化前后的常規性能及滾動回收率，原鉆井液體系配方如下：

基漿+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV

試驗結果表明，將聚合醇與體系進行復配后，對鉆井液體系的抑制性也有大幅度提升，抑制性強弱順序為：JHC-G＞JHC-A＞JHC-B＞JHC-C＞JHC-E＞JHC-F＞JHC-D。但是除了JHC-A、JHC-G、JHCC三種聚合醇樣品外，其余樣品都存在著很嚴重的起泡現象，產生大量的微泡，在加入較多消泡劑的情況下也無法將微泡消除。綜合聚合醇單劑抑制效果及與鉆井液體系配伍性實驗結果，優選出以下3個廠家的聚合醇作為備選。分別為：JHC-A、JHC-G、JHC-C。

表1 7種聚合醇樣品抑制性評價試驗

2.3 抗鹽性實驗評價

將優選出的3種聚合醇樣品JHC-A、JHC-C、JHC-G配成3%的水溶液進行滾動回收實驗，再分別加入5%KCl進行滾動回收實驗，與清水做對比實驗。實驗中采用泉頭組四段泥頁巖巖屑（溫度為120℃）。

試驗結果表明，清水與3%聚合醇復配后，抑制性大幅度提高，在此基礎上加入5%KCl后，JHC-A和JHC-G樣品的回收率有所增加，而JHC-C樣品的回收率略有下降，說明JHC-A和JHC-G樣品與KCl有良好的配伍性，具有協同抑制作用。綜合以上室內實驗結果，優選出綜合性能較優異的JHC-G作為聚合醇處理劑。

3 聚合醇鉆井液與原有水基鉆井液性能對比

本實驗將對原有的硅基陽離子鉆井液體系在引入聚合醇前后的性能變化。

（1）原鉆井液體系配方：5%土漿+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV。

（2）引入聚合醇后高性能鉆井液配方：5%土漿+3%JHC-G+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV。

3.1 抑制性對比

針對原硅基陽離子鉆井液和改進后的高性能鉆井液，利用泉頭組四段泥頁巖巖屑，通過滾動回收率實驗，評價鉆井液抑制效果。鉆井液性能如表2所示。

表2 與原體系的抑制性對比

實驗結果證明，在硅基陽離子鉆井液體系中引入聚合醇后鉆井液體系的回收率明顯提高，說明高性能鉆井液體系有了更好的抑制性。

3.2 封堵性對比

因為聚合醇的濁點效應，溫度高于濁點時,可從水溶液中析出,起到封堵的作用。所以首先確定聚合醇JHC-G的濁點。

3.2.1 聚合醇JHC-G濁點的測量

在300mL蒸餾水中加入3g聚合醇樣品配成1%濃度的樣品，并充分攪拌，待完全溶解后，取100mL樣品于試管中，放在水浴鍋中加熱、升溫。觀察溶液出現渾濁時，記錄下該溫度t1；然后把試管置于空氣中冷卻，記錄溶液由渾濁變透明時的溫度t2，若t1=t2，則該溫度即為聚合醇的濁點。實驗結果：JHC-G的濁點為60℃。

3.2.2 溫度在60℃前后封堵性對比

分別在40℃和80℃對硅基陽離子鉆井液和高性能鉆井液做高溫高壓失水實驗，評價降失水性，如表3所示。

表3 高溫高壓失水實驗結果

實驗結果表明，在低于60℃的條件下，2種體系的高溫高壓失水量相當，但當溫度升到80℃時，高性能鉆井液體系的高溫高壓失水變少，證明聚合醇的濁點效應可以提高體系的封堵性，降低失水。

3.3 引入聚合醇后對流變性的影響

用六速旋轉粘度計對2種鉆井液體系的流變性進行測量，得到流變性能如表4所示。

表4 引入聚合醇后流變性能

實驗證明，在硅基陽離子體系中引入聚合醇并沒有對體系的流變性產生很大的影響。從室內對比實驗可以看出，引入聚合醇后體系的抑制性有大幅提升，在溫度超過濁點后高溫高壓失水也有所降低，提高了封堵性，并且聚合醇對流變性的影響不大，雖然在高速攪拌時有少量氣泡產生，但加入少量消泡劑后易被清除。

4 現場應用效果分析

4.1 現場應用情況

2014年上半年強抑制水基鉆井液技術服務完成水平井3口，施工區塊為大慶油田F38區塊和Z41井區，這3口井井身結構及鉆井液要求具體見表5。

表5 高性能鉆井液在3口井應用情況

從實鉆井身結構數據上不難看出Z41-P1井鉆井液施工難度最大，F38-P6次之，F38-P3難度最小。F38-P3等3口井最大狗腿度在7.5°～8.49°之間，其中Z41-P1井自著陸至完鉆甲方導向垂深下降了35m，形成雙階梯井軌，一定程度上增加了實鉆摩阻。鉆井液主要性能均符合設計指標，濾失量小于3mL，鉆井液井壁穩定能力較強，抑制性較好，為現場順利施工提高了強有力的保障。實鉆地質情況分析，砂巖鉆遇率依次為F38-P6＞F38-P3＞Z41-P1，地質描述多為油跡或不含有干砂，少量為油斑，實鉆顯示Z41-P1，F38-P6水平段油層發育較好，而Z41-P1井砂巖鉆遇率僅為31%，含油段僅占水平段的10%左右，鉆遇泉頭組泥巖866m，嚴重影響了鉆井實效，加大了鉆井液維護處理難度。

4.2 鉆井液性能對比

對3口井的鉆井液性能進行了對比。3口井實鉆鉆井液性能穩定，流變性調整簡便，動塑比基本在0.3～0.6之間，流型滿足現場巖屑攜帶和懸浮要求，靜態濾失量不超過3mL，潤滑系數均控制在0.1以下。Z41-P1井由于鉆井周期長達39d，鉆井液中亞微米顆粒含量逐漸增加，現場固控設備無法清除，導致后期鉆井液固相含量過高，完鉆前為了平衡青山口組和泉頭組泥巖地層，將鉆井液密度循環提高至1.30g/cm3，平衡空井時地層孔隙壓力，保證了完井順利。

4.3 應用效果總結

（1）高性能水基鉆井液施工的3口井井身結構難度較高，裸眼段較長，目的層埋深較深，巖性較硬，定向難度較高，通過優化現場鉆井液維護處理措施，改進現場固控技術，強化現場技術管理和溝通協調等手段，實現了3口井二開機械鉆速均在6m/h以上，其中F38-P6井實現二開機械鉆速7.11m/h的好成績，創出了該區淺層水平井完鉆最深井和長位移水平井二開機械鉆速記錄。Z41-P1井實現二開機械鉆速6.24m/h的好成績，創出了所在區塊長位移水平井鉆速記錄。

（2）通過3口井的實鉆摸索，形成了一套有針對性的鉆井液配套技術措施和工程參數優化方案，積累了長位移水平井施工成功經驗，為今后施工該井型提供技術保障。

（3）高性能水基鉆井液之所以能在長位移水平井施工中取得顯著效果，得益于該體系超強的化學抑制性，通過添加新型處理劑進一步提高了鉆井液抑制性，同時降低了水相活度，巖屑水化膨脹得到及時抑制，避免了由于泥巖井壁水化應力釋放造成的縮徑和剝落。

（4）3口井造斜井段位于青山口組，該段上部以綠灰、深灰、黑色泥巖為主，夾灰黑色粉砂質泥巖及介形蟲層；中部為黑色泥巖，質純性脆，含介形蟲化石。下部為黑色泥巖、灰黑色粉砂質泥巖、黑褐色油頁巖呈不等厚互層。針對青山口及泉頭組橫向裂縫發育泥頁巖穩定性差、地層膠結欠致密、對激動壓力較敏感等技術難點，為了保證安全、快速、高效鉆井施工及油藏的有效開發，在室內對泥頁巖井壁失穩機理進行了深入研究，并從胺基抑制劑研究入手，研選出抑制性能良好的胺基抑制劑，并優選出與之配套的其他鉆井液處理劑，最終開發出高性能水基鉆井液體系，提升了體系化學穩定井壁能力；此外針對設計中鉆井液密度偏低的問題，通過與甲方溝通，將鉆井液密度提高到1.27g/cm3，保證易塌地層的力學穩定，現場雙管齊下解決了泥頁巖地層鉆進施工所面臨的縮徑、鉆具泥包、井壁剝落、坍塌等等技術難題，施工效果證明該體系穩定井壁能力較強。

5 結論

（1）通過室內的抑制性實驗、配伍性實驗和抗鹽性實驗，從7種聚合醇樣品中優選出一種綜合性能優異的聚合醇JHC-G作為高性能鉆井液的藥劑。

（2）將改良后的高性能鉆井液與原硅基陽離子鉆井液在抑制性和封堵性上作了對比研究，結果證明體系引入聚合醇后在抑制性和封堵性上均好于原體系，且對流變性影響很小。

（3）通過現場應用，證明高性能鉆井液體系有很強的抑制性，返出巖屑棱角明顯，高性能水基鉆井液采用微裂縫內封堵和外部封堵相結合的方法，并引入具有濁點效應的聚合醇，達到對地層微裂縫的封堵，實現井壁穩定，并且體系熒光級別低，便于油層判斷及解釋。

（4）改良后的高性能鉆井液更適合在低孔特低滲裂縫發育的油層進行長位移水平井的施工。

[1] 邊繼祖，張獻豐，張全明，等.聚合醇的研究與應用[J].精細化工,2001(8).

[2] 肖穩發，岳前聲，向興金.鉆井液處理劑及體系對聚合醇JLX濁點的影響[J].鉆井液與完井液,2000(1).

[3] 郭寶利，袁孟雷，王愛玲，等.聚合醇抑制性能評價研究[J].鉆井液與完井液,2005(4).

[4] 劉彥妹，左鳳江，高麗娟，等.聚合醇與有機鹽的協同效應[J].鉆井液與完井液,2010(2).