XZ-新型高性能水基鉆井液的研究及應用

蔣官澄，　董騰飛，　張縣民，　李亞林，　趙利，　劉鵬

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.西部鉆探克拉瑪依鉆井公司泥漿技術服務公司，新疆克拉瑪依 834009）

0　引言

準噶爾盆地深井儲層埋藏相對深，這些井井下溫度和壓力高、地層情況不明了、地層壓力變化大、巖性復雜多變，存在阻卡嚴重，惡性漏失、溢流井涌等難點，鉆探困難，時效低，復雜事故時率高，成本居高不下。

目前使用的油基鉆井液存在一系列問題，如成本高、環境污染嚴重、固井質量差、影響測井等，這成為全面、經濟開發深層地層油氣的重要障礙。同時，水基鉆井液雖不存在油基鉆井液的缺點，但因為水基鉆井液抑制性差、井壁穩定性差、潤滑防卡能力不足以及納-微米孔隙和微裂縫封堵能力不足等，所以目前水基鉆井液技術難以滿足要求。因此，提高水基鉆井液的井壁穩定性、抑制性、微納米級封堵、潤滑防卡能力等，研發適合西部地區復雜井安全、高效、順利鉆探的水基鉆井液新方法和新技術成為發展的必然趨勢[1-7]。

鑒于以上原因，將油基鉆井液和水基鉆井液的優點融為一體，研發出一種XZ-高性能水基鉆井液新技術。該項技術從提高鉆井液井壁穩定性、抑制性、微納米級封堵、潤滑能力等方面入手，創建適合準噶爾盆地深井及深井大位移水平井的“封堵、抑制、固化、雙疏、潤滑”一體化水基鉆井液新技術，實現深井安全、高效、環保鉆井。基于室內研究的基礎，在瑪西泉井區進行了2口井和吉木薩爾致密油1口井的現場應用。現場應用表明，XZ-高性能水基鉆井液技術針對深井、超深井的鉆探，擁有鉆井周期短、鉆井復雜事故少，經濟效益高等優點，具有很好的應用前景。

1 XZ新型水基鉆井液處理劑的優選

XZ-新型高性能水基鉆井液是基于“固化、封堵、抑制、雙疏、潤滑”理論建立起來的。

1.1　鉆井液用抑制劑的優選

鉆井液用仿生抑制劑XZ-YZJ是以一種常見芳香胺為原料，通過多步有機反應，合成了帶有仿生基團的芳香胺鹽酸鹽。選用小陽離子、聚胺、氯化鉀和XZ-YZJ進行優選評價。

1.1.1線性膨脹實驗

通過膨潤土巖心在不同抑制劑溶液中的線性膨脹實驗（見圖1），將XZ-YZJ的頁巖抑制能力與其他常用抑制劑進行對比。從圖1可以看出，4 h時，巖心在各抑制劑溶液中已基本停止膨脹，然而，此時巖心在KCl、小陽離子和聚胺中的膨脹高度與在清水中基本相同。這是因為在初始的幾小時內，由于K+和聚胺分子的溶劑化層以及小陽離子較大的分子半徑所導致膨潤土層間距的增大，接近晶格水化所導致的膨脹程度，而XZ-YZJ在層間吸附時使黏土晶格擴大程度較小，因而不僅與其他抑制劑一樣可以在短時間內完全抑制黏土膨脹，又可以使最終膨脹程度較小。因而其在抑制泥頁巖水化膨脹，防止泥巖層縮徑卡鉆等問題上，作用要優于其他幾種常用抑制劑。

圖1　不同抑制劑溶液中膨潤土巖心的線性膨脹曲線

1.1.2熱滾回收實驗

泥頁巖在清水和不同抑制劑中的滾動回收實驗結果見圖2。

圖2　泥頁巖在不同抑制劑中的滾動回收率（150 ℃、16 h）

由圖2可以看出，在150 ℃熱滾條件下，1%KCl和小陽離子的滾動回收率都只有50%左右，相比清水的回收率并沒有顯著提高；而巖屑在抑制劑XZ-YZJ溶液中的滾動回收率高達84%，甚至比聚胺抑制劑還要高出7%。進一步說明了XZ-YZJ不僅能夠很好地抑制泥頁巖水化膨脹，其抑制泥頁巖分散、剝落的能力也強于目前常用的幾種抑制劑。

1.2　鉆井液用封堵劑的優選

仿生封堵劑XZ-FDJ是一種具有納米尺度，由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，通過仿生基團對氧化石墨烯納米材料進行表面改性合成。合成的納米封堵劑具有柔性可變形性，變形的納米顆粒進入不同粒徑的納米孔隙，納米顆粒具有強的吸附基團，可吸附在巖石表面，通過進入孔隙和表面吸附的內外協同作用，達到封堵納米孔隙以及降濾失的作用。PAC-LV、SPNH和超微碳酸鈣是油田常用的封堵降濾失劑，選用PAC-LV、SPNH、XZ-FDJ和超細碳酸鈣作為優選鉆井液用封堵劑進行濾失性能評價，如圖3所示。由于多數降濾失劑需要膨潤土的存在才能發揮較好的作用，因此所有的降濾失劑包括氧化石墨烯都加入到4%的膨潤土基漿中進行測定。從圖3可以看出，3%XZ-FDJ與4%膨潤土基漿復配后的API濾失量非常低，僅為7 mL；而其他降濾失劑除了PAC-LV的效果稍好外，均遠差于XZ-FDJ。說明XZ-FDJ具有較好的封堵效果。

圖3　加入不同降濾失劑基漿的API濾失量

1.3　鉆井液用潤滑劑的優選

新型水基鉆井液的處理劑XZ-RHJ，是模仿蚯蚓分泌的黏液與黏土間產生鍵合作用，提高孔道表面潤滑性的原理而研發出的。采用現場常用潤滑劑，通過極壓潤滑實驗和濾餅黏附實驗，進行潤滑性能評價，結果見表1和表2。可以看出，鍵和型潤滑劑XZ-RHJ與其他潤滑劑相比，其潤滑劑系數降低率和黏附系數降低率都優于其他處理劑，并且在150 ℃的高溫下依然具有良好的潤滑性，因此將其作為體系的潤滑劑。

1.4　鉆井液用雙疏劑XZ-SSJ優選

鉆井液用雙疏劑XZ-SSJ是一種帶有吸附基團及低表面能基團的特種表面活性劑，首先通過吸附基團在巖石表面吸附，雙疏劑附著在巖石表面，然后雙疏劑中低表面能基團可在巖石表面形成低表面能“涂層”，從而高表面張力的自由水及油無法在巖石表面潤濕鋪展，起到了疏水疏油的作用，有效減少了水敏地層巖石的表面水化及滲透水化，達到了穩定井壁的效果。雙疏劑與常用表面活性劑的表面張力對比見表3。可以看出，雙疏劑XZ-SSJ溶液的表面張力遠低于其他表面活性劑。

表1　加入不同潤滑劑基漿潤滑系數對比實驗

表2　加入不同潤滑劑基漿泥餅黏附系數對比實驗

表3　雙疏劑與常用表面活性劑的表面張力對比

2 XZ-新型高性能水基鉆井液體系

2.1　理論機理

仿生抑制劑XZ-YZJ是一種帶有仿生基團的小分子有機物， 通過在黏土層間的超強吸附， 起到抑制黏土水化膨脹的作用[8-9]。仿生封堵劑XZ-FDJ以納米尺度分散在鉆井液中時， 巨大的比表面積會使其在濃度很低的情況下大面積貼附于井壁表面， 并通過類似瓦片的連接方式形成薄而堅韌的一體化薄膜材料， 從而起到封堵地層微米至納米級孔隙的作用[10-12]。鍵和潤滑劑XZ-RHJ中的活性組分與井眼內的自由離子締合在鉆具、 井壁表面產生平滑表面，有效控制流動界面內的固有渦流， 降低大位移井增斜井段等復雜鉆井施工中的摩阻， 提高機械鉆速， 延長鉆具壽命， 降低作業成本， 提高鉆井整體效益。雙疏劑XZ-SSJ是一種帶有吸附基團及低表面能基團的特種表面活性劑， 首先通過吸附基團在巖石表面吸附， 雙疏劑附著在巖石表面， 然后雙疏劑中低表面能基團可在巖石表面形成低表面能“涂層”， 從而高表面張力的自由水及油無法在巖石表面潤濕鋪展， 起到了疏水疏油的作用， 減少了水敏地層巖石的表面水化及滲透水化， 達到穩定井壁的效果[13]。固化成膜劑XZ-CMJ中由于仿生基團能夠自發氧化交聯，因此XZ-CMJ不僅能夠吸附在黏土表面抑制其水化，還可以吸附在巖石表面自發聚合形成一層聚合物膜，起到封堵泥頁巖微孔隙和微裂縫，降低次生裂縫發育以及鉆井液壓力傳遞的作用[14-18]。基于 “固化、 封堵、 抑制、雙疏、潤滑”理論，通過處理劑的協同作用，形成適合準噶爾盆地深井及深井大位移井的XZ-新型高性能水基鉆井液。

2.2 XZ-新型高性能水基鉆井液性能

2.2.1基本性能

評價了XZ-新型高性能水基鉆井液的基本性能及配伍性，配方如下，數據見表4。由表4可知，XZ-新型高性能水基鉆井液中各處理劑之間具有良好的配伍性，體系在100 ℃下老化16 h后，仍具有良好的流變性、潤滑性和濾失造壁性。

1#2%膨潤土+0.5%NaOH+1%復合型降濾失劑XZ-JLS+3%SPNH+2%防塌劑+3%成膜劑XZ-CMJ+4%仿生封堵劑XZ-FDJ+3%仿生抑制劑XZ-YZJ+1%潤滑劑XZ-RHJ+0.5%雙疏劑XZ-SSJ+0.3%PMHA-2+10%NaCl+重晶石， 密度為1.70 g/cm3

表4 XZ-新型高性能水基鉆井液的基本性能和抗老化性能

2.2.2長時間老化評價結果

為了進一步評價XZ-新型高性能水基鉆井液的性能，通過延長老化時間和對體系進行污染來進行評價，結果見表4。由表4可知，XZ-新型高性能水基鉆井液體系在長時間（72 h）老化后，體系的基本性能并沒有發生太大的變化，其中體系的動塑比及降濾失性能反而有所提高，說明體系抗老化性能較好，相應的處理劑經過長時間老化后并未發生失效現象。長時間老化后，API濾餅的黏滯系數增加，主要是因為該體系重晶石含量較多（密度為1.70 g/cm3），大大制約了體系的潤滑性，同時，隨著老化時間的增加，潤滑劑得到一定消耗，降低了體系的潤滑性。

2.2.3抗污染評價結果

在XZ-新型高性能水基鉆井液中分別添加2%CaSO4、10%膨潤土，對其進行污染來評價體系抗污性能，在100 ℃老化16 h后體系性能見表5。

表5 XZ-新型高性能水基鉆井液體系的抗污染性能

由表5可知，XZ-新型高性能水基鉆井液加入CaSO4，體系的基本性能發生一些變化，變化不是很大；加入10%膨潤土后，體系的黏度明顯增加，但是由于抑制劑良好的抑制造漿性能，體系的流變性能仍然可以接受，同時由于膨潤土含量的增加，體系的黏滯系數增加。綜上，該體系具有良好的抗污染性，可以抗2%CaSO4或10%膨潤土污染。

2.2.4抑制性評價

測試巖心在清水和XZ-新型高性能水基鉆井液中的膨脹量，結果見圖4。由圖4可以看出，鈉基膨潤土巖心在水中的膨脹量很大，16 h后在XZ-新型高性能水基鉆井液中膨脹量較低，膨脹降低率為93.4%，所以高性能水基鉆井液能夠很好地抑制泥頁巖的水化膨脹。

稱取50 g粒徑為2.00～3.20 mm的現場泥頁巖巖屑，分別在清水和XZ-新型高性能水基鉆井液中熱滾16 h，老化溫度為130 ℃。老化后用孔徑為0.45 mm篩網回收，在100 ℃下烘干4 h，冷卻至恒重后稱量巖樣質量，計算回收率。對于泥頁巖，水化分散能力較強，在清水中的滾動回收率只有6.42%，但是XZ-新型高性能水基鉆井液的滾動回收率達到95.48%，說明高性能水基鉆井液具有很好的抑制頁巖水化分散能力。

2.2.5對微納米孔縫的封堵強度實驗

采用頁巖穩定性綜合模擬評價系統JHWD-1評價XZ-新型高性能水基鉆井液的封堵性能，實驗選用超低滲透率天然頁巖巖心，結果見圖5。

圖5 XZ-新型高性能水基鉆井液的封堵性能評價

由圖5可知，新型水基鉆井液體系對超低滲透率天然頁巖巖心的封堵強度在35 MPa以上，氯化鉀溶液的封堵強度在5.4 MPa。同時可知，在同等條件下，新型水基鉆井液體系對納微米孔縫的封堵強度在29.6 MPa以上。

3　現場應用

XZ-新型高性能水基鉆井液具有較好的抑制性、納微米封堵性等，能夠很好地抑制泥頁巖水化膨脹和阻止微裂縫漏失，所以能夠很好地應用在含泥頁巖的地層中。現場應用中，由于泥頁巖地層對抑制劑和潤滑劑的消耗，所以要補填抑制劑和潤滑劑，保證鉆井順利進行。

3.1　在XQD3020、XQD3044井的應用

XQD3020、XQD3044井中新近系、古近系和白堊系膏質泥巖易縮徑、垮塌；二疊系梧桐溝組泥巖水敏性強，炭質泥巖易垮塌；石炭系火山巖局部孔洞、裂縫發育，易井漏；白堊系底部到石炭系地層壓力高，易井漏和井噴，為了能夠順利高效地鉆井，采用了XZ-新型高性能水基鉆井液體系。現場鉆井液配方如下。

2#2%膨潤土+0.5%NaOH+1%XZ-JLS+3%SPNH+2%防塌劑+2%XZ-CMJ+4%XZ-FDJ+3%XZ-YZJ+2%XZ-RHJ+0.5%XZ-SSJ+0.4%PMHA-2+10%NaCl+重晶石

該鉆井液在鉆井過程中性能比較穩定，該體系的流變性和抗污染能力較強，見表6。

表6 XQD3044井XZ-新型高性能水基鉆井液基本性能

XZ-新型高性能水基鉆井液在試驗井與鄰井的對比情況，見表7和表8。可以看出，該體系具有較好的抑制性和固化封堵性，能夠提高鉆井過程中井壁的穩定性，降低復雜情況發生率。所以試驗井的井徑擴大率及復雜情況發生率要小于該地區定向井的平均值，而且規則的井眼有利于電測一次成功。由于復雜情況小于鄰井，試驗井的鉆井周期要小于鄰井，鉆機月速和機械鉆速要高于鄰井。

表7　試驗井與區塊定向井復雜情況的對比

表8　試驗井與鄰井的鉆井工藝對比

3.2　在JHW023井的試驗情況

該區塊白堊系土谷魯群組大段泥巖質軟、水敏性強，易吸水膨脹、造成縮徑；侏羅系砂泥巖互層較多，還含有煤層，容易出現砂巖虛泥餅和煤層掉塊；侏羅系八道灣底礫巖及承壓能力低，易發生井漏；韭菜園組地層褐色泥巖易造漿，水敏性強，容易吸水膨脹縮徑，剝落后造成井眼不規則，起下鉆遇阻；梧桐溝組灰色泥巖與砂巖互層，砂巖滲透性強，下部的礫巖層易發生井漏，易垮塌。針對這些復雜地層，采用XZ-新型高性能水基鉆井液體系鉆井，配方如下，性能見表9。

3#2%膨潤土+0.5%NaOH+3%XZ-CMJ+0.8%SP-8+3%SPNH+4%XZ-FDJ+3%XZ-YZJ+1%XZ-RHJ+0.3%XZ-SSJ+0.6%PMHA-2+10%NaCl+2%磺化瀝青+2%QCX-1+1%WC-1+重晶石

表9 JHW023井的鉆井液性能參數

同區塊同井型使用XZ-新型高性能水基鉆井液比鉀鈣基鉆井液縮短鉆井周期30%以上，與同井型鄰井相比， 井徑擴大率非常低， 平均值在-1.35%， 體現了XZ-新型高性能水基鉆井液井壁穩定性好，對儲層的保護效果非常理想[12-17]。

表10 JHW023井與鄰井鉆井工藝對比

4　結論

1.基于“封堵+抑制+固化+雙疏+潤滑”理論，形成了適合準噶爾盆地深井及深井大位移井的XZ新型高性能水基鉆井液。該鉆井液可以抗溫120 ℃，同時該體系在老化72 h后依然有較好的性能以及抗2%CaSO4、10%土粉污染的能力。

2.XZ新型高性能水基鉆井液具有較好的抑制性，對鈉基膨潤土的線性膨脹抑制率達到94%以上；對于現場的泥頁巖巖屑的滾動回收率均能達到95%以上，該體系對納微米孔縫的封堵強度在29.6 MPa以上。鉆井液的這種較好的封堵性及抑制性有利于維持井壁穩定，適用于復雜情況較多的深井及深井大位移井。

3.XZ新型高性能水基鉆井液在準噶爾盆地2個區塊的現場應用表明，該鉆井液可以降低井底復雜情況，縮小井徑擴大率，縮短建井周期。特別是在JHW023井的應用，建井周期比鄰近JHW025縮短30%以上，滿足了安全、高效鉆井的需要，具有很好的推廣應用前景。