烷基糖苷衍生物鉆井液研究及在長寧H26-4井的應用

王忠瑾，司西強，趙 虎

（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）

近幾年來頁巖氣的開發快速發展，油基鉆井液在泥頁巖井壁穩定和潤滑防卡等優勢突出、應用廣泛，但由于油基鉆井液對環境的不友好和成本高等問題，制約了油基鉆井液的使用。因此，研發高性能水基鉆井液，在坍塌周期內順利完井，對實現頁巖氣的低成本環保開發至關重要。針對頁巖氣長水平井對鉆井液井壁穩定、降摩減阻和井眼清潔的高要求[1，2]，中原石油工程有限公司鉆井院自主研發出了以聚醚胺基烷基糖苷[3-5]（NAPG）、陽離子烷基糖苷[6，7]（CAPG）、烷基糖苷（APG）為核心助劑的烷基糖苷衍生物鉆井液體系[8]，簡稱ZYAPD（Alkyl Polyglucoside Derivatives）鉆井液體系，該鉆井液體系在長寧H26-4井成功應用。

1 技術難點

1.1 井壁穩定難度大

長寧H26 平臺頁巖地層黏土礦物含量為24%，ZETA 電位為-30 mV～-40 mV，分散特性較強。易表面水化，水分子侵入黏土晶層，導致膠結強度降低。韓家店及龍馬溪泥頁巖層理性強、裂縫發育，主要縫寬和孔徑 0.5 μm～15.7 μm；有機質微孔隙、黏土礦物層間微孔隙孔徑分布為0.05 μm～1 μm，致使與流體接觸后，產生強烈的自吸現象，使裂縫萌生、擴展、貫通形成宏觀裂縫。鄰井長寧H26-5 該井段鉆完井周期為38 d，鉆井過程中的機械破壞和鉆井液長時間浸泡地層，超過坍塌周期，導致井壁失穩發生。

1.2 頁巖氣井為三維定向水平井，裸眼段較長，潤滑防卡難度大

該井三開應用井段1 942 m～3 350 m，裸眼段長1 408 m，增斜段長600 m，井斜變化81°，狗腿度最大為7.17°/30m，井斜變化大，井眼曲率大，摩阻大。定向段鉆具滑動摩擦，對鉆井液的潤滑性和泥餅質量要求高，必須使用各種潤滑劑或兼有潤滑效果的處理劑有效地降低摩擦阻力與扭矩，增強鉆井液的潤滑性，并防止鉆頭泥包。

1.3 鉆井液密度高，流型控制難度大

鄰井長寧H26-5井水平段鉆井液密度最高為2.06 g/cm3左右，泵排量為26 L/s～28 L/s。鉆完井周期達38 d，低密度固相高，鉆井液性能控制難度大。后期維護處理采取大量置換鉆井液，造成鉆井液處理劑的大量浪費。

2 技術對策

2.1 鉆井液井壁穩定技術

抑制能力：NAPG 相對分子質量為800，為非離子型抑制劑；CAPG 相對分子質量為340，為小陽離子型抑制劑。作用機理為吸附成膜、嵌入及拉緊晶層等。復配KCl 使體系獲得更高的抑制能力，KCl 在該體系還具有降低濾失量，滅菌，增強鉆井液的長期穩定等作用。

封堵能力：長寧頁巖地層孔縫和微孔縫的范圍（主要縫寬和孔徑0.05 μm～15.7 μm），級配 0.03 μm～50 μm粒徑的封堵材料[9]，粒徑分布從大到小依次為：磺化瀝青ST-2、球狀納-微米聚合物封堵劑和納米鈣。利于快速形成致密的高強度封堵層，提高井壁承壓能力，可滿足長寧區塊頁巖地層的封堵需求，降低流體自吸現象，提高鉆井液的井壁穩定能力。

2.2 鉆井液潤滑防卡技術

APG 及衍生物由于其分子結構上的多羥基和一個烷基基團，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產生強力吸附，烷基作為親油基則朝外規則排列，形成非常穩定且具有一定強度的潤滑膜，并可直接參與泥餅的形成，使泥餅具有較好的潤滑性。

2.3 鉆井液流變性控制技術

APG 類材料為小分子結構，在母液中多為單結構單元形式存在，高密度條件不增黏，部分衍生物（如CAPG）具有陽離子結構，存在強正電相斥的機理，不易聚結成團。APG 可以封堵井壁作為支撐體，通過吸附、濃集、覆蓋形成封堵膜，亦可通過氫鍵吸附、交聯和護膠等作用，提高鉆井液中聚合物降濾失劑的作用效果，滿足高密度條件下降濾失不增黏的護膠需求。

3 室內實驗

實驗室對ZY-APD 水基鉆井液體系進行了基本性能評價、井壁穩定能力評價、潤滑性評價。

3.1 鉆井液基本性能

ZY-APD 鉆井液配方為：4%～7%APD+1%～2%膨潤土+0.1%～0.3%XC+1%～1.5%降濾失劑+6%～8%納-微米封堵劑+1%～3%極壓潤滑劑+6%～8%KCl+pH 調節劑+重晶石（見表1）。

表1 ZY-APD 鉆井液性能Tab.1 ZY-APD drilling fluid performance

由表1 可知，鉆井液具有很好的流變性能，API 失水小于1 mL，鉆井液體系在100℃下的高溫高壓濾失量小于5 mL，在保護儲層的同時提高了機械鉆速，能滿足現場對鉆井液的要求。

3.2 井壁穩定能力

圖1 浸泡露頭巖心抗壓強度變化Fig.1 Change of compressive strength of core of immersion outcrop

圖2 巖心在不同介質中浸泡的狀態Fig.2 The state of core soaking in different media

分別用清水、ZY-APD 鉆井液、常規水基鉆井液和油基鉆井液作為浸泡介質，90℃條件下對露頭頁巖巖心連續浸泡60 d，在不同的時間段取出不同巖心進行觀察，并采用微機控制全自動壓力試驗機YAW-300D（濟南瑞普機電技術有限公司制造）勻速緩慢加壓，進行抗壓強度測試。由圖1 和圖2 可知，巖心浸泡5 d后，在ZY-APD 鉆井液和油基鉆井液中的巖心強度較大，其他介質中的巖心強度均下降幅度較大，20 d 內清水和常規水基鉆井液均出現斷裂，失去抗壓強度；50 d內ZY-APD 鉆井液和油基鉆井液狀態與抗壓強度相當，60 d ZY-APD 鉆井液浸泡外觀完好，但抗壓強度降低25%。因此，ZY-APD 鉆井液的實驗室評價坍塌周期約為50 d，鉆井液具有較好的井壁穩定能力。

3.3 潤滑性

對ZY-APD 鉆井液和油基鉆井液（柴油為基油）分別使用重晶石加重到不同的密度，150℃老化16 h，20℃條件下使用EP 極壓潤滑儀測定極壓潤滑系數（見圖3）。由圖3 可知，不加重ZY-APD 鉆井液潤滑系數和油基鉆井液均較低，但隨鉆井液密度的升高，鉆井液的潤滑性均不斷降低，在1.15 g/cm3～2.30 g/cm3鉆井液范圍內，兩者極壓潤滑系數均小于0.10，從潤滑系數曲線可以看出，兩者潤滑性能相當。

圖3 不同密度下體系的潤滑性Fig.3 Lubricity of systems under different densities

4 現場應用

長寧H26-4井為長寧H26 平臺部署一口水平井，構造位置位于四川盆地與云貴高原結合部，川南古坳中隆低陡構造區與婁山褶皺帶之間，北受川東褶皺沖斷帶西延影響，南受婁山褶皺帶演化控制，其構造特征集二者于一體的構造復合體。目的層為志留系龍馬溪組，設計井深4 737 m/垂深3 205 m。長寧H26-4井三開井段自1 942 m 轉換為烷基糖苷衍生物鉆井液體系（ZY-APD 鉆井液體系），應用井段為1 942 m～3 350 m，井壁穩定性、潤滑性和攜巖帶砂效果良好。順利鉆至A靶點，由于甲方要求全程使用旋轉導向工具施工，公司從施工風險考慮轉換為油基鉆井液。

4.1 鉆井液的配制

現場鉆井液配方如下：

4%～7%APD+1%～2%膨潤土+0.1%～0.2%XC+1%～1.5%降濾失劑+3%～4%納-微米封堵劑+6%KCl+NaOH+重晶石

使用老漿鉆至1 942 m 后，轉換為ZY-APD 鉆井液體系，轉換后鉆井液性能（見表2）。

表2 ZY-APD 鉆井液性能Tab.2 ZY-APD drilling fluid performance

4.2 鉆井液的維護處理

4.2.1 流變性控制和井眼清潔 為滿足造斜段的攜巖帶砂要求，鉆井液應保持合理的流變性能，增斜扭方位井段（應用旋轉導向井段）鉆井液的黏度控制在60 s～80 s，動切力為 8 Pa～15 Pa，靜切力為 2 Pa～5 Pa/6 Pa～15 Pa 較為合理；若需要降低鉆井液的黏切，可用含APG 和CAPG 的稀膠液稀釋；若下鉆劃眼較多，可配制稠塞液清砂并加強固控設備的使用，降低鉆井液的固相含量，保證其良好的流變性能。

4.2.2 鉆井液的井壁穩定 對于水基鉆井液，在保持合理的鉆井液密度條件下，保證井壁穩定的關鍵是提供良好的抑制性能和封堵能力。抑制性方面，通過加入一定濃度的NAPG 和CAPG 來提高鉆井液的抑制能力；封堵方面，通過級配納-微米封堵材料，快速形成致密、高強度封堵層，減少濾液侵入地層。

4.2.3 鉆井液的潤滑防卡 APG 類產品具有良好的潤滑效果，井斜30°前可滿足定向的需要，但隨著井斜角的增大、井眼軌跡變化較大，可補充2%～3%的潤滑劑來提高鉆井液的潤滑性。

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、起下鉆暢通無阻、未出現井下復雜情況，達到了井壁穩定及井下安全的目的，為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）ZY-APD 鉆井液表現出良好的流變性能，剪切稀釋性好、攜巖能力強，保證了井眼清潔，平均機械鉆速達到7.43 m/h，鉆井液性能（見表3）。

（2）ZY-APD 鉆井液表現出較強的井壁穩定能力，強抑制強封堵相結合。本井膨潤土含量控制在6.4 g/L～13.6 g/L，充分表明鉆井液具有較強抑制能力；本井保持了較低的高溫高壓濾失量，減少了濾液對地層的侵入，保障了井壁的穩定性，電測平均井徑擴大率僅為2.05%。

表3 分段鉆井液性能Tab.3 Segmented drilling fluid performance

（3）ZY-APD 鉆井液表現出良好的潤滑性能，APG及其衍生物（NAPG 和CAPG）本身具有良好的潤滑性，鉆井過程中復配使用極壓潤滑劑，并加強固相控制，起下鉆和拉井壁平均摩阻為15 t～25 t，較好滿足了鉆井工程的需要。

5 結論及認識

（1）ZY-APD 水基鉆井液在長寧H26-4井的應用中，鉆井液具有良好的剪切稀釋性能，在較高密度（2.07 g/cm3）下保持了良好的流變性能；具有較強的井壁穩定能力和井眼清潔能力；具有較好的降摩減阻效果。能滿足長寧區塊頁巖氣水平井鉆井完井施工要求；

（2）長寧H26-4井全部老漿直接用于長寧H26-2井，避免了泥漿處理的環保費用。

CO2/N2高效膜分離技術獲突破

近日，天津大學化工學院王志教授團隊及其合作者首次實現了超薄多孔膜的大面積制備，為氣體的分離技術開辟了一個全新的領域。該科研成果在《自然·材料》發表。

研究者以金屬離子（Cu2+、Zn2+），有機偶聯分子和短鏈的高分子聚合物作為結構單元，成功構筑了具有有序微孔結構的金屬誘導有序微孔聚合物，將其涂覆在商業薄膜上。由于CO2和其中的聚合物單元具有較好的親和性，因此能夠透過薄膜；而親和性較差的氮氣則被阻擋，從而實現了CO2/N2的高效分離。

（摘自中國化工信息2018年第24期）