環保型聚合物膠束鉆井液評價與應用

潘玉婷， 朱雪華， 楊曉儒， 田山川， 徐小龍， 辛小亮

(1長江大學石油工程學院 2中國石油新疆油田分公司勘探事業部)

鉆井液體系的發展由清水到聚合物鉆井液、磺化鉆井液、油基鉆井液，再到響應環保、長遠開發要求而推廣應用的環保型鉆井液體系。聚合物鉆井液[1]和磺化鉆井液[2]合成的聚磺鉆井液[3]中的高分子磺化類處理劑與地層石油類、重金屬離子等膠結形成難降解、難分離的固體廢棄物。油基鉆井液體系[4-5]中的高分子礦物油及酚類化合物在施工后形成鉆井廢棄物，一方面污染水質、土壤，另一方面油基鉆井液成本高，回收再利用處理難以真正實現廢棄物的無害化處理。

在鹽227-4HF井[6]應用的聚合物膠束鉆井液具備較強的抑制性、封堵性和流變性，鉆井液體系中使用有抗高溫降濾失劑SMP和原油，所鉆巖屑在環保性和成本上尚欠缺。針對新疆油田地層特點以及鉆井液生物毒性、可生物降解性等環保特性要求[7]，本著從源頭減少環境污染、降低處理費用的出發點，以無毒、可生物降解的天然改性材料為主，對聚合物膠束鉆井液的環保性能進行優化。

一、區域地質概況及鉆井液維護難點

準噶爾盆地西部隆起中拐井區白堊系中上部大段軟質泥巖水敏性強，造漿嚴重，易水化膨脹，底部砂礫巖易漏、易垮塌。侏羅系中上部泥巖、砂巖互層且含礫砂巖層孔隙發育，易形成低質量濾餅，易吸水膨脹縮徑形成砂橋，造成阻卡。白堊系、侏羅系地層泥巖引起鉆井液中膨潤土含量上升，導致鉆井液流變性性能變差[8]；侏羅系少量煤層易發生井漏；三疊系克拉瑪依組、二疊系烏爾禾組、石炭系(未分組)地層壓力系數較高、裂縫發育，易發生油氣水侵，其中克拉瑪依組、烏爾禾組中所含硬脆性褐色泥巖易水化、垮塌掉塊引起阻卡。石炭系巖性復雜，存在較大的井壁失穩風險。

為有效抑制泥巖水敏性分散，以加入強包被抑制劑來維持鉆井液的包被性能，達到控制巖屑分散、穩定井壁；鉆井液中加入強封堵劑，來處理鉆遇煤層可能出現的剝落掉塊和地層嚴重漏失，減少壓力傳遞波動、降低井壁失穩風險和提高防漏堵漏能力。

二、聚合物膠束鉆井液作用機理

聚合物膠束鉆井液由高分子聚合物膠束聚束劑HMP、抑制劑胺基硅醇HAS、封堵劑HBJ-3、溫壓成膜封堵劑HCM、潤滑劑合成脂HLB以及聚合物降濾失劑HFL-2等構成。高分子聚合物膠束聚束劑HMP當中疏水基團與表面活性劑憎水基團相互聚集形成膠束方式類似，聚合物膠束分子中的疏水基團相互聚集成疏水微區，促使分子內和分子間締合。分子內締合可增加分子剛性，而分子間締合則可形成連續的網狀結構[9]。

抑制劑胺基硅醇HAS首先通過硅羥基在鉆井液中的黏土顆粒表面形成疏水層，削弱胺基對黏土顆粒的絮凝作用，因此胺基硅醇對鉆井液的流變性和濾失量均無明顯影響，彌補了有機正電膠、聚胺等陽離子抑制劑對鉆井液流變性和濾失量的影響。

溫壓成膜封堵技術[10]是指在溫度和壓力的共同作用下使得鉆井液-巖石基質界面、孔隙間、孔壁周圍、鉆井液固相顆粒間形成具有一定膠結能力的薄膜，膠結地層巖石顆粒，以求達到降低固液相侵入和提高封堵層承壓能力。

三、聚合物膠束鉆井液性能評價

1. 配方

2 %膨潤土+0.2 %Na2CO3+0.5 %NaOH+0.3 %降濾失劑CMC-LV+7 %KCl+0.2 %聚束劑HMP(分子量1 600萬)+0.5 %～0.7%聚束劑HMP(分子量500～600萬)+1 %抑制劑HAS+2 %封堵劑HBJ-3+2 %封堵劑HCM+1 %潤滑劑HLB +0.5 %降濾失劑HFL+1.5 %降濾失劑HFL-2+2 %超細碳酸鈣QCX-1+2 %堵漏劑+重晶石。

表1 聚合物膠束鉆井液添加劑生物毒性實驗

2. 鉆井液生物毒性評價

根據Q/SY 111-2007《油田化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法、發光細菌法》對鉆井液及添加劑進行室內實驗，結果如表1所示。聚合物膠束鉆井液及添加劑均無生物毒性顯示，滿足對生物毒性的要求。

3. 鉆井液生物可降解性評價

根據HJ 505-2009《水質五日生化需氧量(BOD5)的測定稀釋與接種法》、HJ 828-2017《水質化學需氧量(CODCr)的測定重鉻酸鉀法》對鉆井液及添加劑進行室內實驗，結果如表2所示。

表2 聚合物膠束鉆井液添加劑可降解性實驗

從表2可知，聚合物膠束鉆井液6種添加劑較易降解及易降解，鉆井液性能滿足生物可降解性要求。

4. 流變性及抗溫性評價

將聚合物膠束鉆井液體系在實驗室條件下進行長期高溫熱穩定性測試，結果見表3。在160℃熱滾條件下，經長期熱滾實驗后流變性能穩定，表明具有良好抗溫性。

5. 抑制性評價

選用安集海河組泥巖在清水和聚合物膠束鉆井液條件下進行抑制性回收率和膨脹性對比，清水回收率為15 %，聚合物膠束鉆井液的回收率均大于95 %，聚合物膠束鉆井液8 h和16 h頁巖膨脹率均小于清水鉆井液，能較好的抑制頁巖膨脹，有效防止地層黏土礦物水化膨脹，有利于井壁穩定。

四、現場應用

JL39井為增強井壁穩定性、降低復雜事故發生率、提高機械鉆速和應用新技術，二開全井段采用聚合物膠束鉆井液體系。

在白堊系土谷魯群組當中大段泥巖質軟、水敏性強，易水化膨脹分散、造漿率高，增大鉆井液后期流變性控制的難度。為提高鉆進速度，選用“低黏、低切、低膨潤土含量”體系加強對井壁沖刷，防止縮徑，再配合大排量提高鉆井速度。鉆進中以強化體系的包被抑制為主，加入聚合物膠束劑，以膠液1.5 %HMP+1.5 %～2 %HFL-2 +1.5 %CMC-LV進行補充維護，維持鉆井液的包被能力，控制巖屑分散；同時控制K+、Ca2+含量，增強包被、抑制和抗HCO3-污染能力。

在侏羅系西山窯、三工河、八道灣組當中砂泥巖互層，同時夾雜著煤層，需加強鉆井液對煤層的封堵防塌能力，在進入西山窯煤層前加入2 %HBJ-3、2 %HCM、2 %QCX-1來提高鉆井液的封堵防塌能力，同時提高黏度到45 s以減少對井壁的沖刷，減少夾煤層的井壁失穩風險；三工河、八道灣組礫巖滲透性好、承壓能力低，易發生井漏，在進入易漏層位前加入2 %HBJ-3和2 %QCX-1來提高鉆井液的防漏能力。

在白堿灘與八道灣組交界面的砂巖存在井漏風險，補充QCX-1提高鉆井液的防漏堵漏能力；在克拉瑪依、烏爾禾組硬脆性泥巖微裂縫發育地層中加入1 %HAS以提高鉆井液的抑制能力，降低黏土水化膨脹；補充HCM、QCX-1改善濾餅質量，提高鉆井液對石炭系火山巖的封堵能力，穩定井壁。聚合物膠束鉆井液在JL39井各井段的性能見表4。

表3 聚合物膠束鉆井液體系高溫穩定性

表4 鉆井液性能控制

通過JL39井與其鄰井JL36井、JL30井在二開段電測的井徑曲線(如圖1～圖3)對比可知，JL39井在二開段應用聚合物膠束型鉆井液獲得成功。

圖1 JL39井二開段電測井徑曲線

JL39井與JL36、JL30和JL12井對比，JL39井在二開段平均機械鉆速達7.26 m/h，工期為23 d，在高于鄰井最快鉆速7.11 m/h的基礎上施工工期減少14 d，說明聚合物膠束鉆井液在降低復雜事故發生率和提高機械鉆速方面具有較明顯的效果。

圖2 JL36井二開段電測井徑曲線

JL39井所鉆固體廢物通過檢測數據如表5所示。聚合物膠束鉆井液在JL39井應用后，重金屬含量以及含油率均遠低于標準值，達到環境排放要求，滿足生物無毒性以及可生物降解的標準。對比D13井鉆井液體系，聚合物膠束鉆井液體系在固體廢物的環保性能上更加突出。

圖3 JL30井二開段電測井徑曲線

五、結論與認識

(1)聚合物膠束鉆井液能較好地滿足復雜地層鉆井需要。一方面通過添加聚束劑維持鉆井液中K+和Ca2+含量，提高鉆井液包被絮凝能力來控制巖屑分散，降低地層黏土礦物水化膨脹；另一方面以封堵劑、成膜劑和超微細碳酸鈣提高鉆井液封堵能力。

(2)聚合物膠束鉆井液主要處理劑以天然材料改性為主，具有無毒、可生物降解的特點，所鉆巖屑廢棄物滿足環境排放標準，相比磺化類鉆井液在環保性能方面更突出。

(3)針對不同地質特征儲層，在優化鉆井液體系配方、降低綜合成本的同時，要相應提高體系的針對性，形成適應于不同區塊的聚合物膠束鉆井液體系。

表5 JL39井聚合物膠束鉆井液、D13井聚磺鉆井液固體廢物檢測結果對比