臨興區(qū)塊新型儲層保護鉆井液技術研究與應用

賈 佳，蔣官澄，馮 雷

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津300452；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249

致密砂巖氣作為非常規(guī)天然氣的重要組成部分，在國家非常規(guī)氣能源結(jié)構(gòu)中的地位和作用日益突出［1］。臨興致密氣區(qū)塊逐步轉(zhuǎn)入“大開發(fā)”階段，因為致密氣與常規(guī)天然氣之間存在差異，所以要求該區(qū)塊必須走低成本高效開發(fā)之路。近年來，隨著臨興區(qū)塊的鉆井逐步增多，鉆井過程中的儲層傷害問題較為突出，影響后期的壓裂改造效果。臨興區(qū)塊地層具有低孔、低滲、低溫、低壓及非均質(zhì)性強的敏感特征，給儲層保護造成了一定的困難，前期的鉆井液體系已經(jīng)無法滿足儲層保護的要求，因此有必要開展新型儲層保護研究，以形成一套高效的新型儲層保護鉆井液體系，實現(xiàn)致密氣的規(guī)模化開發(fā)。20世紀70年代，針對聚合物鉆井液處理劑少的問題，人們先后研制了丙烯酸鹽共聚物系列、聚陰離子纖維素系列、多功能聚合電解質(zhì)系列鉆井液處理劑［2-4］。現(xiàn)場作業(yè)表明，以這些處理劑為主導的鉆井液體系難以滿足安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的鉆井要求。因此，人們后續(xù)又研發(fā)了以陽離子和兩性離子聚合物為主要添加劑的聚合物鉆井液，但是，隨著致密氣采收的迅速發(fā)展，這種鉆井液體系在使用過程中仍存在摩阻高、鉆速慢、成本高和儲層易污染的問題［5-6］，制約了致密氣采收的發(fā)展進程。為此，本研究研制剛性和柔性相結(jié)合的超雙疏劑以及以超雙疏劑為主要添加劑的新型儲層保護鉆井液體系，并在現(xiàn)場應用，以期為新鉆井液的開發(fā)和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

納米SiO2、全氟辛基三已氧基硅烷、二甲基二烯丙烯氯化銨（DMDAAC）、液化聚合氯化鋁（ETPAC）、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、鈉膨潤土、無水Na2CO3、NaOH、NaCl、KCl、聚合醇，均為市售分析純試劑。

ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計、NZ-3A 型黏滯系數(shù)測定儀、變頻高速攪拌機、中壓濾失儀、XGRL-4 型高溫滾子加熱爐，青島海通達專用儀器有限公司；Fann21200 型極壓潤滑儀，美國Fann公司；KMY201-1A 型抗磨試驗機，武漢神州機電有限公司。

1.2 實驗方法

在溫度為20～30 ℃時，將納米SiO2、全氟辛基三已氧基硅烷、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯反應10～100 min，產(chǎn)生超雙疏劑，形成納米-微米多級粗糙物理結(jié)構(gòu)，經(jīng)全氟辛基三已氧基硅烷表面改性后，可降低超雙疏劑的表面自由能，同時，接觸角也會由20°以下增至150°以上，表面潤濕性由親水親油向超雙疏性轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)超雙疏性能。

1.3 評價方法

參照國家標準GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)中鉆井液現(xiàn)場測試（第1 部分：水基鉆井液）》、GB/T 29170—2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液實驗室測試》、SY/T 6335—1997《鉆井液用頁巖抑制劑評價方法》、SY/T 6094—1994《鉆井液用潤滑劑評價程序》來測試鉆井液各項性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 超雙疏劑結(jié)構(gòu)

臨興區(qū)塊儲層的孔喉尺寸小，存在大量的“毛細管”，容易因毛細管效應造成水鎖傷害，所以，筆者從改變毛細管作用力的角度對鉆井液開展研究。熱帶地區(qū)的豬籠草口緣區(qū)同時具有疏油疏水的功能［7-10］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖1 可知：豬籠草口緣區(qū)表面呈大量的乳突形狀，這是能夠?qū)崿F(xiàn)疏油疏水的關鍵。根據(jù)這個原理，筆者研制了超雙疏劑，它可以使油/水接觸角由小于90°反轉(zhuǎn)為大于90°，使儲層毛細管吸力反轉(zhuǎn)為毛細管阻力，從而解決低滲儲層的損害難題。

圖1 豬籠草口緣區(qū)微凸結(jié)構(gòu)

2.2 超雙疏劑微觀形態(tài)及特征分析

對超雙疏劑進行透射電鏡掃描分析，結(jié)果見圖2。由圖2 可知：超雙疏劑尺寸均介于50～100 nm，處理劑表面有許多凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，同時產(chǎn)物之間存在著互相連接的枝杈。

圖2 超雙疏劑透射電鏡圖

考察超雙疏劑處理前后的巖心表面，并以掃描電鏡分析，結(jié)果見圖3 和圖4。由圖3～4 可知：未處理過的巖心表面在納米-微米尺度是非常光滑的，僅存在少量的層狀結(jié)構(gòu)，所以最初的巖心表面表現(xiàn)出親水親油的雙親特性。當使用超雙疏劑對巖心進行處理后，整體體現(xiàn)出一種微米尺度的物理結(jié)構(gòu)，再加上其本身的納米結(jié)構(gòu)，形成了納米-微米結(jié)構(gòu)，從而使表面具有了一定的疏油疏水性質(zhì)。

圖3 超雙疏劑處理前的巖心表面

圖4 超雙疏劑處理后的巖心表面

2.3 超雙疏劑對表面接觸角的影響

研究不同濃度超雙疏劑處理后的巖心表面接觸角變化規(guī)律，結(jié)果如圖5 所示。選擇的水相測試液為去離子水，油相測試液為正十六烷。由圖5 可知：巖心表面未經(jīng)處理時，水相接觸角為34°，油相正十六烷接觸角為0°；當巖心被超雙疏劑處理后，表面接觸角隨著超雙疏劑質(zhì)量分數(shù)的增加而不斷增大，最后保持恒定，水相接觸角維持在150°不變，油相接觸角大于90°。由此可知，超雙疏劑能夠改變表面潤濕性，使其表面由親液向疏液轉(zhuǎn)變［11-12］。

圖5 超雙疏劑處理濃度對巖心表面接觸角的影響

2.4 超雙疏劑對巖心自然滲吸的影響

測定超雙疏劑處理前后巖心對水、油兩相的滲吸量，其中水相測試液為去離子水，油相測試液為正十六烷，結(jié)果見圖6～7。

圖6 巖心自然滲吸去離子水的量

圖7 巖心自然滲吸正十六烷的量

由圖6～7可知：超雙疏劑處理前，巖心對去離子水以及正十六烷的自然滲吸量分別達到8.38和4.9 mL；超雙疏劑處理后，自然滲吸量分別只有0.025 和0.002 mL，證明巖心內(nèi)部孔喉表面潤濕性由親水親油向疏水疏油轉(zhuǎn)變，有效降低了低滲儲層發(fā)生自吸水鎖效應等儲層損害的概率。

2.5 超雙疏劑對毛細管作用力的影響

由于低滲儲層中存在許多微毛細管，易發(fā)生水鎖效應，從而對儲層造成嚴重傷害［13］，因此考察超雙疏劑對毛細管液面高度的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 超雙疏劑對毛細管液面高度的影響

由圖8 可知：當使用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的超雙疏劑對儲層進行處理后，毛細管作用力已經(jīng)明顯減小且方向發(fā)生改變，與儲層中毛細管作用力方向相比，力的方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)，使原本堵塞微毛細管孔喉的力轉(zhuǎn)變成促進微毛細管中液相流出的推力。由此證明，超雙疏劑可通過改善微毛細管表面的潤濕性能，解決儲層微毛細管中存在的水堵效應，從而達到保護儲層的目的。

2.6 超雙疏劑對抑制性的影響

將合成的超雙疏劑進行抑制性能評價，線性膨脹結(jié)果見圖9。

由圖9 可知：不同濃度的超雙疏劑都能夠有效抑制膨潤土線性膨脹，同時3%超雙疏劑比傳統(tǒng)使用的抑制劑KCl、聚醚胺等具有更好的抑制性能。

圖9 超雙疏劑質(zhì)量分數(shù)及不同種類抑制劑對膨潤土線性膨脹高度的影響

將合成的超雙疏劑進行抑制性能評價，滾動回收實驗結(jié)果見圖10。

由圖10 可知：不同濃度的超雙疏劑都能夠有效提高頁巖滾動回收率，同時3%超雙疏劑比傳統(tǒng)使用的抑制劑KCl、聚醚胺等具有更高的滾動回收率。

圖10 超雙疏劑質(zhì)量分數(shù)及不同抑制劑對滾動回收率的影響

2.7 鉆井液配方

基于以上研究建立了臨興區(qū)塊新型儲層保護鉆井液體系基本配方：1%膨潤土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+1.5%超雙疏劑+0.3%弱凝膠+8%KCl，對其進行室內(nèi)評價試驗，結(jié)果見表1。

表1 新型儲層保護鉆井液老化前后性能試驗

由表1 可知：鉆井液黏度低，切力高，老化前后性能幾乎沒有變化，性能穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場應用

超雙疏劑的現(xiàn)場應用結(jié)果見圖11～12。由圖11～12 可知：添加超雙疏劑后的鉆井液具有極強的抑制性，能夠控制泥巖水化膨脹分散，抑制性達到高效能鉆井液水平；在鉆進過程中，能夠有效控制進入鉆井液中的細小顆粒，使其表面疏水疏油，從而使細小顆粒可以被離心機等下一級固控設備清除。

圖11 平均機械鉆速對比

圖12 平均井徑擴大率對比

此外，在解決井壁失穩(wěn)的同時通過表面雙疏改性，提高了鉆井液的潤滑性能，有效地降低了井眼擴大率，提升機械鉆速。現(xiàn)場結(jié)果表明，相對于普通鉆井液體系，機械鉆速提高32.33%，井徑擴大率降低33.89%。

日產(chǎn)量即為某一油田或氣田單日內(nèi)所開采出的石油或天然氣總量，其可以有效驗證儲層保護效果。圖13 為應用新型儲層保護鉆井液體系后井產(chǎn)量統(tǒng)計情況。由圖13 可知：應用新型儲層保護鉆井液體系，施工井的產(chǎn)量最高可達74 593 m3/d，平均日產(chǎn)氣量35 973.5 m3/d，表明儲層保護效果良好。

圖13 應用新型儲層保護鉆井液體系后各井產(chǎn)量統(tǒng)計

4 結(jié)論

1）超雙疏劑尺寸為50～100 nm，表面存在凹凸不平的粗糙結(jié)構(gòu)，使油/水接觸角由小于90°反轉(zhuǎn)為大于90°，可以達到疏水疏油的效果。

2）質(zhì)量分數(shù)為3%的超雙疏劑比傳統(tǒng)使用的抑制劑KCl、聚醚胺等具有更好的抑制性能。

3）形成了適合臨興區(qū)塊的新型儲層保護配方：1%膨潤土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+1.5%超雙疏劑+0.3%弱凝膠+8%KCl。

4）現(xiàn)場應用表明，新型儲層保護鉆井液具有極強的抑制性，能夠控制泥巖水化膨脹分散，可以提速32.33%，降低井眼擴大率33.89%，作業(yè)井日產(chǎn)量平均在35 973.5 m3/d，表明儲層保護效果良好。