疏松地層大位移井鉆井液性能優(yōu)化技術研究

謝 昊，張文星，王曉薇，董婧璇，余沐曦，鄭夢琪

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

大位移井是開發(fā)邊際小油田最有效的技術手段之一，但其具有井斜角大、水平段長等特點，巖屑在井筒內的運移方式主要靠翻滾作用，鉆井過程中普遍存在鉆進摩阻高、井眼清潔差等問題[1，2]。經過長時間的研究與實踐，目前形成了油基鉆井液配套連續(xù)循環(huán)閥大位移井鉆進的技術手段：油基鉆井液極大降低了大位移井鉆進扭矩；連續(xù)循環(huán)裝置減緩了巖屑沉降速度，提高了井眼清潔程度[3，4]。

K 油田位于渤海南部，是渤海油田重點開發(fā)項目。該項目臨近海洋生態(tài)區(qū)，鉆進過程中排放的鉆井液需滿足海洋環(huán)保要求，且勘探開發(fā)初期以淺層大位移井為主，在上部極疏松地層井斜較大，普遍介于45°～65°，例如某A 井鉆進至800 m 處井斜已達66°。結合K 油田生態(tài)環(huán)保要求及疏松地層大位移井特點分析，油基鉆井液涉及環(huán)保回收問題，不適合該油田的應用；井筒連續(xù)循環(huán)會造成疏松地層沖刷嚴重，導致井眼擴徑或軌跡控制困難等問題。針對上述難點，通過優(yōu)化調整當前水基鉆井液（BIODRILL A 體系），提高鉆井液攜帶能力與水化抑制性能，增強鉆井液潤滑性，形成了一種適用于疏松地層大位移井的水基環(huán)保鉆井液[5]。

1 疏松地層大位移井難點分析

（1）井眼清潔問題。K 油田開發(fā)調整井井斜角普遍超過65°，鉆井液在井筒內的流動力沿重力方向分量隨井斜角增大逐漸變小，克服巖屑沉降力能力降低，導致巖屑運動軌跡呈一條拋物線下沉至井壁上，形成巖屑床堆積[6，7]。K 油田上部地層明化鎮(zhèn)組泥質膠結差，在疏松地層中鉆進時鉆頭破巖效率高、巖屑產出量高，故淺層大位移井對井眼清潔提出了更高要求。

（2）井壁穩(wěn)定問題。K 油田中部地層東營組巖性以大段泥頁巖為主，且地層坍塌壓力較高，井壁失穩(wěn)問題嚴重。使用常規(guī)水基鉆井液揭開該層段前，通常需要加入高濃度瀝青類材料作為鉆井液降失水劑，抑制泥頁巖的水化膨脹，但會導致該體系塑性黏度升高，鉆井液與井壁附近黏滯阻力增大，降低巖屑懸浮能力[8，9]。

（3）井筒摩阻問題。大位移井水平段長，鉆桿在重力作用下貼下井壁，導致鉆進摩阻較高，嚴重時會出現(xiàn)“蹩扭”現(xiàn)象，制約了鉆井參數(shù)的選取范圍。小轉速又會影響井眼清潔程度，造成摩阻進一步增加，形成惡性循環(huán)[10，11]。

2 鉆井液性能優(yōu)化技術

針對疏松地層大位移井鉆進過程中存在的問題，從鉆井液性能優(yōu)化角度需要進行的改進包括：研發(fā)高效潤滑劑降低鉆井液與井壁間及金屬界面的摩擦；研發(fā)高效提切劑提高鉆井液的動切力，減少巖屑床的形成；研發(fā)高效封堵劑降低孔隙壓力傳遞速率阻止鉆井液侵入地層等[12]。

2.1 強抑制鉆井液流變性控制

2.1.1 巖屑攜帶性能 PF-BIOVIS-YK 是BIODRILL A 體系關鍵處理劑之一，其主要成分是改進型黃原膠，該提切劑能夠在鉆井液中迅速分散，并且能大幅度提高鉆井液的攜砂攜巖能力，是目前所用的提切劑里面分散性能最優(yōu)的產品。但該體系應用的井大部分是直井，對于大位移井的應用較少。需要根據K 油田特點，在原體系基礎上研選一種攜巖性能更強的添加劑。

該提切劑要求達到的指標（見表1，表2）。

表1 理化指標

表2 鉆井液性能指標

2.1.2 水化抑制性能 鉆井液用頁巖抑制劑有機胺PF-BIOTROL 是一種新型頁巖抑制劑。具有較硅酸鹽、聚合物鉆井液更強的抑制泥頁巖水化膨脹、分散能力。分子鏈上含有多胺基團，通過離子交換能力，插入巖屑層間，有效發(fā)揮抑制巖屑分散的性能；作為抑制劑分子的主要吸附基團，醚鍵作為水化基團，并引入適度的支鏈，使PF-BIOTROL 能夠發(fā)揮高效抑制性的同時，具有良好的耐溫性能、抗鹽污染性能；適當調整胺值后，降低了生產成本，經權威機構檢測后該聚胺抑制劑生物毒性達到一級海域環(huán)保需求。其作用機理是：

（1）吸附機理：聚胺在溶液中逐步解離形成銨正離子（胺基氮原子上的p 電子云極易接受質子而呈正電性，甚至在水中也部分搶奪質子使水溶液呈堿性），由于黏土表面水化呈現(xiàn)負電性，促進銨正離子優(yōu)先吸附到黏土層表面，抑制表面水化。

（2）置換機理：同時部分銨正離子與黏土層間的無機陽離子形成化學勢差，在化學勢差的驅動下，銨正離子通過離子交換作用，置換出黏土層間的無機水化陽離子，降低黏土顆粒的Zeta 電位，并降低黏土層間水化斥力，將黏土片層束縛在一起，并排擠出部分層間吸附水，削弱黏土滲透水化。

（3）螯合機理：非離子的嵌段醚類在主鏈有足夠的親水基團，能夠優(yōu)先螯合一些束縛的陽離子（Na+等），并且鏈上的疏水基團和聚胺分子鏈上的聚氧丙烯疏水部分共同覆蓋在黏土表面，使黏土疏水性增強，阻止水分子進入黏土層間，進一步抑制黏土水化膨脹。

總之，聚胺的分子質量在抑制泥頁巖的水化膨脹、分散方面起著重要的作用，不同分子質量的聚胺對頁巖的作用機理不同。一般來說，高分子質量聚胺類頁巖抑制劑由于其分子鏈上的極性基團與黏土發(fā)生吸附，進而形成吸附層。該吸附層具有滯緩水分子向頁巖中滲透的作用，但不能完全阻止這種滲透，這種滯緩作用與聚胺的分子質量及其分布、極性基團的種類等自身性質有關，也與聚胺的吸附類型有關。低分子質量的胺類聚合物類頁巖抑制劑可以進入黏土層間，依靠質子化胺的靜電吸附以及氫鍵作用，將黏土片層束縛在一起，進而縮小頁巖中黏土礦物的晶層間距，起到抑制作用，具體見低聚陽離子胺頁巖抑制劑與黏土層間的分子模型。

由以上可知，低分子質量的胺類聚合物頁巖抑制劑主要針對的是黏土的滲透水化。國外普遍使用的聚醚胺類抑制劑就是通過抑制黏土的滲透水化來達到抑制泥頁巖的目的，輔以一定量的高分子聚合物包被劑，同時實現(xiàn)了抑制泥頁巖的表面水化及滲透水化，達到了很好的抑制效果，使其得以廣泛應用。

2.2 淺層大位移井高效潤滑

為解決在大位移鉆進過程中扭矩大、摩阻大的難題，需要研發(fā)一種高效極壓潤滑劑，使其具備在水基鉆井液中對流變影響小，不引起鉆井液發(fā)泡；能夠降低大位移井及水平井的摩阻，并能夠有效降低金屬間的摩擦；抗鹽能力強，能夠適用在高鹽的BIODRILL A 體系中；生物毒性合格，滿足渤海一級海域環(huán)保需求。

要求具有以下四個特點：在BIODRILL A 和KCl-聚合物鉆井液體系中具有優(yōu)良的潤滑性能；四球摩擦實驗結果表明，具有較好的抗極壓性能；抗飽和氯化鈉、飽和氯化鉀、飽和甲酸鈉和飽和甲酸鉀，具有優(yōu)良的抗鹽性能。在南海東部某水平井降扭效果明顯，且作用持續(xù)時間長，對鉆井液流變性無影響，不引起鉆井液發(fā)泡。可作為淺層大位移井的高效潤滑劑。

2.3 淺層砂泥巖交界面封堵

針對淺部地層泥質膠結疏松，鉆井液濾失量大的問題，使用傳統(tǒng)封堵/降濾失劑的鉆井液在頁巖表面不形成泥餅，不能有效的封堵頁巖孔吼，無法阻止水的侵入，易發(fā)生井壁失穩(wěn)。本文研選了PF-BIOSEAL 封堵劑（見圖1），引入變形納米顆粒，納米級粒徑的可變形樹脂顆粒分散進入地層表面的孔隙和微裂縫中，顆粒受到壓力逐漸變得緊密，甚至變形，進而變得更加致密，而磺化瀝青再對泥頁巖進行“涂敷”封堵，最后形成連續(xù)致密的“鏡面”，阻止鉆完井液繼續(xù)破壞地層，減少孔隙壓力的進一步傳遞。

圖1 物理封堵劑PF-BIOSEAL 的封堵機理示意圖

物理封堵劑PF-BIOSEAL 是一種納米級可變形封堵泥頁巖微裂縫及孔隙的聚合物，易溶于水，灰色固體粉末。具有以下特點：可變形封堵聚合物；納米級顆粒度分布；可封堵微孔隙及變形進入微裂縫中；減少孔隙壓力傳遞；最大限度地減少壓差卡鉆。

3 體系現(xiàn)場應用

3.1 配方體系優(yōu)選

3.1.1 潤滑劑的優(yōu)選 選取6 種泥餅黏滯系數(shù)低，且能有效降低井筒摩阻的潤滑劑。對不同潤滑劑降扭矩能力進行多組對比，實驗數(shù)據（見圖2）。

圖2 潤滑劑優(yōu)選實驗效果圖

實驗基漿配方：3%膨潤土漿+3 kg/m3NaOH+2 kg/m3Na2CO3+10 kg/m3PF-FOLTROL+3 kg/m3PF-BIOCAP+120 kg/m3NaCl+3 kg/m3PF-BIOVIS+5%渤中軟泥巖污染+3%潤滑劑。

通過實驗數(shù)據表明，在相同基漿與受污染情況下，配方2（使用PF-BIOLUBE 作為潤滑劑）潤滑降摩阻效果最佳。

3.1.2 高效提切劑的優(yōu)選 選取6 種低黏高切，且不影響鉆井液濾失性能的鉆井液提切劑。對相同基漿加入不同提切劑后熱滾前與熱滾后的鉆井液流變性能進行對比，實驗結果（見表3）。

表3 提切劑優(yōu)選實驗數(shù)據表

實驗基漿配方：3%海水膨潤土漿+3 kg/m3NaOH+2 kg/m3Na2CO3+8 kg/m3PF-FOLTROL+4 kg/m3PFBIOCAP+120 kg/m3NaCl+1 kg/m3PF-PAC HV+0.5%提切劑。

實驗表明，配方5（以PF-BIOVIS 作為提切劑）在熱滾前后流變性穩(wěn)定且符合低黏高切高Φ3/Φ6的理念。

通過實驗對加入不同配方添加劑及不同含量的鉆井液體系進行性能對比分析，最終優(yōu)選出最適用于K油田大位移井的基漿配方為：海水+2 kg/m3Na2CO3+3～5 kg/m3PF-BIOCAP+5 kg/m3PF-BIOVIS+8～10 kg/m3PF-FOLTROL+30 kg/m3PF-BIOTROL+120 kg/m3NaCl+30 kg/m3PF-BIOLUBE。

3.2 應用評價

根據K 油田大位移井鉆井設計，表層311.15 mm井段采用海水膨潤土漿鉆進，二開241.3 mm 井段鉆進至800 m 以深時轉化鉆井液為優(yōu)化的BIODRILL A體系。轉化過程為直接替入密度為1.20 g/cm3的BIODRILL A 鉆井液，保證井漿內抑制劑、封堵劑含量達到設計加量，然后根據配方比例加入高效提切劑PF-BIOVIS 和高效潤滑劑PF-BIOLUBE，鉆進期間維持PF-BIOLUBE 密度為30 kg/m3，起鉆期間為50 kg/m3。

實踐證明，該體系鉆井液極大提高了井壁穩(wěn)定和井眼清潔，有效降低了鉆進摩阻，減少倒劃眼起鉆期間憋壓蹩扭現(xiàn)象，倒劃眼速度＞120 m/h，小井斜井可實現(xiàn)直接起鉆。同時還減少起下鉆次數(shù)，可實現(xiàn)井深小于2 500 m 的井一趟鉆直接下套管，井深大于2 500 m 的井，第一趟深鉆，倒劃至管鞋，完鉆后倒劃至合適深度，直起下套管。

4 結論

（1）淺層大位移井相比常規(guī)大位移井具有地層泥質膠結疏松、鉆井液濾失嚴重、巖屑產出量大等特征，進而導致井眼清潔、井壁失穩(wěn)、井筒摩阻等問題進一步惡化，需要對現(xiàn)有鉆井液進行性能優(yōu)化。

（2）以渤海油田較為成熟的水基鉆井液BIODRILL A 體系為基礎，從降黏提切、抑制水化膨脹、提高潤滑性、封堵泥頁巖孔吼等角度進行性能優(yōu)化，最終形成了一種適用于疏松地層大位移井的環(huán)保水基鉆井液，配方為：海水+2 kg/m3Na2CO3+3～5 kg/m3PF-BIOCAP+5 kg/m3PF-BIOVIS+8～10 kg/m3PF-FOLTROL+30 kg/m3PF-BIOTROL+120 kg/m3NaCl+30 kg/m3PF-BIOLUBE。

（3）優(yōu)化后的鉆井液應用于現(xiàn)場，有效減少了倒劃眼蹩扭現(xiàn)象，降低了鉆井作業(yè)風險；實現(xiàn)了一趟鉆鉆進至完鉆井深，直接起鉆下套管，提高了鉆井作業(yè)時效，對渤海K 油田鉆進提質增效具有重要意義。