疏水型高性能水基鉆井液在YC1側水平井中的應用研究

徐 浩，謝 鑫，唐玉華，王媛媛，金 晶

中國石化江蘇油田分公司石油工程技術研究院，江蘇揚州225009

近年來，江蘇油田勘探開發向深層隱蔽和非常規油氣藏發展，多目標中深層泥頁巖油氣井增多，其中，蘇北盆地朱家墩地區深井大斜度井、水平井鉆探過程中井壁失穩問題突出。該區巖樣黏土組分含量、I/S相對含量高，結構致密，發育微米級裂縫，泥頁巖鉆進中易造成水敏性垮塌。已有研究表明，采用強抑制KCl/聚胺鉆井液體系不能有效滿足該區鉆井施工，同時蘇北盆地水網密集，環保問題突出，不適于使用油基鉆井液［1-2］。因此，針對蘇北盆地朱家墩深層泥頁巖大斜度井和水平井井壁失穩難題，通過對該區深層泥頁巖地層特點分析，強化水基鉆井液疏水性、抑制性和封堵性［3-5］，研發一套疏水型高性能水基鉆井液，對該區深層泥頁巖進行優質高效勘探開發具有非常重要的現實意義。

1 材料、儀器和方法

1.1 實驗材料

巖屑，朱家墩區塊YC5井阜寧組泥頁巖垮塌物；復合有機鹽Weigh、納米封堵劑NA-1，北京培康佳業技術發展有限公司；納米封堵劑MN-1、雙親劑SQ-1、生物潤滑劑JS-LUB，中石化華東石油工程有限公司科技發展分公司；微球聚合物TD-1、雙疏劑SH-1，北京石大博誠科技有限公司；膨潤土、超細碳酸鈣QS-4、加重劑BaSO4，工業級，泰州環球儀器有限公司；純堿、NaOH等，分析純，市售。

1.2 實驗儀器與方法

OCA20視頻光學接觸角測量儀，北京東方德菲儀器有限公司；BGRL-9型高溫滾子加熱爐、ZNN-D6型六速旋轉黏度儀、中壓濾失儀、高溫高壓濾失儀，青島海通達專用儀器有限公司；WTFann LSM2100型四聯頁巖動態膨脹測試儀，Fann212型極壓潤滑儀，美國Fann公司；Mastersizer 3000型激光粒度儀，法國Malvetn公司；OFI 171-84-01型滲透性堵塞儀，美國OFI公司；XS204型電子分析天平，梅特勒-托利多（上海）有限公司。

實驗方法參照GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》。

2 結果與討論

2.1 朱家墩地區深層泥頁巖地層成分分析

選擇朱家墩地區YC5井泥頁巖垮塌物，開展礦物組分與理化性能綜合分析，其性能分析結果見表1、掃描電鏡分析見圖1。由表1可知：該區巖樣黏土組分含量較高，大于50%；I/S相對含量高達87%；陽離子交換容量（CEC）為160 mmol/kg。由圖1可知：該區泥頁巖巖樣結構致密，微裂縫發育，微裂隙大多小于10 μm，泥晶間微孔隙大多小于1 μm、只有少量為1～2 μm，說明該區泥頁巖黏土敏感性強，易水化；微裂縫發育，具有硬脆性特征［6］。

圖1 掃描電鏡照片

表1 泥頁巖性能分析測試

2.2 水基鉆井液核心處理劑的選擇

2.2.1 疏水劑優選

室內采用懸滴法實驗，基漿中分別加入1%SQ-1與1%SH-1疏水材料，滾動后評價室溫中壓（API）與高溫高壓（HTHP）濾液疏水性能，結果見表2和表3。一般情況下，濾液的接觸角越大，疏水性越好。由表2可知：室溫中壓條件下，基漿中配加SQ-1時，濾液疏水性較好。由表3可知：在120℃高溫高壓條件下，基漿中配加SH-1時，濾液疏水性更佳，更適應于深井。綜合實驗表明，加入疏水劑后，濾液能在巖心表面形成很好的疏水膜，從而有效降低濾液侵入地層［7］。

表2 疏水劑對API濾液性能的影響(°)

表3 疏水劑對HTHP濾液性能的影響(°)

2.2.2 微納米封堵劑優選

朱家墩深層泥頁巖存在納米級孔喉和微米級裂縫，同時考慮黏土水化后也呈現納米級分散狀態［8］，室內主要考察3種微納米封堵材料MN-1、TD-1以及NA-1，分別將其加入基漿中評價高溫高壓濾失量（FLHTHP），結果見表4。由表4可知：SQ-1與MN-1配合，高溫高壓濾失量最低，為7.2 mL，說明其封堵效果最佳。

表4 封堵性能評價

2.3 水基鉆井液的性能評價

通過對水基鉆井液核心處理劑進行優選［9］，形成了一套疏水型高性能水基鉆井液體系，記為1#體系，其配方如下：基漿+（3%～5%）QS-4+（1%～2%）MN-1+（1%～2%）SQ-1+3%JS-LUB+BaSO4。

2.3.1 流變性評價

對上述1#水基鉆井液體系進行老化前后的流變性能評價，結果見表5。由表5可知：在150℃高溫老化后，鉆井液體系的表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）、動切力（YP）、動塑比等各項參數均下降，反映該體系具有較好的流變性能，完全滿足大斜度井、水平井懸浮攜巖降阻要求。

表5 1#體系流變性評價

2.3.2 抑制性評價

室內選用YC5井泥頁巖垮塌物和膨潤土分別對鉆井液體系進行滾動回收率和線性膨脹率對比實驗，其中，巖心為YC5井泥頁巖垮塌物；膨潤土為鉆井液試驗用土，執行SY/T 5490標準；聚合物體系主要是聚丙烯酰胺鉆井液；KCl體系是KCl加入聚合物中形成的鉆井液，抑制性評價結果見表6。由表6可知：1#體系巖心的一次回收率高達99.8%，大于清水配方和其他2種體系；24 h膨潤土線性膨脹率遠小于清水線性膨脹率，該體系表現出極強的抑制性能，能夠有效降低朱家墩泥頁巖水化膨脹而導致的井壁垮塌。

表6 抑制性評價

2.3.3 封堵性評價

在室內對1#體系分別進行激光粒度分析、高溫高壓濾失以及PPT砂盤滲透實驗，結果如圖2～4。由圖2可知：該體系粒徑分布在10 nm～20 μm，與朱家墩區塊泥頁巖裂縫匹配，能有效封堵該區泥頁巖微裂縫，降低濾液侵入。由圖3可知：1#體系高溫高壓濾失量與合成基鉆井液接近，同樣表現出很好的封堵性能，可以進一步降低濾液侵入。由圖4可知：在3.5 MPa正壓差作用下，60 min后該體系濾失量達到飽和，基本不再侵入地層。綜合實驗表明，該體系具有極強的封堵性能，能有效阻止濾液侵入地層，防止朱家墩泥頁巖地層垮塌。

圖2 激光粒度分布

圖3 150℃、3.5 MPa下不同鉆井液體系的濾失量

圖4 PPT砂盤滲透測試結果

2.4 現場應用

2.4.1 工程地質概況

YC1側水平井設計井深4 312.2 m，垂深3 242.93 m，開窗側鉆井深2 850 m，最大井斜86.29°，水平段長987 m，鉆探目的是評價朱家墩地區深層泥頁巖裂縫性油氣產能［10］。

2.4.2 體系預處理

為確保體系順利轉化，要求側鉆前鉆井液膨潤土含量控制在25～30 g/L。

轉化時，按照1～2個循環周加入30%Weigh及相關處理劑進行轉化，充分循環，待性能穩定后加入1% MN-1和1% SQ-1，將體系轉化為疏水型高性能水基鉆井液。

2.4.3 體系維護

根據現場實際消耗以及性能波動情況，及時按照配方比例配制等濃度膠液。

鉆進過程中使用好四級固控設備，振動篩篩布尺寸在75 μm以上，維持膨潤土含量在30 g/L左右。

水平段調節鉆井液流型，確保動塑比在0.3以上，以增強體系護壁能力及懸浮攜帶能力。

水平段鉆井液性能指標要求API濾失量小于4 mL，HTHP濾失量小于7 mL。

2.4.4 現場應用效果

將研制的疏水型高性能水基鉆井液體系應用于朱家墩地區2 850～4 030 m井段，并對其流變性能和濾失性能進行測試，結果見表7。由表7可知：應用井段體系性能波動幅度小，易于維護；有較強的結構力，懸浮攜巖能力突出；高溫高壓濾失量控制在6 mL以內，大大減少了濾液侵入地層。圖5是施工現場返出的泥頁巖鉆屑情況，由圖5可知：返出的泥頁巖鉆屑顆粒較大，完整性好，鉆頭切削印清晰，鉆進中無垮塌掉塊，說明該體系抑制性極強。綜合表明，該體系能夠很好地解決該區深層泥頁巖吸水膨脹而導致的垮塌問題。

表7 現場應用綜合性能測試結果

圖5 現場返砂情況

3 結論

1）根據蘇北盆地朱家墩地區深層泥頁巖的實際情況，優選了疏水劑SQ-1、微納米封堵劑MN-1，形成了一套疏水型高性能水基鉆井液體系，其配方為基漿+（3%～5%）QS-4+（1%～2%）MN-1+（1%～2%）SQ-1+3%JS-LUB+BaSO4。應用該體系模擬朱家墩地區深層泥頁巖的一次回收率為99.8%，高溫高壓濾失量為5.8 mL。

2）通過對室內研究與現場工藝優化，形成一套針對朱家墩深井泥頁巖水平井安全鉆井的疏水型高性能水基鉆井液體系，當體系中SQ-1與MN-1用量均為1%時，粒徑范圍與朱家墩泥頁巖微孔隙、微裂縫匹配，具有很好的封堵防塌性能。該體系具有很好的流變性、疏水性以及抑制封堵性能，其封堵性能接近合成基鉆井液。現場施工中易轉化維護，水平段攜巖好，返出巖屑完整度好，高溫高壓濾失量低于6 mL，能夠解決該區深層泥頁巖吸水膨脹而導致的垮塌問題。