陽離子聚合物鉆井液體系研制及現場試驗

毛偉漢

大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司

陽離子聚合物鉆井液體系研制及現場試驗

毛偉漢

大慶油田鉆探工程公司鉆井三公司

陽離子聚合物鉆井液體系的抑制、包被、絮凝效果顯蓍。對包被劑、抑制劑性能的評價有兩種方法：一是測定巖屑回收率，回收率越高，抑制分散效果越好；二是巖心膨脹量的測定，膨脹量越低，抑制性越好。確定鉆井液處理劑配方為：0.2%～0.3%HX—D+0.2%～0.3% NW—1+0～0.3%NPAN—2+0.2%～0.4%HPNH+0.2%～0.3%DJ—C（或0.2%FPS）。大、小陽離子聚合物鉆井液是一種優良的聚合物鉆井液體系，該體系對抑制大慶油田上部地層大段泥巖造漿和井壁泥巖水化膨脹效果顯著，可有效減少縮徑、井眼不暢、下鉆遇阻、鉆具泥包等井下復雜現象。該鉆井液體系性能穩定，固相含量低，外排鉆井液量少。

大陽離子；小陽離子；聚合物鉆井液；黏度；實驗

大慶油田油層以上為大段泥巖層，埋深最小達到800m，最大到1 000m。嫩江組從嫩4段到嫩1段長600～800m，黏土礦物含量達到50%以上，其中以蒙脫石和伊利石為主。2000年以后，通過使用鉀銨聚合物鉆井液體系和乳液高分子聚合物鉆井液體系地層造漿得到有效控制，同時泥巖吸水膨脹導致的縮徑和井壁剝落坍塌現象大幅度減少。但是鉆井液穩定性還不理想，鉆井液外派量大，還存在下鉆遇阻、泥包問題。通過對國內外有關聚合物鉆井液文獻的研究，陽離子聚合物鉆井液體系的抑制、包被、絮凝效果顯著。經過對大陽離子、小陽離子性能以及與其他處理劑的配合性進行研究，合成了一種適合強抑制鉆井液配方體系，現場應用取得了顯著效果。

1 實驗部分

抑制劑包括聚丙烯酸鉀K—PAM、乳液包被劑GJ—2、兩性離子聚合物FA368、大陽離子聚合物包被絮凝劑XW—D、小陽離子NW—1。防塌降濾失劑包括銨鹽NPAN、復合銨鹽NPAN—2、磺化瀝青FTD2、高溫高壓降濾失劑HPNH、褐煤樹脂SMLP。稀釋劑包括改性栲膠JN—A、兩性離子降黏劑XY27、低分子聚丙烯酸鈉DJ—C、復合甲基硅酸鈉。土粉為鈉膨潤土，評價土為地層取芯泥巖。

使用的儀器有蘇氏漏斗黏度計、六速旋轉黏度計、頁巖膨脹儀、標準篩、高速攪拌器、老化罐和滾子加熱爐。

1.1 處理劑抑制性能

對包被劑、抑制劑性能的評價有兩種方法：一是測定巖屑回收率，回收率越高，抑制分散效果越好；二是巖心膨脹量的測定，膨脹量越低，抑制性越好。

（1）巖屑回收率實驗。用鈉膨潤土和評價土制成人工巖屑，將待測抑制劑配成0.5%的水溶液，分別在120℃下做滾動回收率實驗。將地層泥巖井段的巖心制成過10目、余20目標準篩的巖屑，烘干，然后用0.5%抑制劑溶液在120℃下做滾動16 h回收率實驗。由實驗結果可知，大陽離子聚合物HX—D對巖屑的回收率最高，小陽離子NW—1巖屑回收率達到65%，大陽離子和小陽離子配合巖屑回收率達到75%，且表觀黏度值最小，說明大陽離子和小陽離子有較好的配伍效果。

（2）巖心膨脹量實驗。用地層泥巖粉制作巖心，分別做0.5%K—PAM、0.5%GJ—2、0.5% FA3—68、0.3%HX—D+0.2%NW—1溶液的膨脹量實驗。所得結果數據表明，0.3%HX—D+0.2% NW—1溶液對泥巖的抑制性最好。因此，在下面的研究中選擇大、小陽離子做聚合物鉆井液配伍性實驗。

1.2 處理劑配伍性

（1）稀釋劑配伍性實驗。取現場自然造漿鉆井液，加0.2%HX—D和0.2%NW—1后形成基漿，然后分別加0.4%JN—A、0.4%XY—27、0.4%DJ—C、0.4%FPS，對比稀釋效果。實驗結果表明，與大、小陽離子聚合物配合最好的是稀釋劑DJ—C和FPS；FPS在降切方面較好，動塑比稍低，一定程度影響鉆井液的懸浮巖屑的能力。因此，在鉆井液體系中以DJ—C作為主稀釋劑，以FPS作為輔助稀釋劑，在懸浮性和電阻率條件允許情況下用FPS能更快地調整鉆井液性能。

（2）防塌降濾失劑配伍性實驗。在上述實驗基礎上，對5種防塌降濾失劑進行對比實驗。對比實驗結果表明，各種防塌降濾失劑都能與大、小陽離子聚合物鉆井液體系配合使用，其中NPAN—2和SMLP降濾失效果顯著，但SMLP比HPNH增黏效果更好。因此選擇NPAN—2和HPNH作為體系的防塌降濾失劑。綜合以上實驗，確定大、小陽離子聚合物鉆井液體系為：HX—D+NW—1+NPAN—2+ HPNH+DJ—C（或FPS）。

1.3 鉆井液配方性能

（1）聚合物加量實驗。由實驗數據表明，HX—D的加量以0.2%～0.3%為宜，超過0.4%的加量，黏度較大，不利于鉆井液后續調整。NW—1的加量以0.2%～0.3%為宜，蘇氏漏斗黏度計測量的現場合適的鉆井液黏度一般在30～40 s，達到56 s的黏度已經較高，這個黏度加稀釋劑容易調整。因此，確定聚合物抑制劑加量為：0.2%～0.3%HX—D+0.2%～0.3%NW—1。

（2）復合銨鹽加量實驗。用加完0.3%NW—1的實驗漿液作基漿，進行復合銨鹽NPAN—2加量實驗。實驗數據表明，NPAN—2在開始時降低黏度；隨著NPAN—2加量增加，黏度又開始上升。從黏度和失水指標看，NPAN—2的加量以0.2%～0.3%為宜。

（3）高溫高壓降濾失劑加量實驗。在上述NPAN—2加量0.3%實驗的基礎上，做HPNH實驗。由加量實驗數據可知，HPNH的加量為0.4%時可滿足需要。

（4）稀釋劑加量和加重實驗。將上述0.4%加量的HPNH基漿用DJ—C調整后進行加重實驗。實驗說明，鉆井液的流變性較好，塑性黏度和動塑比都比較理想，經過稀釋后鉆井液黏度、濾失量合理，加重鉆井液120℃熱滾老化后性能沒有顯著變化，證明各種處理劑的加量選擇比較合理。

（5）配方確定。綜上所述，最后確定鉆井液處理劑配方為：0.2%～0.3%HX—D+0.2%～0.3% NW—1+0～0.3%NPAN—2+0.2%～0.4%HPNH+ 0.2%～0.3%DJ—C（或0.2%FPS）。

2 現場試驗

2.1 鉆井液處理維護方法

（1）開鉆轉老泥漿10～15m3，加20～30m3水，HX—D加量0.15 t、NW—1加量0.2 t，地面經鉆頭循環30min，充分水化后按要求加重到設計密度，然后加入銨鹽200 kg。

（2）鉆進到350～400m時加入0.2 t的NPAN—2、0.2 t的HPNH。鉆進過程用HX—D和NW—1水溶液維護，保持含量。黏度高時適當用DJ—C處理。

（3）加重前用DJ—C調整好鉆井液黏度、切力，加入0.4 t的HPNH，加重后黏度升高可用FPS處理以穩定性能。鉆進時用DJ—C維護鉆井液性能，馬氏黏度控制在45～55 s之間。

（4）進入P1組加入0.2 t HPNH，加入0.1～0.2 t NPAN—2，控制濾失量≤4mL，避免P1組高滲地層形成厚泥餅。

（5）完井前100 m，先用DJ—C將黏度處理到50～55 s；完鉆前50m盡量減少處理劑用量，電阻率保持在3.5～4.5Ω·m/18℃之間，大排量循環洗凈1.5 h以上；起鉆通井后電測。

（6）下套管用FPS處理鉆井液性能，達到要求再固井。

2.2 取得的效果

（1）鉆井液抑制效果顯著。現場應用過程中，鉆屑返出效果非常好，返出大量鉆屑，鉆屑經過包被絮凝，成團塊狀。

（2）由于鉆屑得到較好的絮凝清除，鉆井液含砂量低，固相含量低，性能穩定時間長，從而減少了廢鉆井液排放量，平均減少20%。

（3）鉆井施工順利。現場試驗80口井，平均井徑擴大率5.6%，沒出現井眼不暢、鉆具上頂、鉆具泥包等井下復雜現象，電測一次成功率98.2%。

3 結果與討論

3.1 陽離子抑制劑作用機理

（1）大、小陽離子在水中電離出有機陽離子基團，靠靜電與黏土表面負電吸附，這種吸附作用很強，因而比較牢固，不容易破壞。

（2）大陽離子聚合物有較長的分子鏈，依靠吸附基團能進行多點吸附，在黏土顆粒間進行架橋；同時層間靜電吸附壓縮雙電層，因而可將黏土顆粒或鉆屑黏接在一起形成密實團塊，這就是絮凝包被作用。

（3）小陽離子聚合物是一種小分子化合物，由于分子量小，在水中的運移比大陽離子快，因而能夠優先吸附在黏土表面進入晶層間，阻止水分子進入，從而抑制黏土進一步水化分散，穩定黏土顆粒。

（4）小陽離子和大陽離子相互配合，小陽離子協同大陽離子增強了抑制黏土水化分散的作用，在鉆屑團塊表面形成的陽離子溶劑層阻止了進一步的水化分散，因此，鉆井液才具有了突出的包被絮凝作用。

3.2 其他處理劑的作用

在大、小陽離子聚合鉆井液中，復合銨鹽NPAN—2是一種分子量在幾萬到十幾萬的聚合物，帶有大量的羧基和氨基，增強了體系水化作用，所以具有一定的稀釋作用。復合銨鹽使鉆井液的濾液黏度增加；同時在濾餅表面形成聚合物膜，因而降低了鉆井液的濾失量。

在該體系中，降黏劑DJ—C是一種分子量為幾千的陰離子聚合物，依靠羧基較強的吸附和水化作用，顯示了較好的降黏作用；同時，低分子量聚合物和高分子聚合物有較好的配伍性。

4 結語

（1）大、小陽離子聚合物鉆井液體系有較好的抑制、包被、絮凝效果，是一種優良的聚合物鉆井液體系。

（2）該體系對抑制大慶油田上部地層大段泥巖造漿和井壁泥巖水化膨脹效果顯著，可有效減少縮徑、井眼不暢、下鉆遇阻、鉆具泥包等井下復雜現象。

（3）該鉆井液體系性能穩定，固相含量低，外排鉆井液量少。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.013