復雜地層仿油基鉆井液研究

楊小敏，宋碧濤，睢文云，徐 浩，楊雪山

（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）

隨著江蘇油田逐步向深井深層、復雜隱蔽油藏和非常規油氣藏進軍，新的地層常帶來較多的鉆井復雜問題，鉆井托壓、劃眼、井漏、垮塌、卡鉆等復雜事故較多，鉆完井過程中易垮塌掉塊，導致電測遇阻，多次劃眼通井往往導致完井周期長，地層浸泡時間長，更多鉆井液濾液進入儲層，造成儲層傷害，影響勘探開發效果。針對深部泥頁巖不穩定地層導致的復雜及含泥頁巖長水平段水平井、大位移井的井壁穩定、潤滑、攜巖及托壓等問題，需要鉆井液具有優異的頁巖抑制性、裂縫封堵和潤滑能力，目前國內外主要采用油基鉆井液，以降低復雜發生幾率。油基鉆井液具有井壁穩定性、潤滑性、高溫穩定性好以及對油氣層損害小等優點，但以礦物油及柴油為基油的油基鉆井液中含有有毒物質，不能被生物降解，對環境造成污染，并且成本高、固井質量難以保證，后續廢棄泥漿處理難度大，且在國內還未形成完整的系列配套技術。江蘇油田地處長江中下游地區，長江、淮河入海口附近，油區內河流密布，被譽為“水鄉油田”，為環境高敏感地區，若使用油基鉆井液潛在環境風險較大。目前江蘇油田在非常規勘探領域的研究時間尚短，長水平段水平井的開發布井規模小，成本高昂的油基鉆井液的后處理和回收利用存在較多技術難題。仿油基鉆井液不僅在提高鉆井液抑制性、封堵性、潤滑性等方面具有與油基鉆井液相當的優勢，并且其成本相對較低，同時有利于環保[1]。因此，開展仿油基鉆井液技術研究，可為江蘇油田復雜區塊井及含泥頁巖水平井鉆井提供了新的技術思路和研究方向。

1 設計思路

目前水基鉆井液與油基鉆井液的性能差別主要在頁巖抑制性、高溫高壓失水量和潤滑性三個方面，其中潤滑性相對容易解決，提高頁巖抑制性使用有機鹽[2-3]、高效頁巖抑制劑等效果突出，最難實現的是高溫高壓失水量控制，如能控制在6 mL 以下就可以進行礦場試驗。

聚醚多元醇具有濁點效應，并可以通過氫鍵與粘土硅氧鍵作用吸附在粘土表面[4]，因此聚醚多元醇具有非常優良的抑制、封堵能力，且在濁點溫度之上具有良好的潤滑性能。高效頁巖抑制劑是小分子抑制劑，可鑲嵌于膨潤土層間，降低層間距，抑制性突出。納米材料具有“納米滾珠軸承”作用[5]，在聚醚多元醇濁點溫度之下，采用納米材料處理劑可進一步提高體系的潤滑性能。

筆者在現有鉆井液技術基礎上，采用聚醚多元醇和高效頁巖抑制劑配合增強鉆井液抑制性和封堵性，采用惰性納米材料增強鉆井液潤滑性，通過多種材料降低鉆井液高溫高壓濾失量，使其綜合性能接近油基鉆井液水平，形成初步的仿油基鉆井液體系配方。

2 室內實驗

2.1 潤滑性能評價

2.1.1 聚醚多元醇JMC-60 潤滑性評價

（1）常溫下潤滑性能評價，江蘇油田現場鉆井使用的潤滑劑加量一般為2 %～3 %。本實驗所用的鉆井液基漿配方為：5 %般土漿+0.2 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+2 %QS-2；聚醚多元醇JMC-60（濁點溫度60 ℃）的加量為3 %，樣品加入鉆井液中高速攪拌30 分鐘后，分別在常溫下和80 ℃老化24 h 后使用EP 極壓潤滑儀進行測量，實驗結果（見表1）。由表1 可知，聚醚多元醇JMC-60 對鉆井液基漿潤滑性改善有一定的促進作用。常溫下潤滑系數降低了27.55 %，這主要是測試溫度未達到聚醚多元醇的濁點，其潤滑性不能得到充分發揮。而在其濁點溫度之上80 ℃老化24 h 后，潤滑系數降低了71.52 %。由此可見，加入聚醚多元醇，對鉆井液潤滑性的改善是顯而易見的。（2）高溫高壓下潤滑性能評價，為了考察JMC-60在高溫高壓下的潤滑性改善效果，使用現場鉆井液，加入3 %JMC-60，使用LEM4100HPHT 潤滑性測試系統開展了相關測試。試驗所用井漿為L38-1 井井深2 500米處鉆井液，未添加潤滑劑。鉆井液密度為1.25 g/cm3，測試溫度為室內慢慢升高到160 ℃，升溫過程控制在2 h，測試鋼-鋼摩擦的軸向壓力為15 MPa，鉆井液在測試系統中循環流動，保持壓力3 MPa，測試時旋轉速度定在60 r/min，模擬正常鉆進過程中鉆具所受的摩擦力。從圖1 和圖2 可以明顯看出，JMC-60 具有優良的抗高溫潤滑性能，摩擦系數隨著溫度的升高逐漸降低，溫度升高到濁點之上后，摩擦系數下降到0.08 以下。

表1 聚醚多元醇對鉆井液潤滑性的影響

2.1.2 納米材料處理劑潤滑性評價 在聚醚多元醇JMC-60 濁點溫度之下，采用納米材料處理劑進一步提高體系的潤滑性能。通過EP 極壓潤滑儀對添加不同的納米材料處理劑的鉆井液配方的潤滑性進行測定。由表2 可以看出，加入4 %DS-RH325（納米材料有效含量1 %）后極壓摩阻系數降低80 %，而納米碳酸鈣和天詩納米微粉的潤滑效果并不明顯，分析其原因可能是這兩種納米材料為干粉制劑，在鉆井液中相容性不好，滾珠軸承作用未能發揮，對納米處理劑種類的優選及其與鉆井液體系的相容性還需進一步的探索研究。目前，初步選取DS-RH325 配合JMC-60 作為仿油基鉆井液體系的潤滑劑。

圖1 L38-1 井井漿（2 500 m，未加潤滑劑）

圖2 L38-1 井井漿（2 500 m，加入3 %JMC-60）

表2 不同配方潤滑性能評價

2.2 抑制性能評價

采用江蘇油田H158 井戴一段垮塌物，破碎成6～10 目巖屑，通過頁巖回收率試驗對現有鉆井液配方1#中加入不同比例的聚醚多元醇JMC-60，測定其一次和二次回收率，以評價JMC-60 的抑制性。表3 中鉆井液配方為：1#：4 %般土漿+0.2 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN；2#：1#+3 %JMC-60；3#：1#+7 %JMC-60；4#：1#+10 %JMC-60；5#：1#+20 %JMC-60。

由表3 可以看出，隨著聚醚多元醇JMC-60 加量的增加，回收率逐漸增大；當JMC-60 加量為20 %時，抑制性能最優，二次回收率達到90 %。

接著考察了JMC-60 在基漿中的流變性、潤滑性及降濾失性能（見表4）。隨著JMC-60 加量的增加，鉆井液表觀粘度和塑性粘度有輕微增加，整體流變性并無大的變化。此外，隨著JMC-60 加量的增加，濾失量和極壓摩阻系數逐漸降低；當JMC-60 加量為20 %時，降濾失性能和潤滑性能最優，特別是高溫高壓濾失量達到了6～8.4 mL，接近油基鉆井液水平。

表3 聚醚多元醇JMC-60 抑制性評價

表4 聚醚多元醇JMC-60 不同加量下性能評價

表4 聚醚多元醇JMC-60 不同加量下性能評價（續表）

表5 JMC-60 復配DYZ-1 性能綜合評價

由于JMC-60 加量為20 %時，導致鉆井液的成本較高，因此在配方中考慮添加高效頁巖抑制劑DYZ-1增強體系的抑制性，減少JMC-60 的加量，降低鉆井液成本。在聚醚多元醇鉆井液中配加不同加量的高效頁巖抑制劑DYZ-1 在120 ℃下熱滾16 h 后評價其性能，實驗結果（見表5）。表5 中鉆井液配方為：1#：4 %般土漿+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+7 %JMC-60；2#：1#+0.1 % DYZ-1；3#：1#+0.2 % DYZ-1；4#：1#+0.3 %DYZ-1；5#：1#+0.4 % DYZ-1。

由表5 實驗結果可以看出，添加高效頁巖抑制劑DYZ-1 后，二次回收率均在94 %以上，且隨著DYZ-1加量的增加，頁巖回收率逐漸升高，API 濾失量有所降低，對流變性能的影響不大，極壓摩阻系數均較低，在0.031～0.077。通過分析發現，DYZ-1 加量為0.3 %時的性能已滿足要求，因此，我們優選DYZ-1 的加量為0.3 %。

2.3 綜合性能評價

在初步完成各處理劑優選的基礎上，經過室內反復實驗，形成成本適中和成本稍高的兩種初步的仿油基鉆井液體系配方。

1#：4 %般土漿+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+7 %JMC-60+0.3 % DYZ-1 +3 %DS-RH325

2#：4 %般土漿+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+20 %JMC-60+0.3 % DYZ-1+ 3 %DS-RH325

將兩種配方密度加重至1.30 g/cm3，分別在100 ℃、120 ℃、140 ℃老化16 h 后對其性能進行了評價，實驗結果（見表6）。由表6 可以看出，老化后兩種配方的鉆井液粘度降低，API 濾失量和HTHP 濾失量有些增大，在100～140 ℃的范圍內，鉆井液流變性變化幅度不大，摩阻系數隨著溫度的升高逐漸減小。2#鉆井液潤滑性明顯優于1#鉆井液，高于120 ℃老化后顯示出優異的高溫高壓降失水能力，接近油基鉆井液水平。同時該鉆井液配方抗溫性能優良，性能穩定，潤滑性能好。

表6 不同溫度下體系的性能評價

3 結論

（1）基于聚醚多元醇的濁點效應和納米材料的納米滾珠軸承作用，聚醚多元醇JMC-60 與惰性納米材料DS-RH325 配合能使體系的潤滑性能達到油基鉆井液水平。

（2）聚醚多元醇JMC-60 與高效頁巖抑制劑DYZ-1、納米材料DS-RH325 配合能明顯提高鉆井液的抑制和封堵性能，使其抑制性和高溫高壓濾失量接近油基鉆井液水平。

（3）針對江蘇油田環保敏感性高的特點，開展仿油基鉆井液研究，探索解決江蘇油田深部泥頁巖不穩定地層導致的復雜及含泥頁巖長水平段水平井、大位移井的井壁穩定、潤滑、攜巖及托壓等問題，是非常必要的，研究表明也是完全可行的。

［1］ 王睿，李巍，王娟.仿油基鉆井液技術研究及應用［J］.精細石油化工進展，2011，12（8）：1-3.

［2］ 肖金裕，楊蘭平，李茂森，等.有機鹽聚合醇鉆井液在頁巖氣井中的應用［J］.鉆井液與完井液，2011，28（6）：21-23.

［3］ 李劍，趙長新，呂恩春，等.甲酸鹽與有機鹽鉆井液特性研究綜述［J］.鉆井液與完井液，2011，28（4）：72-77.

［4］ 徐同臺，趙忠舉.國外鉆井液和完井液技術［M］.北京:石油工業出版社，2004：265-272.

［5］ 周治平，謝炳光.納米材料在鉆井液中的應用［J］.安全與環境工程，2012，19（6）：144-147.