一種低土相高密度抗鈣鉆井液體系

王樹永，趙小平，呂本正，劉相興

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）科學(xué)技術(shù)研究院油田化學(xué)工程中心，山東東營(yíng)257061；2. 山東得順源石油科技有限公司，山東東營(yíng)257066；3. 中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫(kù)爾勒841000）

一種低土相高密度抗鈣鉆井液體系

王樹永1，2，趙小平3，呂本正1，劉相興1，2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）科學(xué)技術(shù)研究院油田化學(xué)工程中心，山東東營(yíng)257061；2. 山東得順源石油科技有限公司，山東東營(yíng)257066；3. 中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫(kù)爾勒841000）

王樹永等.一種低土相高密度抗鈣鉆井液體系［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：41-44.

土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸區(qū)塊地層基莫利階為一套鹽巖及石膏巖，且含有高壓鹽水層，在鉆進(jìn)該井段時(shí)，高密度鉆井液易被侵入的鈣鎂污染，導(dǎo)致鉆井液的流變性、濾失量等性能發(fā)生劇烈變化，流變性與沉降穩(wěn)定性更加難以平衡，易導(dǎo)致復(fù)雜情況發(fā)生。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地層情況，研究開發(fā)了一種低土相高密度抗鈣鉆井液體系D-ULTRACAL，通過使用新型增黏降濾失劑DSP-1，減少膨潤(rùn)土的加量，提高了鉆井液的抗鈣能力，并保持較低的濾失量；應(yīng)用鉆井液密度為2.0 g/cm3，以防止井涌，穩(wěn)定井壁；鉆井液含有濃度接近飽和的氯化鈉，可以抑制鹽膏層的溶解。該體系抗溫達(dá)150 ℃，API濾失量小于3.0 mL，高溫高壓濾失量小于15.0 mL；抑制性強(qiáng)，與自來水相比，巖屑回收率提高率達(dá)113.7%，巖心膨脹降低率達(dá)80.5%；抗鈣離子污染能力達(dá)4 936 mg/L。在土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸區(qū)塊基爾桑氣田Gir-24D井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該鉆井液體系在鉆巨厚鹽膏層特別是厚石膏層時(shí)具備優(yōu)異的流變性能和濾失性能，現(xiàn)場(chǎng)鉆井過程順利。

低土相鉆井液；高密度鉆井液；抗鈣；欠飽和鹽水

0　引言

土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸區(qū)塊地層基莫利階為一套鹽巖及石膏巖且含有高壓鹽水層，厚度約400～1 200 m。該地區(qū)鹽膏層間高壓鹽水為“透鏡”狀， 分布不規(guī)律，壓力系數(shù)高， 高價(jià)離子礦化度高，一旦鉆遇，高濃度的鈣離子很快污染鉆井液，嚴(yán)重影響鉆井液的流變性與濾失性能。在現(xiàn)場(chǎng)鉆井過程中，需要使用高密度鉆井液應(yīng)對(duì)高壓鹽水層和多套壓力系統(tǒng)，平衡地層壓力，防止井涌等復(fù)雜情況發(fā)生［1］。但鉆遇巨厚鹽膏層時(shí)，在井下高溫、高壓環(huán)境下，高密度鉆井液被鈣鎂離子持續(xù)污染，鉆井液的流變性、濾失量等性能變化劇烈，流變性與沉降穩(wěn)定性更加難以平衡，易導(dǎo)致復(fù)雜情況發(fā)生。

通過對(duì)高密度鉆井液的性能特點(diǎn)分析，膨潤(rùn)土對(duì)鉆井液的流變性和濾失量及抗污染能力影響很大：由于高密度鉆井液具有極高的固相含量，膨潤(rùn)土水化狀態(tài)及空間架構(gòu)的變化對(duì)鉆井液的濾失量及流變性影響巨大；并且膨潤(rùn)土對(duì)高價(jià)離子非常敏感，二價(jià)的鈣鎂離子會(huì)連接帶負(fù)電的黏土顆粒，嚴(yán)重破壞擴(kuò)散雙電層，導(dǎo)致鉆井液性能突變，濾失量增加，流變性變差［2］，泥餅變厚且結(jié)構(gòu)松散。

若要提高鉆井液抗鈣鎂離子污染的能力，減少鉆井液中膨潤(rùn)土含量是一種有效的解決辦法，但同時(shí)需要解決因膨潤(rùn)土減少帶來的鉆井液懸浮穩(wěn)定性問題，特別是高溫下懸浮穩(wěn)定性問題。因此，研究一種能夠替代膨潤(rùn)土，既能解決加重材料高溫懸浮問題，又能具有抗鹽、抗鈣鎂能力的處理劑，形成具有良好濾失性能、流變性和抗鈣能力的低土相高密度抗鈣欠飽和鹽水鉆井液體系，對(duì)于安全鉆進(jìn)鹽膏層和高壓鹽水層，減少井下復(fù)雜情況，提高鉆井效率具有重要意義。

1　增黏降濾失劑的研制

1.1增黏降濾失劑DSP-1的合成

①在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取5種單體，分別為丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯腈和N- 異丙基丙烯酰胺，按照質(zhì)量比為3∶2.5∶9∶2∶1準(zhǔn)確稱量單體，并加入適量表面活性劑，于蒸餾水中攪拌均勻；②加入占單體總質(zhì)量0.3%的硅烷偶聯(lián)劑，攪拌均勻，用計(jì)量的氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)至pH值為8～9，加入蒸餾水調(diào)節(jié)體系質(zhì)量濃度為20%～30%；③于60 ℃下，通氮?dú)?0 min后，加入定量的引發(fā)劑，反應(yīng)3 h后，得到膠狀產(chǎn)物；④將膠狀產(chǎn)物干燥粉碎，即得具有優(yōu)良增黏、降濾失效果的主處理劑聚合物DSP-1。

1.2作用機(jī)理分析

DSP-1以高鍵能的C—C鍵為主鏈，磺酸基、氰基、酰胺基、羧基為水化基團(tuán)，具有較大的分子量、適度交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出良好的增黏提切和耐高溫降解的效果；引入N-異丙基丙烯酰胺單體后，聚合物在高溫下具有溫度敏感效應(yīng)，疏水部分發(fā)生聚集，不但能夠提高鉆井液黏度和切力，還能形成不溶性膠團(tuán)，起到封堵降濾失的效果。因此，該劑在低土相鉆井液中也能起到增黏提切的作用，并能夠降低濾失量，解決了高鹽、低黏土相、高密度鉆井液的高溫懸浮降濾失難題。

2　鉆井液配方研究

低土相高密度抗鈣欠飽和鹽水鉆井液體系的研究思路是通過減少鈉膨潤(rùn)土的加量， 并使用鉀離子抑制鈉膨潤(rùn)土的水化， 降低鉆井液對(duì)鈣離子的敏感性， 提高鉆井液抗鈣能力；通過使用增黏降濾失劑DSP-1， 解決由于土相減少造成的流變性差、 黏度切力不足、 加重材料懸浮穩(wěn)定性下降以及濾失量增大等問題；高密度是平衡高地層壓力， 穩(wěn)定井壁的有效措施；使用欠飽和鹽水體系， 防止鹽膏層過度溶解形成 “大肚子” 井段。所用基本配方如下。

1#自來水+0.5%鈉膨潤(rùn)土+0.1%KPAM+（0.5%～2%）DSP-1+1%SPNH+1%AP-1+5%KCl+ 30%NaCl+ 0.4%NaOH+2.5%FF-Ⅱ+重晶石， 密度為2.0 g/cm3

體系中KPAM、AP-1與氯化鉀協(xié)同作用：對(duì)土相的含量和分散性進(jìn)行有效控制； SPNH有降濾失及調(diào)流型的作用；FF-Ⅱ?yàn)楦男詾r青粉，用于降低高溫高壓濾失量、穩(wěn)定井壁。

2.1增黏降濾失性能

在基本配方中分別加入0.5%、1%、2%的增黏降濾失劑DSP-1，并測(cè)定鉆井液基本性能和重晶石靜態(tài)沉降穩(wěn)定性［3］，結(jié)果如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果分析可知，在DSP-1加量為0.5%時(shí)，鉆井液的黏度、切力不足，重晶石沉降明顯，上層和下層密度差達(dá)0.62 g/cm3；加量為1%時(shí)，能夠滿足懸浮重晶石的要求，上下密度差小；當(dāng)加量為2%時(shí)，黏度切力較大。因此將增黏降濾失劑加量確定為1%。

表1　DSP-1不同加量下鉆井液的基本性能

2.2潤(rùn)滑性能

選取了聚合醇潤(rùn)滑劑、塑料小球、低熒光潤(rùn)滑劑HY-203、極壓潤(rùn)滑劑HEP、改性石墨、乳化石蠟等多種潤(rùn)滑劑，加入加重鉆井液基本配方中，使用OFI-112型極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定其潤(rùn)滑效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入HEP后的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為78%，而其余幾種常見潤(rùn)滑劑在高密度鉆井液中的潤(rùn)滑系數(shù)降低率均低于30%，潤(rùn)滑效果較差。HEP是含有特殊成分的油基潤(rùn)滑劑，其可以通過化學(xué)吸附作用改善鉆桿和加重材料的摩擦面，對(duì)高密度鉆井液有良好的潤(rùn)滑效果，因此選擇HEP作為潤(rùn)滑劑。

2.3D-ULTRACAL鉆井液配方及性能

通過鉆井液處理劑的優(yōu)選及配方研究，統(tǒng)籌調(diào)整鉆井液流變性、濾失量、抗鈣等性能，優(yōu)選出的D-ULTRACAL鉆井液配方如下。

2#自來水+0.5%鈉膨潤(rùn)土+0.1%KPAM+1% DSP-1+1%DSP-2+1.5%DSP-X+1%SPNH+1%AP-1+ 4%HEP+2.5%FF-Ⅱ+5%KCl+30%NaCl+0.4% NaOH +重晶石，密度為2.0 g/cm3

按照GB/T 16783.1—2014中的方法測(cè)試了D-ULTRACAL鉆井液的性能，結(jié)果如表2所示。可以看出，該體系在室溫、120 ℃和150 ℃老化后，仍然有比較高的切力，有利于懸浮加重材料和攜帶巖屑；180 ℃老化后，切力變小，有固體沉淀物析出。

2.3.1抗氯化鈣污染能力

向300 mL配制的D-ULTRACAL鉆井液中分別加入4、 8、 12 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的氯化鈣水溶液，測(cè)定其基本性能，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著鈣離子濃度升高，鉆井液老化后黏度、 切力降低，濾失量增加，說明鈣離子加速了聚合物的降解；在4 936 mg/L鈣離子和高溫共同作用下，D-ULTRACAL鉆井液仍保持較好的性能，能夠解決高密度鉆井液鉆遇大段石膏層或遇到氯化鈣鹽水時(shí)的鈣污染問題。

表2　D-ULTRACAL鉆井液的抗溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3　鈣離子侵入對(duì)D-ULTRACAL鉆井液性能的影響

2.3.2抑制性

選用勝利油田營(yíng)722平2井泥巖巖樣，經(jīng)水洗、 風(fēng)干、 粉碎、 過孔徑為2.00～3.20 mm的篩， 對(duì)D-ULTRACAL鉆井液進(jìn)行巖屑回收實(shí)驗(yàn)；使用頁(yè)巖膨脹儀進(jìn)行巖心膨脹實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可以看出，該體系具有較強(qiáng)的抑制性，可以控制頁(yè)巖水化分散，有利于井壁穩(wěn)定。

表4　D-ULTRACAL鉆井液的巖屑回收率和巖心膨脹量

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

Gir-24D井是位于土庫(kù)曼阿姆河右岸基爾桑氣田主體構(gòu)造高部位的一口大斜度開發(fā)井，該井二開井段地層為白堊系下統(tǒng)的阿普特階、巴雷姆階、戈捷里夫階，主要巖性為泥巖、灰?guī)r夾薄層石膏，凡蘭吟階開始出現(xiàn)膏鹽巖；侏羅系上統(tǒng)的提塘階為泥巖夾粉砂巖及薄層石膏，基莫利階為3層石膏層夾2層鹽層。設(shè)計(jì)在井深2 630 m進(jìn)入硬石膏層， 所以鉆至井深2 544 m進(jìn)入提塘階前，進(jìn)行小型實(shí)驗(yàn)。根據(jù)鉆井液的設(shè)計(jì)要求及井漿性能， 加入DSP-1、KPAM等處理劑的膠液，降低膨潤(rùn)土含量小于1%，調(diào)整NaCl含量至30%、KCl含量至4%～6%， 并加入加重材料使鉆井液密度提升至1.90 g/cm3， 測(cè)定性能制定轉(zhuǎn)換方案。轉(zhuǎn)換時(shí)根據(jù)小型實(shí)驗(yàn)情況，依次加入0.1%KPAM、1%DSP-1、1%DSP-2、1.5% DSP-X、 1%SPNH、 5%KCl、 30%NaCl、 1%AP-1、4%HEP，加重至密度為1.90 g/cm3，配合使用孔徑小于0.125 mm的細(xì)目振動(dòng)篩、串聯(lián)高低速離心機(jī)等固控設(shè)備，除去多余的土相和石膏，并保持鉆井液密度。轉(zhuǎn)換為低土相高密度抗鈣鉆井液后，測(cè)定膨潤(rùn)土含量、黏度、濾失量、離子濃度，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)換前后鉆井液性能如表5所示。

表5　低土相高密度抗鈣鉆井液轉(zhuǎn)換前后性能對(duì)比

轉(zhuǎn)換完成后， 每鉆進(jìn)100 m，加入20 m3由100 kg KPAM、200 kg AP-1 、200 kg DSP-1、200 kg DSP-2、300 kg DSP-X、200 kg SPNH、400 kg HEP配制的膠液維護(hù)。該井共鉆遇鹽層759 m，石膏層447 m，鉆井液性能穩(wěn)定，振動(dòng)篩返出鉆屑砂樣清晰，起下鉆正常，摩擦阻力不超過100 kN，高溫高壓濾失量低。二開井段鉆井周期計(jì)劃為60 d，實(shí)際天數(shù)為46 d，大大提高了該地層的鉆井時(shí)效，平均井徑數(shù)據(jù)如表6所示，井身質(zhì)量良好。低土相高密度抗鈣鉆井液表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗鹽鈣能力，解決了鉆巨厚石膏層鉆井液濾失及流變性能難以控制的問題。

表6　低土相高密度抗鈣鉆井液應(yīng)用井段井徑

4　結(jié)論

1.通過使用新型增黏降濾失劑DSP-1，減少了膨潤(rùn)土的加量，提高了鉆井液體系的抗鈣能力，并保持了較低的濾失量；鉆井液密度為2.0 g/cm3，有利于平衡高壓地層的壓力，防止井涌，穩(wěn)定井壁；鉆井液含有濃度接近飽和的氯化鈉，可以抑制鹽膏層的溶解。體系抗高溫達(dá)150 ℃，老化前后濾失量小；抑制性強(qiáng)，與自來水相比，巖屑回收提高率達(dá)113.7%，巖心膨脹降低率達(dá)80.5%；抗劣質(zhì)土污染能力強(qiáng)，抗鈣離子污染能力達(dá)4 936 mg/L。

2.在土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸基爾桑氣田Gir-24D井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，低土相高密度抗鈣鉆井液D-ULTRACAL在鉆巨厚鹽膏層特別是厚石膏層具備較好的流變性能和濾失性能，現(xiàn)場(chǎng)鉆井過程順利。

［1］樊相生， 曾李， 張勇， 等. 元壩地區(qū)高密度超高密度鉆井液技術(shù)［J］. 鉆井液與完井液，2014，31（2）：31-34. FAN Xiangsheng， ZENG Li， ZHANG Yong， et al. Ultrahigh density drilling fluid technology used in yuanba［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid，2014，31（2）：31-34.

［2］王杰東， 楊立， 鄭寧， 等. 瑪北1井四開抗高鈣鹽水侵鉆井液技術(shù)［J］. 鉆井液與完井液， 2013，30（6）：88-90. WANG Jiedong，YANG Li，ZHENG Ning，et al. The drilling fluids techniques on anti-contamination of calcium-rich brine in the fourth interval of mabei-1［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2013， 30（6）：88-90.

［3］林楓，由福昌，王勝翔，等. 加重鉆井液防重晶石沉降技術(shù)［J］. 鉆井液與完井液，2015，32（3）：27-29. LIN Feng， YOU Fuchang，WANG Shengxiang，et al.Study on prevention of barite sedimentation in weighted drilling fluids［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015， 32（3）：27-29.

A Calcium Tolerant High Density Low Clay Drilling Fluid

WANG Shuyong1，2， ZHAO Xiaoping3， LU Benzheng1， LIU Xiangxing1，2
（1. Engineering Center of Oilfield Chemistry of the Research Institute of Science and Technology， China University of Petroleum， Dongying， Shandong 257061；2. Shandong Deshunyuan Petroleum Science and Technology Corporation Limited， Dongying， Shandong 257066；3. Tarim Branch of Shengli Petroleum Engineering Ltd.， Sinopec， Korla， Xinjiang 841000）

The formation rocks of the Kimmeridgian stage on the right bank of the Amu Darya River， Turkmenistan， are halite and gypsum stone. High density drilling fluids used to drill this formation have always been contaminated by calcium and magnesium from the high pressure formation water， resulting in poor mud rheology and high filtration rate. The deteriorated mud rheology and filtration performance in turn resulted in other downhole troubles. A calcium tolerant high density low clay drilling fluid，D-ULTRACAL was developed to deal with these problems. A filter loss reducer， DSP-1， was used in the drilling fluid. DSP-1 can increase the viscosity of the drilling fluid， in this way reducing the clay content， improving the calcium tolerance and minimizing the filter loss of the drilling fluid. The density of the drilling fluid was 2.0 g/cm3， sufficient to prevent well kick and to protect the borehole wall from collapsing. The drilling fluid had salt content almost to saturation to minimize the dissolution of the salt and gypsum rocks. The properties of the drilling fluid remained stable at temperatures up to 150 ℃， and the filtration rate was only slightly affected by high temperature aging. On a hot rolling test， the percent recovery of shale cuttings reached 113.7%， and on a shale core swelling test， the percent reduction in the expansion of shale cores was 80.5%， indicating the strong inhibitive capacity of the drilling fluid. Calcium tolerance of the drilling fluid was 4 936 mg/L. This drilling fluid has been used to drill the well Gir-24D，which is located in the Girsan gas field， right bank of the Amu Darya River， Turkmenistan， and the thick salt and gypsum rock formations were successfully penetrated with no downhole troubles.

Low clay drilling fluid； High density drilling fluid； Calcium tolerant； Under-saturated saltwater

TE254.3

A

1001-5620（2016）05-0041-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.008

王樹永，高級(jí)工程師，1971年生，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）泥漿專業(yè)，研究領(lǐng)域?yàn)殂@井液體系和鉆井液處理劑研究、鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)等。電話 （0546）8219266；E-mail：wangsy@deshunyuan.com。

（2016-4-8；HGF=1604M4；編輯馬倩蕓）