粘土防粘劑的研制與性能評(píng)價(jià)

吳海濤　張思頓　范俊強(qiáng)　劉宇　尹虎

摘要：針對(duì)東方氣田快速鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的大量泥球?qū)е缕鹣裸@不暢、井眼憋漏、卡鉆等復(fù)雜情況，室內(nèi)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研制開(kāi)發(fā)出抑制鉆屑相互粘結(jié)的粘土防粘劑HCBI，通過(guò)泥球生成模擬實(shí)驗(yàn)以及對(duì)粘土防粘劑HCBI的性能評(píng)價(jià)，主要包括流變性能、濾失性能、潤(rùn)滑性能、抑制性能、儲(chǔ)層保護(hù)性能和抑制泥球形成性能進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鉆井液體系中加入3%粘土防粘劑HCBI，體系的粘滯系數(shù)從0.1406降低到0.0437，熱滾回收率高達(dá)89.4%，滲透率恢復(fù)值>80%，露頭巖樣和現(xiàn)場(chǎng)鉆屑模擬實(shí)驗(yàn)均無(wú)泥球生成。

關(guān)鍵詞：防粘劑；鉆井液；泥球；儲(chǔ)層保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 254 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2017）01-0017-04

在東方氣田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，成功地實(shí)施了快速鉆井，取得了突破性的成功。但是，隨著快速鉆井技術(shù)的實(shí)施，也帶來(lái)了一些技術(shù)問(wèn)題，例如在東方氣田的鉆井過(guò)程中，當(dāng)鉆遇淺層大段質(zhì)純而軟的活性粘土層段時(shí)由于鉆速快，產(chǎn)生大量的鉆屑，井筒內(nèi)鉆屑濃度高，鉆屑顆粒之間容易發(fā)生相互碰撞繼而相互粘結(jié)，形成大量的泥球，特別是在大斜度井返速低的井眼段，形成泥球的情況更加嚴(yán)重，這將會(huì)造成環(huán)空間隙變窄，起下鉆不暢，嚴(yán)重時(shí)環(huán)空不通，憋漏井眼，卡死鉆具，給作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。

通過(guò)控制鉆井液體系中的土含、聚合物加量，并提高鉆井液體系的抑制性能的確能夠有助于抑制泥球的形成，但當(dāng)鉆屑濃度過(guò)大時(shí)，調(diào)整以上因素也不能完全抑制泥球的形成，所以，必須要研制出一種能夠改變鉆屑表面性質(zhì)，防止鉆屑顆粒發(fā)生相互粘結(jié)、形成泥球的粘土防粘劑，而且要求該處理劑不會(huì)給原來(lái)的鉆井液性能帶來(lái)不利的影響。因此，筆者從“改變鉆屑表面性質(zhì)”這一技術(shù)思路出發(fā)，室內(nèi)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研制開(kāi)發(fā)出抑制鉆屑相互粘結(jié)的粘土防粘劑，并對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。

1 粘土防粘劑的篩選

通過(guò)大量的室內(nèi)合成和復(fù)配實(shí)驗(yàn)，研制出四種粘土防粘劑A、B、C、D。分別對(duì)室內(nèi)研制的粘土防粘劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以便篩選出性能優(yōu)良的粘土防粘劑以抑制泥球的形成。

1.1 鉆井液的配置

選用以往實(shí)驗(yàn)中易起泥球的鉆井液配方如下：5%土+0.3%PF-NPAN+0.3%PF-PAC（LV）+0.4%PF-PLUS+3%KCl+1%PF-GR A+1%PF-WLD+2%PF-JLX+3%粘土防粘劑

1.2 泥球生成模擬實(shí)驗(yàn)

分別在上述測(cè)定流變性能的鉆井液中加入50%相同粒度級(jí)配（14～18目50%，20～40目25%，60～80目15%，150目以下10%）的露頭巖樣后，放入翻轉(zhuǎn)老化罐中，在模擬井下溫度的條件下熱滾2h，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（圖1），實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不加入粘土防粘劑的鉆井液中，會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的泥球現(xiàn)象，而加入了一定量室內(nèi)篩選出的粘土防粘劑后都在一定程度上可以抑制泥球形成，但粘土防粘劑D（HCBI）效果優(yōu)于防粘劑A、B、C，加入3%的該防粘劑HCBI能夠在鉆屑含量非常高的情況下有效地抑制住泥球的形成。

這主要是由于在含有大量鉆屑的鉆井液中加入一定量的粘土防粘劑，可以有效地改變鉆屑的表面性質(zhì)，使得原來(lái)水潤(rùn)濕的鉆屑變?yōu)橛蜐?rùn)濕，從而改變了粘土表面結(jié)合水和帶電的狀況，抑制其相互之間發(fā)生粘結(jié)，形成泥球。

2 粘土防粘劑性能評(píng)價(jià)

在鉆井液體系中加入一定量的粘土防粘劑，可以抑制鉆屑之間相互粘結(jié)進(jìn)而形成泥球，同時(shí)也希望該處理劑對(duì)鉆井液的工藝性能不要產(chǎn)生不利影響，室內(nèi)通過(guò)實(shí)驗(yàn)考察該粘土防粘劑HCBI對(duì)東方1-1油田所使用的鉆井液體系其它性能的影響，鉆井液配方如下：

基漿：4%土+0.3%PF-NPAN+0.3%PF-PAC（LV）+0.3%PF-PLUS+3%KCl+1%PF-GRA+I%PF-WLD+2%PF-JLX

防泥球鉆井液：4%土+0.3%PF-NPAN+0.3%PF-PAC（LV）+0.3%PF-PLUS+3%KCl+1%PF-GRA+1%PF-WLD+2%PF-JLX+粘土防粘劑

2.1 流變性能、失水造壁性能及潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

分別測(cè)定原鉆井液體系以及加入不同量的粘土防粘劑后體系的流變性能、潤(rùn)滑性能以及濾失量，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在原鉆井液體系中加入不同量的粘土防粘劑HCBI，鉆井液體系的濾失量、表觀(guān)粘度變化較小，泥餅粘滯系數(shù)逐漸降低。由此可知，HCBI對(duì)原鉆井液體系的濾失量、流變性能影響較弱，而且在一定程度上能夠提高原鉆井液體系的潤(rùn)滑性能，減小摩擦阻力，提高鉆速。

2.2 抑制性能評(píng)價(jià)

分別測(cè)定原鉆井液體系以及加入不同量的粘土防粘劑后體系的熱滾回收率。熱滾回收率的測(cè)定：分別取6～10目露頭巖樣50g加入到上述350mL鉆井液中，在80℃中熱滾16h后，將熱滾后的鉆井液過(guò)40目篩，并把不能通過(guò)40目篩的巖樣在105℃下烘干24h后，稱(chēng)重，計(jì)算熱滾回收率，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如（表3）所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著粘土防粘劑HCBI加量的增大，鉆井液體系的巖屑熱滾回收率變化不大并略有升高，這主要是因?yàn)樵撎幚韯┠軌蚋淖冦@屑的表面性質(zhì)，使其從水潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐?rùn)濕，在一定程度上可以抑制鉆屑的水化分散。所以，該處理劑對(duì)原鉆井液體系的抑制性能沒(méi)有不良影響。

2.3 儲(chǔ)層保護(hù)性能

為了考察粘土防粘劑HCBI對(duì)原鉆井液體系儲(chǔ)層保護(hù)性能的影響，室內(nèi)分別測(cè)定了加入該處理劑的鉆井液體系與原鉆井液體系的滲透率恢復(fù)值，實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果（表4）所示。

室內(nèi)采用高溫高壓動(dòng)失水儀模擬鉆井條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)污染實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）將洗油、干燥后的巖心抽真空12h以上，再將除去空氣的地層水注入容器中，繼續(xù)真空飽和6h以上；（2）將巖樣放入巖心夾持器中，施加一定的圍壓后，在一定流量條件下，正向測(cè)定巖心的煤油滲透率Ko；（3）在動(dòng)態(tài)條件下，讓油基鉆井液反向污染巖心，模擬條件：壓差3.5MPa；溫度90℃；速梯200s^-1；污染時(shí)間120min；（4）在施加與巖樣污染前相同的圍壓條件下，用相同穩(wěn)定流量驅(qū)替，正向測(cè)定巖心損害后的煤油滲透率K_d，并計(jì)算其滲透率恢復(fù)值（K_d/K_o）：

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，原鉆井液具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，其滲透率恢復(fù)值大于80%，加入了一定量的粘土防粘劑HCBI后，對(duì)鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果基本沒(méi)有影響。

2.4 抑制泥球形成的性能評(píng)價(jià)

（1）鉆井液的配置

①基漿配方：5%土+0.3%PF-NPAN+0.3%PF-PAC（LV）+0.4%PF-PLUS+3%KCl+1%PF-GRA+1%PF-WLD+2%PF-JLX

②抑制泥球形成的鉆井液配方：基漿+粘土防粘劑HCBI

（2）泥球生成模擬實(shí)驗(yàn)

①露頭巖樣：分別在上述鉆井液中加入50%相同粒度級(jí)配（14～18目50%，20～40目25%，60～80目15%，150目以下10%）的露頭巖樣后，放入翻轉(zhuǎn)老化罐中，在模擬井下溫度的條件下熱滾2h，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（圖2）。

此外，室內(nèi)進(jìn)行了大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在基漿中加入3%粘土防粘劑HCBI后進(jìn)行泥球模擬實(shí)驗(yàn)20次，均沒(méi)有泥球產(chǎn)生，由此可以看出粘土防粘劑HCBI能夠有效地防止泥球形成，抑制泥球生成概率小于5%。

②現(xiàn)場(chǎng)鉆屑：最后，選用現(xiàn)場(chǎng)取回的東方1-1油田易起泥球段巖屑進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。分別在上述鉆井液中加入50%相同粒度級(jí)配（14～18目50%，20～40目25%，60～80目15%，150目以下10%）的現(xiàn)場(chǎng)鉆屑后，放入翻轉(zhuǎn)老化罐中，在模擬井下溫度的條件下熱滾2h，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（圖3）。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用現(xiàn)場(chǎng)鉆屑進(jìn)行粘土防粘劑HCBI的性能評(píng)價(jià)，與采用露頭巖樣進(jìn)行的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，無(wú)論是露頭巖樣還是現(xiàn)場(chǎng)鉆屑，粘土防粘劑HCBI都表現(xiàn)出了較好的防止鉆屑顆粒相互粘結(jié)的性能，能夠有效地防止泥球的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

在一定的鉆速范圍內(nèi)，對(duì)于某一鉆井液體系，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其粘土量限，將土含控制在粘土量限以?xún)?nèi)。控制鉆井液體系的低土含有助于抑制泥球形成。在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工程要求的前提下，控制鉆井液體系的粘度有助于抑制泥球的形成，提高鉆井液的抑制性能有助于抑制泥球的形成，但當(dāng)鉆屑含量較大時(shí)，僅靠增加抑制性是不能防止泥球形成的。

（1）根據(jù)改變鉆屑表面性質(zhì)這一技術(shù)思路，研制的粘土防粘劑HCBI能夠有效地抑制泥球的產(chǎn)生，使得泥球的形成概率小于5%，而且該處理劑不會(huì)對(duì)鉆井液體系的其他性能帶來(lái)不利影響。

（2）粘土防粘劑HCBI在2～3%作用效果明顯，其具體加量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆速等條件來(lái)確定。

（3）為了有效地抑制泥球的形成，應(yīng)盡可能地控制鉆井液體系中鉆屑以及固相含量。應(yīng)將鉆速調(diào)整到合理的范圍內(nèi)，并加強(qiáng)固控，減少鉆井液中固相含量，避免鉆屑顆粒在鉆井液中循環(huán)形成泥球。