渤海淺層大位移井用聚合物鉆井液技術優化

胡進軍

（中海油服油田化學事業部油化研究院，河北燕郊 065201）

隨著渤海油田開發深入，需要動用越來越多的邊部、低產能、效益差的邊際油田，大位移井鉆井技術作為一種經濟有效的開發邊際油田的手段，其鉆井液技術起著重要作用[1，2]。在目前渤海某油田已實施的大位移鉆井基礎上，總結分析了A 區塊淺層大位移井存在的問題，主要表現為：（1）淺部明化鎮組地層含大段軟泥巖，容易水化膨脹而引起井壁失穩，同時破碎的鉆屑容易水化分散造漿引起鉆井液黏度上漲造成ECD 升高而誘發井漏；（2）大位移井長裸眼井段容易因鉆井液潤滑性不好而出現定向托壓和起下鉆摩阻扭矩大的問題[3]。為此，室內針對渤海現場常用聚合物體系的抑制性能和潤滑性能進行評價分析，并進行了優化改進，助力大位移井極限延伸。

1 現場聚合物鉆井液存在的問題

1.1 泥巖抑制性能差

淺層大位移井現場作業過程中，如果鉆井液的抑制性能不足，進入鉆井液的泥巖鉆屑容易水化分散造漿，造成鉆井液黏度大幅度上漲，導致現場鉆井液性能維護困難。同時泥巖井段井壁容易水化膨脹造成井壁失穩，形成大肚子或者糖葫蘆串井眼，導致泥巖鉆屑難以被鉆井液攜帶返出[4-6]，更容易形成泥球、泥包鉆頭的現象[7，8]。室內收集了現場淺層明化鎮組泥巖鉆屑，通過干燥、磨粉、篩分后得到100～200 目的泥巖鉆屑粉開展鉆井液抗鉆屑污染實驗，結果（見表1）。

由表1 可知，現場聚合物體系在經鉆屑污染后流變波動較大，20 %鉆屑污染下，AV 上漲率超過60 %，黏切大幅度上漲，特別是6 轉讀值，漲幅超過200 %，鉆井液流態嚴重惡化。鉆進時會因ECD 升高而壓漏地層，同時還會造成憋泵、憋阻、鉆頭泥包等復雜問題。

1.2 潤滑減阻性能差

現場聚合物體系一般采用PF-LUBE 作為潤滑劑，加量為2 %。室內采用Fann 極壓潤滑儀、NZ-3A 泥餅黏滯系數儀評價了其潤滑減阻性能，實驗結果（見表2）。

由表2 可知，現場聚合物體系潤滑性不足，潤滑系數＞0.1，黏滯系數＞0.1。潤滑性能不佳的情況下，大位移井長裸眼段摩阻扭矩會增加，導致定向托壓頻繁，影響機械鉆速。

2 現場聚合物鉆井液優化技術對策

2.1 抑制性能優化技術對策

表1 渤海某油田A 區塊現場聚合物體系抗鉆屑污染性能（80 ℃、16 h）

表2 渤海某油田A 區塊現場聚合物體系潤滑性能（80 ℃、16 h）

渤海某油田A 區塊淺層明化鎮組含大段軟泥巖，淺層大位移井的設計大幅增加了泥巖井段裸眼長度。由于現場用聚合物體系抑制性不足，泥巖井壁在其長時間浸泡下會因水化膨脹而引起井壁失穩，出現較大的井徑擴徑現象，嚴重影響井下安全。針對該問題，可通過增強鉆井液抑制性、提高鉆井液固相容量限、控制鉆井液流變穩定性能，來避免強造漿地層鉆井液黏度大幅上漲，防止起泥球、鉆頭泥包、憋泵、憋扭矩等情況發生[9]。室內通過在原聚合物體系基礎上引入錨定抑制劑HIB-Y，來抑制黏土水化分散和水化膨脹，從而增強鉆井液的抑制性，達到控制鉆井液的流變和穩定泥巖井壁的目的。

HIB-Y 是一種小分子插層抑制劑，一種具有類似錨鏈屬性的多點抑制劑，與水作用產生堿性的同時，其自身解離為一類具有能與黏土負電性顆粒吸附性能的陽離子化合物，具有較高的離子濃度。其水溶液的弱堿性及弱離解性能使得其離子濃度一直處于平衡狀態，可持續與在地層孔隙表面的黏土中最活躍易于水化的基團作用，吸附覆蓋在表面，進一步抑制黏土的水化分散。其抑制作用具有長效性，抗沖刷能力強，保證鉆井作業結束后也具有長時間的地層抑制效果。

2.2 潤滑性能優化技術對策

A 區塊大位移井水垂比一般大于2，且造斜段較長，裸眼段井斜較大，鉆具由于重力作用基本躺在下井壁上，現場鉆井液潤滑性能不足的情況下，會大幅度增加鉆具與井壁之間的摩擦阻力，相應扭矩值也會上升，嚴重影響機械鉆速和井下安全[10]。針對該問題，室內通過在原聚合物體系基礎上引入高效潤滑劑LUBE-HB，來增強鉆井液潤滑性、提高鉆具抗磨能力、減少泥餅黏滯阻力，從而達到降低摩阻扭矩的目的。

LUBE-HB 主要由植物油通過改性制得，由自帶吸附基的表面活性劑以及納微米材料組成。分子結構中含有醚鍵（-O-）、酰胺基（-CONH2）等極性基團，可使潤滑劑在巖石、泥餅和鉆具表面形成潤滑吸附膜。由于分子間作用力的關系，吸附膜具有一定的抗壓耐磨能力，可有效阻止巖石或者泥餅和鉆具直接接觸，從而起到潤滑減阻作用。同時大分子鏈上引入耐溫抗鹽基團，具有良好的耐溫抗鹽能力。引入納微米材料，可以起到填充由摩擦造成的磨痕凹槽，降低磨損。該劑相對分子質量適中，鉆井液流變性影響較小。

3 聚合物鉆井液性能優化與評價

3.1 抑制性能優化與評價

目前抑制性評價主要采用滾動回收法和線性膨脹法。室內研究發現，滾動回收法只能使用活性軟泥頁巖進行實驗，硬脆性泥頁巖清水回收率普遍較高，無法對抑制性進行評價；線性膨脹法可對無機鹽類抑制劑進行評價，但無法評價低分子聚合物類抑制劑，因為質量濃度越大膨脹量反而越大。而且這兩種方法都只用于宏觀現象分析，缺乏微觀數據支持。為此，建立了一套抑制性評價新方法，包括高速離心法、抑制黏土造漿法和激光粒度分析法，前2 種方法可從宏觀角度進行分析，第3 種方法可以從微觀角度進行分析，而且這套方法操作簡單、平行性好。采用新建立的評價方法，在原聚合物體系基礎上引入不同類型抑制劑后對其抑制性進行了評價。

3.1.1 高速離心分離法 在原聚合物體系基礎上引入不同類型抑制劑，在80 ℃下老化16 h 后，取濾液10 mL，向其中各加入3 g 膨潤土，充分搖勻并水化24 h 后進行高速離心實驗，做4 個平行樣品實驗，取平均值做圖（見圖1）。離心前液體體積均為50 mL，離心后清澈液體積越大，說明抑制性越強。

圖1 高速離心分離法實驗數據作圖

由圖1 可知，加入HIB-Y 抑制劑的鉆井液濾液離心出45 mL 自由水，對比空白樣抑制性提高超過100%，對比3 %聚胺抑制劑提高18.4 %，對比7 %KCl 提高12.5 %，說明HIB-Y 抑制黏土膨脹性能最優。

3.1.2 抑制黏土造漿法 考慮到濾液用量較大，為降低濾液獲取難度，將與抑制性影響不大的增黏劑、降濾失劑和重晶石去掉后再配制鉆井液。各取濾液300 mL，加入質量分數分別為10 %、20 %、30 %、40 %、50 %的膨潤土，80 ℃下老化16 h 后測流變性。以加入膨潤土的質量分數為橫坐標，表觀黏度AV 為縱坐標做圖（見圖2）。由圖可知空白（現場鉆井液）抑制性最差，表觀黏度AV 上漲幅度最大，當膨潤土加量為50 %時，六速測試超出量程，無法計算表觀黏度；加入3 %的聚胺抑制劑和7 %KCl 雖然有一定抑制黏土造漿的作用，但隨著膨潤土含量增加，濾液表觀黏度上漲幅度增大，差異性逐漸顯露；而加入HIB-Y 的鉆井液濾液表觀黏度AV 隨膨潤土加量增加上漲的幅度最小，說明其抑制黏土造漿性能最優。

圖2 各配方濾液AV 隨黏土加量增加變化趨勢圖

表3 激光粒度分析實驗結果

3.1.3 激光粒度分析法 在各配方濾液中加入過200目標準篩并烘干的膨潤土，配成5 %的膨潤土漿，水平放置于振蕩器上并每間隔2 h 振蕩30 min，從開始振蕩計時，在水化24 h 后進行激光粒度分析，分別讀取d10值、d50值、d90值和D[4，3]（體積平均粒徑），結果（見表3）。

由表3 可知，加入HIB-Y 的鉆井液濾液的d10、d50、d90和D[4，3]最大，黏土顆粒的水化分散活性在該抑制劑的作用下得到了很好的抑制。

通過在原聚合物體系的基礎上引入3 %HIB-Y 抑制劑，可以有效增強鉆井液抑制性能，防止泥巖井壁失穩。

3.2 潤滑性能優化與評價

現場常規評價鉆井液潤滑性能的手段主要是通過黏滯系數儀測定其API 失水泥餅的黏滯系數，而室內則主要通過極壓潤滑儀測定鉆井液的極壓潤滑系數，但這兩種評價方法都無法反映鉆具在承壓狀態下與套管及井壁之間摩擦造成的磨損情況。采用KMY201-1A抗磨測試儀對這一情況進行了模擬：在一定外力負荷下，鋼珠與磨輪在鉆井液浸泡下相互摩擦滑動，隨著負荷的增加，也就是在不斷增加砝碼的過程中，以最終潤滑膜破裂，鋼珠和磨輪抱死時的砝碼數量作為依據，來評價潤滑劑抗磨性能的情況。分別采用這三種評價方法，在原聚合物體系基礎上引入不同類型潤滑劑后對其潤滑性進行了對比評價，結果（見表4、圖3）。

由表4、圖3 可知，LUBE-HB 具有最低的潤滑系數和最高的抗磨滑塊數，表現出更好的潤滑、抗磨和減阻性能。通過在原聚合物體系的基礎上引入2 %～3 %LUBE-HB 潤滑劑，對比現場用PF-LUBE 潤滑性能提高近40 %，可以有效降低大位移井長裸眼段摩阻扭矩。

表4 聚合物體系優化后潤滑性能對比（80 ℃、16 h）

圖3 各潤滑劑不同加量下潤滑系數降低率變化趨勢對比

4 結論

（1）渤海某油田A 區塊現場作業鉆井液為聚合物體系，由于抑制性與潤滑性能不足，井下復雜問題頻發，主要表現為淺部泥巖井壁失穩垮塌、鉆井液增稠引起憋泵壓、憋漏以及長裸眼段摩阻扭矩大等問題。

（2）針對現場聚合物體系抑制性不足的問題，通過引入錨定抑制劑HIB-Y，將鉆井液體系抑制性提高超過100 %，抗泥巖鉆屑污染能力得到大幅增強，同時可以有效防止淺層泥巖井壁因水化而造成的失穩垮塌。

（3）針對現場聚合物體系潤滑性不足的問題，通過引入高效潤滑劑LUBE-HB，將鉆井液體系潤滑性能提高近40 %，抗磨減阻能力大幅增強，可以有效降低大位移井長裸眼段的摩阻扭矩。