KCl-聚胺鉆井液技術研究與應用

胡清富，王向陽，裴紅軍，司小東，張立剛

（大慶鉆探工程公司國際事業部，黑龍江大慶163318）

魯邁拉油田位于伊拉克南部，是超巨型油田，位居世界第六，是國際各大石油巨頭角逐的市場，競爭異常激烈。尤其自2015年以來，國際原油價格持續走低，加之伊拉克國內動亂，政府資金不足，魯邁拉油田甲方不斷減少鉆井投資來縮減油田開發支出。同時魯邁拉油田地質條件復雜，三開Mishrif、Zubair 層頁巖剝落嚴重，滲漏頻繁。激烈的市場競爭和復雜的地質條件給承包商帶來巨大生存壓力，為了能夠滿足國際鉆井液技術服務要求，通過對原有的無固相氯化鉀鉆井液體系不斷改進和優化，最終形成了目前正在使用的KCl-聚胺鉆井液體系。

1 基本概況

KCl 聚合物鉆井液體系由于其在頁巖井壁穩定和油層保護方面的突出特點，在國際鉆井行業中被廣泛使用。截止目前，大慶伊拉克魯邁拉項目8-1/2″井眼鉆井液的發展共經歷了3個階段，分別是抗鹽聚合物鉆井液體系階段，無固相KCl 聚合物鉆井液體系階段和目前正在使用的KCl-聚胺鉆井液體系階段。2018～2020年，為實現提速目標，通過大量的室內實驗和現場實踐，對無固相KCl 聚合物鉆井液體系做了全面的優化，研制出新型的KCl-聚胺鉆井液體系，該體系不但流型易調整、井眼凈化能力好、油層保護能力強，而且具有更好的頁巖抑制能力，頁巖層段井徑質量顯著提高，針對井型的復雜化，做了大量的提高泥漿潤滑性的實驗，取得了明顯的效果。在已完成井施工中，井下復雜明顯減少，而且減少了大量的短起下、通井作業，提速效果明顯。

2 地質特征和施工難點

三開地層中（Tnnuma、Ahmadi、Nahr Umm、U.shale 和Middle shale 等）存在易分裂的層狀頁巖，極易發生剝落坍塌，造成井下復雜。

Mishrif 和Zubair 兩個油層滲透率高，孔隙連通性好，易發生漏失。發生漏失后，極易引起頁巖層段井壁失穩。

Mishrif和Zubair層油層滲透率高，地層壓力低，易發生吸附粘卡。

8-1/2″井眼完井期間，測井項目較多，測井周期長，尤其是加測地層壓力、地層流體取樣等施工，增加了施工風險。

3 KCl-聚胺鉆井液體系的室內研究

3.1 處理劑優選

針對前期施工中存在的問題，在原有的無固相氯化鉀鉆井液體系的基礎上，通過室內實驗，優選降濾失劑、包被抑制劑、頁巖抑制劑、潤滑劑，優化處理劑加量，對體系進行進一步升級優化。

（1）優選降濾失劑。無固相氯化鉀鉆井液的失水控制是比較困難的，因為在有固相（采用膨潤土配漿）時，可形成較致密的泥餅，而無固相鉆井液不容易形成泥餅，失水控制就很困難。這就需要選擇降失水效果好的降失水劑，將無固相鉆井液的失水控制到較低的水平。為了達到良好的降失水效果，我們優選出PAC-LV 和CMC-LV 作為主要的降失水劑，配合CMS-HT，通過不同配比，調整鉆井液流型和失水。

（2）優選包被抑制劑。鉆井液的抑制能力是保證井壁穩定的重要指標。鉆井過程中泥頁巖表面吸附水分子，形成水化膜，而后水分子進入泥頁巖晶層間，使晶層間距離增大，泥頁巖發生體積膨脹以致分散。若鉆井液含鹽度低于泥頁巖中水相的鹽度，滲透水化現象將更嚴重，且滲透水化引起的體積膨脹比表面水化大得多。控制粘土水化膨脹、分散的方法主要有以下兩種：一是電中和作用，使（有機、無機）陽離子吸附在粘土上，降低電動電位，控制并降低粘土的水化作用；二是包被作用，使用長鏈大分子聚合物，利用其產生多點吸附，包被粘土表面，阻止泥頁巖與鉆井液中自由水的接觸，抑制泥頁巖的水化膨脹、分散。通過室內評價，我們優選出KPAM 和PHPA 通過一定比例復配，作為包被抑制劑使用。

（3）優選頁巖抑制劑。目前，國內外鉆井液常用的頁巖抑制劑主要為無機抑制劑與有機抑制劑兩大類，無機抑制劑主要包含石膏、芒硝、碳酸鉀、氯化鉀等；有機抑制劑主要包含瀝青類、有機硅類、環氧類聚合物、聚合醇類、聚酰胺類以及腐植酸類等。本項目無機抑制劑使用的是KCl，通過優選實驗，有機抑制劑選用抗鹽效果較好的聚合醇及胺基聚醇，通過膨脹性實驗與回收率實驗，確定聚合醇及胺基聚醇具有較好的頁巖抑制效果，完全滿足施工要求。

（4）優選潤滑劑。隨著項目的深入，S 型和J 型定向井越來越多，位移也越來越大，對鉆井液潤滑性的要求越來越高，高效潤滑劑可有效提高鉆井液潤滑性能，是國內外解決水平井摩阻問題的主要關鍵技術之一。目前，國內外的鉆井液潤滑劑大約有15大類170多種，經過反復的實驗驗證，我們最終優選出白油和Non foaming E.P.Lubricant 作為液體潤滑劑，Graphite Powder作為固體潤滑劑。

3.2 鉆井液性能評價

3.2.1 鉆井液的常規性能對比

從室內實驗結果看（見表1），優化后的鉆井液性能要好于優化前，尤其是泥餅質量更加薄而致密，降濾失效果更好，這對頁巖地層的穩定高滲透砂巖地層泥餅厚度的控制更加有利。

表1 優化前后鉆井液的性能對比

3.2.2 抑制性

采用伊拉克魯邁拉Tanuma 層的頁巖巖屑做回收率和16h 膨脹率，測得巖屑在優化后的KCl-聚胺鉆井液體系中的回收率和膨脹率有明顯優化（見表2）。

表2 體系優化前后膨脹率的對比評價

3.2.3 潤滑性

通過對比優化前后鉆井液體系的摩阻系數來評價鉆井液潤滑性，實驗數據表明，優化后的KCl-聚胺鉆井液體系摩阻系數由0.05 降至0.03，明顯高于優化前的鉆井液。

3.2.4 抗溫性

伊拉克魯邁拉區塊Zubair 油層開發井，井底溫度約為100℃，在該溫度下對優化后的鉆井液體系做了抗溫性試驗，優化后的鉆井液體系的抗溫性穩定，當巖屑污染達到15%時，鉆井液性能依然表現良好（見表3）。

3.2.5 油氣層保護

由于粒徑匹配的碳酸鈣作為橋接劑和加重劑，并加入了磺化瀝青，有效地改善了泥餅質量，提高了油層保護效果。采用國內低滲砂巖巖芯進行油氣層保護效果實驗，巖芯的滲透率恢復值能達到90%以上，說明該鉆井液體系能夠很好地起到油層保護效果（見表4）。

4 現場應用

4.1 現場應用情況

目前使用優化后的KCl-聚胺鉆井液體系已經完成25 口井的施工，性能表現良好，平均井眼擴大率2.25%，頁巖層段的擴大率從11.25%降至5.32%，現場 施工復雜明顯減少，取得了良好的效果（見表5）。

表3 KCl-聚胺鉆井液體系的抗溫、抗污染穩定性

表4 優化后KCl-聚胺鉆井液滲透率恢復值評價

表5 部分井油層鉆井液性能統計

4.2 現場應用效果

（1）流變性能好，KCl-聚胺鉆井液流變性穩定，在容易高度水化分散的泥巖地層鉆進，粘度保持在50s左右，靜切力適當，初切力為2～4Pa，終切力為4～8Pa，動塑比大于0.36Pa/mPa·s。

（2）抑制能力強，濾餅致密，韌性強，有較強的護壁性，鉆進期間無水化分散和剝落掉塊現象，平均井徑擴大率在2%左右。

（3）井眼凈化能力強，鉆井液懸浮能力強，鉆進過程中井口返砂良好，沒有出現阻卡現象。在通井循環到篩面干凈后，未出現測井、下套管遇阻情況。

（4）潤滑性良好，試驗井的鉆井液密度為1.20～1.25g/cm3，加入潤滑劑前摩阻系數有原來的0.15～0.2下降到不足0.1，滿足S型和J型井的施工要求。

5 結論和認識

（1）KCl-聚胺鉆井液具有攜屑性強、抑制能力強的特點。室內和現場試驗表明，該體系能夠滿足現場施工的要求。

（2）KCl-聚胺鉆井液固相含量低，使用可酸化的屏蔽暫堵材料，能夠有效保護儲層。

（3）KCl-聚胺鉆井液有效解決了魯邁拉區塊頁巖層井壁穩定問題，頁巖段井眼擴大率大幅減小。

（4）KCl-聚胺鉆井液具有較好的潤滑性，解決了定向井扭矩大的問題。

（5）KCl-聚胺鉆井液有效減少了井下復雜事故的發生，大大縮短了鉆井周期。