正電聚醇鉆井液體系性能及在水平井中的應用探討

白秋穎

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163000）

1 概述

隨著我國老油田多進入開發后期，油氣產量下降，主力油氣藏勘探及開發程度越來越高，為了尋找油氣資源接替量，各油田加大了對非主力油藏、非常規油氣資源的開發力度，這些油氣藏開發難度大，單井產量低，為了提升開發效益，多使用水平井開發，水平井井身結構復雜，鉆井施工難度大，對鉆井液性能要求較高，鉆井液的選擇是鉆井成功與否的關鍵因素之一[1]。鉆井液的作用除了冷卻鉆頭、攜帶巖屑、保持鉆具潤滑性外，還要求能夠提高井眼穩定性、保護油氣層[2]。正電聚醇鉆井液具有優良性能，在水平井鉆井過程中應用效果好，加強對正電聚醇鉆井液性能研究，在實鉆過程中合理選擇及優化鉆井液性能，對于保障水平井鉆井成功率具有重要意義。

2 水平井鉆井液要求

水平井井身結構特殊，不同于直井，水平井具有造斜段和較長的水平段，并且水平段能夠在儲層中穿行，由于井身結構特殊，受力情況不同，對鉆井液提出了更高的要求。

（1）鉆井液對井眼凈化。由于水平井井身結構特殊，在造斜段角度較大，研究表明，當井斜角在30°～60°之間時，巖屑容易堆積，形成巖屑床，巖屑床形成后，會越堆積越大，無法隨鉆井液循環出地面。巖屑床的形成通常是受到重力作用，巖屑堆積在井壁下方，一旦巖屑床形成，會增加鉆井液流動的阻力。在固井時，巖屑床的存在會影響泥漿頂替效率，造成固井水泥漿膠結出現問題，在巖屑床存在的部位，出現空隙，導致出現氣竄，影響固井質量。

（2）潤滑井眼及降低摩擦阻力。由于水平井存在造斜段和較長水平段，鉆柱受到重力作用，在造斜段和水平段鉆柱與井壁接觸，受到的摩擦阻力較大。為了保證鉆井順利施工，要求鉆井液具有較好的潤滑性，以降低摩阻。研究表明，水平井鉆井液的密度、粘度、液柱產生的壓力、鉆井液中固相顆粒及形成的泥餅等，都會影響鉆井摩擦阻力。因此，選擇合理的鉆井液體系，優化鉆井液性能，以便降低鉆具鉆井過程中摩擦阻力，減少鉆具損耗。

（3）穩定井壁。水平井水平段受重力作用，容易發生垮塌，特別是井壁長期浸泡在鉆井液中，一旦發生水化膨脹，發生垮塌的幾率大增。對于泥頁巖地層來說，更容易發生水化膨脹，因此，要求鉆井液必須具有較強的隔離效果，能夠在井壁上形成一層保護膜，保護膜能夠有效避免鉆井液中水分進入井壁，從而避免出現井壁垮塌。此外，鉆井液密度應配置合理，能起到支撐井壁的效果。

（4）保護儲層。由于水平井存在較長水平段，且水平段是在儲層中穿行，與儲層接觸面積大，如果鉆井液對儲層保護性差，會對油氣層造成不可逆轉的傷害，給后期采油生產作業帶來難題，影響油氣井產量。因此，水平井鉆井液對儲層的保護顯得尤為重要，必須優化鉆井液性能，在滿足鉆井施工要求的情況下，避免儲層傷害的情況發生。

（5）保護自然環境。水平井鉆井液為了滿足施工要求，在配制鉆井液體系時，通常需要加入抑制劑、潤滑劑及降濾失劑等各種添加劑，這些添加劑大多具有環境危害性，在施工過程中鉆井液撒到井場或廢液處理不當，都會造成土壤或地表污染，造成嚴重的環境污染，危及人類生活環境。因此，水平井鉆井液在設計時，必須考慮環保要求，將環境危害降至最低，以實現油田的可持續健康發展。

3 正電聚醇鉆井液作用機理

正電聚醇鉆井液體系的發展是基于正電醇鉆井液體系而來的，通過在正電醇鉆井液體系中引入陽離子基團，形成正電聚醇鉆井液體系，比普通的正電聚醇能夠起到更好的穩定井壁的效果。

正電醇分子結構的典型特征是有兩親結構（RO-R），在一定溫度下具有濁點效益。即在低溫情況下，正電聚醇分子具有親水性，當升高到一定溫度時，正電聚醇分子具有親油性，這個溫度的界限即為濁點[3]。正是由于正電聚醇鉆井液體系的濁點效應，使得水基鉆井液的正電聚醇能夠形成類似與油基鉆井液的泥餅，吸附在井壁上，同時還能形成膠團，能夠有效降低泥餅的滲透率[4]，由于其在井下溫度條件下具有親油疏水性，能夠在井壁與鉆井液之間形成封隔界面，有效地降低鉆井液中水分子向地層中流動。

正電聚醇鉆井液體系比普通正電醇鉆井液體系防塌效果更好。普通正電醇鉆井液屬于非離子型有機物，能夠吸附在井壁上是因為正電醇分子與地層礦物質分子形成氫鍵，但氫鍵的吸附力較弱。正電聚醇分子較普通正電醇分子在主鏈上加入了陽離子基團，形成了具有正電性的正電醇高分子化合物，對井壁的吸附力由普通的氫鍵變為電性吸附，吸附力大大增強，與井壁的膠結能力得到提升，防塌效果也更好。

4 正電聚醇鉆井液應用

泥頁巖地層通常具強水敏性和強應力的特點，隨著非常規油氣藏勘探成為熱點，特別是頁巖氣勘探受到重視，頁巖氣水平井的井壁穩定成為研究重點。以往對于強應力和強水敏性泥頁巖地層，水平井鉆井液多使用油基鉆井液，近年來對于環境保護的要求越來越高，油基鉆井液由于環境污染大，應用越來越少，正電聚醇等水基鉆井液應用較為普遍，該鉆井液體系不僅能夠提升鉆井施工效率，對井壁保護效果好，還能有效保護儲層，降低對環境的污染。在性能方面，正電聚醇鉆井液具有與油基鉆井液相同的效果，且對環境危害小，對于地質錄井油氣儲層發現干擾小，具有較好的技術經濟效益。

正電聚醇鉆井液體系通過向正電醇體系中引入陽離子基團，提升井壁保護效果。正電聚醇鉆井液中乳液大分子及多元聚合物能夠吸附在泥頁巖地層上，形成一層保護膜，具有親油疏水性，能夠阻止水分子與泥頁巖地層接觸，從而有效防止泥頁巖地層水化膨脹。目前油田常用的正電醇鉆井液體系配方采用膨潤土、正電聚醇、高分子絮凝劑、降濾失劑等，其實驗室測定的性能如表1所示。

表1 正電聚醇鉆井液體系性能分析

從表1中可以看到，正電聚醇鉆井液系統性能優異，滿足水平井鉆井施工要求，能夠有效保護井壁，對儲層保護效果好。

5 結束語

隨著油田進入開發后期，常規主力油氣藏開發程度越來越高，資源潛力有限，為了增儲上產，頁巖油、頁巖氣等非常規油氣資源受關注程度越來越高，有望成為重要的接替資源。頁巖油、頁巖氣等非常規油氣資源開發難度大，常規直井開發效益有限，水平井是提升單井產量的有效手段。但這類非常規油氣藏儲層多為泥頁巖，地層穩定性差，遇水易水化膨脹，對鉆井液提出了更高要求。正電聚醇鉆井液具有優良的特性，在水平井鉆井中具有較好應用效果，針對頁巖油氣水平井鉆井施工難題，需要不斷優化及提升正電聚醇鉆井液體系性能，提升水平井鉆井成功率，為油田可持續發展提供技術保障。