基于活性泥岩的聚合物-聚胺钻井液室内研究

2017-10-20胡伟

长江大学学报(自科版) 2017年17期

关键词：钻屑抑制性泥岩

胡伟

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

吴江

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057)

孙德忠

(中石油吉林油田分公司新民采油厂，吉林松原 138000)

岳前升

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

基于活性泥岩的聚合物-聚胺钻井液室内研究

胡伟

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

吴江

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057)

孙德忠

(中石油吉林油田分公司新民采油厂，吉林松原 138000)

岳前升

(长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023)

KL 9-1油田明化镇组发育大套泥岩，黏土矿物以高混层比的伊蒙混层为主，造浆性强，常规聚合物-氯化钾钻井液因抑制性不足而出现起下钻遇阻、井径缩径等现象。为提高钻井液抑制性，通过流变性试验、离心法膨胀试验、滚动回收率试验及高温高压膨胀试验优选出聚胺抑制剂SAC和大分子包被剂PAM，进而优化出一套聚合物-聚胺钻井液体系，其配方为：3%海水土浆+0.1%Na2CO3+0.3%PAM+0.5%降失水剂PANS+0.5%CMS+2%SMP-1+0.5%聚胺抑制剂SAC+0.5%石墨粉。性能测试结果表明，该钻井液泥岩滚动回收率高达93.3%，高温高压膨胀率仅为5.72%,抑制性能良好；高温高压滤失量为11.7mL，失水造壁性较好；流变性良好；污染后岩心渗透率恢复值大于80%，储层保护效果较好；其抑制性较前期使用的常规聚合物-氯化钾钻井液有显著提高，可以满足大套活性泥岩钻井作业需要。

聚胺钻井液；泥岩；聚胺抑制剂；包被剂；储层保护

KL9-1油田是渤海湾盆地一个新的待开发油田，明化镇组发育大套泥岩，黏土矿物以高混层比的伊蒙混层为主，水化膨胀和造浆性强，前期探井和评价井钻井过程中经常出现井眼缩径、起下钻遇阻以及钻井液密度上升快等现象，振动筛返出大量软黏钻屑和井壁掉块，这表明前期所使用的常规聚合物-氯化钾钻井液体系难以满足该油田开发井优快钻井需求，因此急需优选出适于大套活性泥岩的强抑制性钻井液。聚胺钻井液体系是近年研制出的一种高性能水基钻井液，通过加入聚胺抑制剂可显著降低活性泥岩的水化膨胀而提高钻井液的整体抑制性，在国内外现场得到了较好的应用[1～11]。下面，笔者通过滚动回收率、高温高压膨胀率等评价方法，对聚胺抑制剂和大分子包被剂进行了优选，优化出一种具强抑制性的聚合物-聚胺钻井液配方。

1 试验部分

1.1试验仪器与材料

1.1.1试验仪器

D/max-2500型衍射仪；CLPZ-Ⅱ型高温高压智能型膨胀性测试仪；XGRL-4A型高温滚子加热炉；DHG-9030A型鼓风干燥箱；ZNN-D6型六速旋转黏度计；SD型多联中压滤失仪；GGS71-B型高温高压滤失仪；GJSS-B12K变频高速搅拌机；岩心流动装置；6目、10目、40目、100目、200目标准筛。

1.1.2试验材料

钻屑、岩心，KL9-1-2井；模拟海水；膨润土(钠基)；碳酸钙；石墨粉；聚胺抑制剂(FB40(阳离子型聚胺)，HPA(聚亚胺类)，FC-Amihib(多胺表面活性剂的混合物)，SAC(聚二胺类))，工业品；大分子包被剂(聚丙烯酰胺PAM，北京恒聚化工集团有限责任公司；聚丙烯酰胺PLUS，聚丙烯酸钾KPAM，羧甲基纤维素CMC-Ⅰ、CMC-Ⅱ)；羧甲基淀粉CMS，任丘市燕兴化工有限公司；降失水剂PANS、磺化酚醛树脂SMP-1，山东得顺源石油科技有限公司。

1.2试验方法

1.2.1黏土矿物种类及含量分析

参照标准SY/T 5163-2010 《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》，用D/max-2500型衍射仪对KL9-1-2井明上段钻屑进行X衍射分析，测定钻屑的黏土矿物种类和含量。

1.2.2滚动回收率的测定

将配好的钻井液依次装入老化罐中，称取KL9-1-2井明上段过6～10目钻屑50g，分别装入老化罐中，温度控制在80℃，热滚16h，用40目标准筛筛取钻井液中的钻屑，并用清水冲洗，然后将筛取的钻屑放入电热鼓风干燥箱中烘干，再用天平称量干燥后的钻屑。

1.2.3高温高压膨胀率测定

取KL9-1-2井的泥岩钻屑用粉碎机粉碎后，用100目标准筛筛取钻屑，称取10g样品压样(压样条件：5MPa×10min)，在80℃×3.5MPa条件下，用CLPZ-Ⅱ高温高压智能型膨胀仪测试其在不同流体中的膨胀率。

1.2.4离心法测防膨率

离心法测防膨率参照SY/T 5971-2016 《油气田压裂酸化及注水用黏土稳定剂性能评价方法》进行。

1.2.5钻井液基本性能测试

参照GB/T 16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》测试钻井液基本性能，包括密度、流变性、滤失量等。

1.2.6钻井液储层保护评价

参照SY/T6540-2002 《钻井液完井液损害油层室内评价方法》对钻井液进行储层保护评价，岩心来自KL 9-1-2井储层段。

表1 KL9-1-2井明上段钻屑黏土矿物种类和含量

注：I /%，S/%表示伊/蒙混层中伊利石、蒙脱石所占比例。

表2 KL9-1-2井钻屑清水滚动回收率及高温高压膨胀率

2 试验结果与讨论

2.1明化镇组泥岩理化性能分析

KL9-1油田明化镇组储层胶结疏松，属高孔、高渗型储层，地层温度相对较低；储层黏土矿物含量较高(>5%)，以伊蒙混层和高岭石为主，蒙脱石混层比较高，属易受污染的砂岩储层。KL9-1油田明上段岩性以泥岩为主，黏土矿物含量以伊/蒙混层为主，含有少量伊利石、高岭石和绿泥石，具体矿物含量见表1。钻屑在清水中滚动回收率及高温高压膨胀率见表2。

由表1、表2可知，KL9-1-2井明化镇组泥岩的黏土矿物主要成分为膨胀性的伊蒙混层(>80%)，表现为易水化膨胀，钻屑清水滚动回收率极低，分散性强。因此钻井液需具有足够的抑制性和包被性。

2.2聚胺抑制剂优选

采用膨润土流变性比较法、离心法膨胀仪法、滚动回收率及高温高压膨胀法对HPA(聚亚胺类)、FC-Amihib(多胺表面活性剂的混合物)、FB-40(阳离子型聚胺)及SAC(聚二胺类)等4种聚胺抑制剂进行室内筛选试验，评价抑制剂的抑制性能。试验结果见表3、表4。

表3 不同钻井液流变性

注：AV为表观黏度，PV为塑性黏度，下同。

表4 不同抑制剂的抑制性能

表5 不同流体的钻屑滚动回收率

聚胺能够进入黏土层间，通过静电作用吸附在黏土颗粒表面，交换出层间水化阳离子，排挤出黏土层间水分子，降低黏土水化。因此聚胺能抑制黏土膨胀以及膨润土的水化分散造浆，具有很强的抑制性。由试验结果知，4种评价方法所得数据都具有相同规律，证明这4种方法评价聚胺的抑制性均具有可行性。聚胺的抑制性从高到低依次为SAC、HPA、FC-Amihib、FB-40，因此选择SAC作为聚胺钻井液抑制剂。

2.3包被剂优选

室内通过页岩滚动回收率优选包被剂。试验结果见表5。试验结果表明，明上段泥岩钻屑分散性很强，在自来水中回收率仅为2.92%。絮凝作用和效果与水溶性高聚物分子量有直接关系，而且也与分子构型有关系，一般来说，直链型线性高分子效果较好，这也是聚丙烯酰胺类效果要优于其他聚合物的原因。同为聚丙烯酰胺类，PAM絮凝包被效果要优于PLUS。因此决定选用北京恒聚生产的PAM(型号63008，分子量800～1000 万)作为聚胺钻井液的包被剂。

2.4钻井液基本性能

通过抑制剂和包被剂的优选，对钻井液配方进行优化后得到聚合物-聚胺钻井液体系。钻井液体系配方为：3%海水土浆+0.1%Na2CO3+0.3%PAM+0.5%PANS+0.5%CMS+2%SMP-1+ 0.5%SAC+0.5%石墨粉，碳酸钙加重。室内评价聚合物-聚胺钻井液体系和聚合物-氯化钾钻井液体系的基本性能，热滚条件为80℃×16h，HTHP滤失量在80℃×3.5MPa下测量，钻井液密度为1.15g/cm3，试验结果见表6。试验结果表明，聚合物-聚胺钻井液与聚合物-氯化钾钻井液均具有优良流变性，聚合物-聚胺钻井液失水造壁性较聚合物-氯化钾钻井液好，能满足钻井工程的需要。

表6 钻井液体系性能对比

注：YP为剪切应力，Gel为静切力，FLAPI为API滤失量，FLHTHP为高温高压滤失量。

2.5钻井液抑制性评价

用高温高压膨胀法和滚动回收率法对钻井液抑制性进行评价，试验结果见图1、图2。由试验结果知，聚合物-聚胺钻井液滚动回收率高达93.3%，高温高压膨胀率仅为5.72%，较聚合物-氯化钾钻井液具有更高的抑制性。

图1 钻屑在不同液样中的滚动回收率图2 钻屑在不同液样中的高温高压膨胀率

2.6储层保护评价

用岩心流动试验装置对钻井液进行储层保护性能评价，岩心来自KL9-1-2井明化镇组，试验结果见表7。由试验结果知，聚合物-聚胺钻井液的岩心渗透率恢复值比聚合物-氯化钾钻井液岩心渗透率恢复值略高，储层保护性能较聚合物-氯化钾钻井液好，说明聚合物-聚胺钻井液能满足储层保护要求。

表7 钻井液储层保护对比

注：Ko为岩心初始渗透率；Kd为岩心截去0.5cm后测得的渗透率。

3 结论

1) KL9-1油田明化镇组泥岩黏土矿物主要以膨胀性的高混层比的伊蒙混层为主，易水化膨胀，清水滚动回收低，膨胀性强，该活性泥岩地层要求钻井液具有强的抑制性和包被性。

2)通过活性膨润土流变性、膨胀率和离心法等评价方法优选出聚胺类抑制剂SAC。

3)基于KL9-1油田明化镇组活性泥岩，优化出聚合物-聚胺钻井液配方为：3%海水土浆+0.1%Na2CO3+0.3%PAM+0.5%降失水剂PANS+0.5%CMS+2%SMP-1+0.5%聚胺抑制剂SAC+0.5%石墨粉。该钻井液具有优良流变性、失水造壁性和强抑制性，储层保护效果好。

[1]邱正松, 张道明, 付建国, 等. 塔河油田长裸眼井段聚胺钻井液研究及应用[J]. 辽宁石油化工大学学报,2016,36(6):33～38.

[2] 王建华, 鄢捷年, 丁彤伟. 高性能水基钻井液研究进展 [J].钻井液与完井液,2007,24(1):71～77.

[3] Patel A, Stamatakis E, Young S, et al. Advances in inhibitive water-based drilling fluids- can they replace oil-based muds?[J]. SPE 106476, 2006.

[4] Dye W,Augereau K,Hansen N, et al New water-based mud balances high-performance drilling and environmental compliance[J]. SPE 92367, 2006.

[5] Young S，Ramses G. Drilling performance and environmental compliance- resolution of both with a unique water- based fluid [J]. SPE/IADC 103967,2006.

[6] 张国, 徐江, 詹美玲, 等. 新型聚胺水基钻井液研究及应用[J]. 钻井液与完井液,2013,30(3):23～26.

[7] 钟汉毅, 邱正松, 黄维安, 等. 聚胺高性能水基钻井液特性评价及应用[J]. 科学技术与工程,2013, 13(10):2803～2807.

[8] 张瑜, 张国, 徐江, 高伟,等. 新型聚胺钻井液在都护4井泥岩段的应用[J]. 石油钻探技术,2012,40(6):33～37.

[9] 胡进军, 邓义成, 王权伟. PDF-PLUS聚胺聚合物钻井液在RM19井的应用[J]. 钻井液与完井液,2007, 24(6) : 36～39+90.

[10] 余可芝,许明标. 聚胺钻井液在南海流花26-1-1井的应用[J]. 石油天然气学报(江汉石油学院学报),2011,33(9):119～122+169.

[11] 罗健生,李自立,李怀科,等. HEM深水聚胺钻井液体系研究与应用[J]. 钻井液与完井液,2014,31(1):20～23+96.

[编辑] 赵宏敏

TE254.1

1673-1409(2017)17-0012-04

2017-06-10

中国海洋石油总公司研究总院ODP项目(CCL2015RCPS0173PSN)。

胡伟(1993-)，硕士生，现主要从事钻完井液与储层保护方面的研究工作。