复杂地层仿油基钻井液研究

2014-12-24杨小敏宋碧涛睢文云杨雪山

石油化工应用 2014年2期

杨小敏，宋碧涛，睢文云，徐浩，杨雪山

（中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州 225009）

随着江苏油田逐步向深井深层、复杂隐蔽油藏和非常规油气藏进军，新的地层常带来较多的钻井复杂问题，钻井托压、划眼、井漏、垮塌、卡钻等复杂事故较多，钻完井过程中易垮塌掉块，导致电测遇阻，多次划眼通井往往导致完井周期长，地层浸泡时间长，更多钻井液滤液进入储层，造成储层伤害，影响勘探开发效果。针对深部泥页岩不稳定地层导致的复杂及含泥页岩长水平段水平井、大位移井的井壁稳定、润滑、携岩及托压等问题，需要钻井液具有优异的页岩抑制性、裂缝封堵和润滑能力，目前国内外主要采用油基钻井液，以降低复杂发生几率。油基钻井液具有井壁稳定性、润滑性、高温稳定性好以及对油气层损害小等优点，但以矿物油及柴油为基油的油基钻井液中含有有毒物质，不能被生物降解，对环境造成污染，并且成本高、固井质量难以保证，后续废弃泥浆处理难度大，且在国内还未形成完整的系列配套技术。江苏油田地处长江中下游地区，长江、淮河入海口附近，油区内河流密布，被誉为“水乡油田”，为环境高敏感地区，若使用油基钻井液潜在环境风险较大。目前江苏油田在非常规勘探领域的研究时间尚短，长水平段水平井的开发布井规模小，成本高昂的油基钻井液的后处理和回收利用存在较多技术难题。仿油基钻井液不仅在提高钻井液抑制性、封堵性、润滑性等方面具有与油基钻井液相当的优势，并且其成本相对较低，同时有利于环保[1]。因此，开展仿油基钻井液技术研究，可为江苏油田复杂区块井及含泥页岩水平井钻井提供了新的技术思路和研究方向。

1 设计思路

目前水基钻井液与油基钻井液的性能差别主要在页岩抑制性、高温高压失水量和润滑性三个方面，其中润滑性相对容易解决，提高页岩抑制性使用有机盐[2-3]、高效页岩抑制剂等效果突出，最难实现的是高温高压失水量控制，如能控制在6 mL 以下就可以进行矿场试验。

聚醚多元醇具有浊点效应，并可以通过氢键与粘土硅氧键作用吸附在粘土表面[4]，因此聚醚多元醇具有非常优良的抑制、封堵能力，且在浊点温度之上具有良好的润滑性能。高效页岩抑制剂是小分子抑制剂，可镶嵌于膨润土层间，降低层间距，抑制性突出。纳米材料具有“纳米滚珠轴承”作用[5]，在聚醚多元醇浊点温度之下，采用纳米材料处理剂可进一步提高体系的润滑性能。

笔者在现有钻井液技术基础上，采用聚醚多元醇和高效页岩抑制剂配合增强钻井液抑制性和封堵性，采用惰性纳米材料增强钻井液润滑性，通过多种材料降低钻井液高温高压滤失量，使其综合性能接近油基钻井液水平，形成初步的仿油基钻井液体系配方。

2 室内实验

2.1 润滑性能评价

2.1.1 聚醚多元醇JMC-60 润滑性评价

（1）常温下润滑性能评价，江苏油田现场钻井使用的润滑剂加量一般为2 %～3 %。本实验所用的钻井液基浆配方为：5 %般土浆+0.2 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+2 %QS-2；聚醚多元醇JMC-60（浊点温度60 ℃）的加量为3 %，样品加入钻井液中高速搅拌30 分钟后，分别在常温下和80 ℃老化24 h 后使用EP 极压润滑仪进行测量，实验结果（见表1）。由表1 可知，聚醚多元醇JMC-60 对钻井液基浆润滑性改善有一定的促进作用。常温下润滑系数降低了27.55 %，这主要是测试温度未达到聚醚多元醇的浊点，其润滑性不能得到充分发挥。而在其浊点温度之上80 ℃老化24 h 后，润滑系数降低了71.52 %。由此可见，加入聚醚多元醇，对钻井液润滑性的改善是显而易见的。（2）高温高压下润滑性能评价，为了考察JMC-60在高温高压下的润滑性改善效果，使用现场钻井液，加入3 %JMC-60，使用LEM4100HPHT 润滑性测试系统开展了相关测试。试验所用井浆为L38-1 井井深2 500米处钻井液，未添加润滑剂。钻井液密度为1.25 g/cm3，测试温度为室内慢慢升高到160 ℃，升温过程控制在2 h，测试钢-钢摩擦的轴向压力为15 MPa，钻井液在测试系统中循环流动，保持压力3 MPa，测试时旋转速度定在60 r/min，模拟正常钻进过程中钻具所受的摩擦力。从图1 和图2 可以明显看出，JMC-60 具有优良的抗高温润滑性能，摩擦系数随着温度的升高逐渐降低，温度升高到浊点之上后，摩擦系数下降到0.08 以下。

表1 聚醚多元醇对钻井液润滑性的影响

2.1.2 纳米材料处理剂润滑性评价在聚醚多元醇JMC-60 浊点温度之下，采用纳米材料处理剂进一步提高体系的润滑性能。通过EP 极压润滑仪对添加不同的纳米材料处理剂的钻井液配方的润滑性进行测定。由表2 可以看出，加入4 %DS-RH325（纳米材料有效含量1 %）后极压摩阻系数降低80 %，而纳米碳酸钙和天诗纳米微粉的润滑效果并不明显，分析其原因可能是这两种纳米材料为干粉制剂，在钻井液中相容性不好，滚珠轴承作用未能发挥，对纳米处理剂种类的优选及其与钻井液体系的相容性还需进一步的探索研究。目前，初步选取DS-RH325 配合JMC-60 作为仿油基钻井液体系的润滑剂。

图1 L38-1 井井浆（2 500 m，未加润滑剂）

图2 L38-1 井井浆（2 500 m，加入3 %JMC-60）

表2 不同配方润滑性能评价

2.2 抑制性能评价

采用江苏油田H158 井戴一段垮塌物，破碎成6～10 目岩屑，通过页岩回收率试验对现有钻井液配方1#中加入不同比例的聚醚多元醇JMC-60，测定其一次和二次回收率，以评价JMC-60 的抑制性。表3 中钻井液配方为：1#：4 %般土浆+0.2 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN；2#：1#+3 %JMC-60；3#：1#+7 %JMC-60；4#：1#+10 %JMC-60；5#：1#+20 %JMC-60。

由表3 可以看出，随着聚醚多元醇JMC-60 加量的增加，回收率逐渐增大；当JMC-60 加量为20 %时，抑制性能最优，二次回收率达到90 %。

接着考察了JMC-60 在基浆中的流变性、润滑性及降滤失性能（见表4）。随着JMC-60 加量的增加，钻井液表观粘度和塑性粘度有轻微增加，整体流变性并无大的变化。此外，随着JMC-60 加量的增加，滤失量和极压摩阻系数逐渐降低；当JMC-60 加量为20 %时，降滤失性能和润滑性能最优，特别是高温高压滤失量达到了6～8.4 mL，接近油基钻井液水平。

表3 聚醚多元醇JMC-60 抑制性评价

表4 聚醚多元醇JMC-60 不同加量下性能评价

表4 聚醚多元醇JMC-60 不同加量下性能评价（续表）

表5 JMC-60 复配DYZ-1 性能综合评价

由于JMC-60 加量为20 %时，导致钻井液的成本较高，因此在配方中考虑添加高效页岩抑制剂DYZ-1增强体系的抑制性，减少JMC-60 的加量，降低钻井液成本。在聚醚多元醇钻井液中配加不同加量的高效页岩抑制剂DYZ-1 在120 ℃下热滚16 h 后评价其性能，实验结果（见表5）。表5 中钻井液配方为：1#：4 %般土浆+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+7 %JMC-60；2#：1#+0.1 % DYZ-1；3#：1#+0.2 % DYZ-1；4#：1#+0.3 %DYZ-1；5#：1#+0.4 % DYZ-1。

由表5 实验结果可以看出，添加高效页岩抑制剂DYZ-1 后，二次回收率均在94 %以上，且随着DYZ-1加量的增加，页岩回收率逐渐升高，API 滤失量有所降低，对流变性能的影响不大，极压摩阻系数均较低，在0.031～0.077。通过分析发现，DYZ-1 加量为0.3 %时的性能已满足要求，因此，我们优选DYZ-1 的加量为0.3 %。

2.3 综合性能评价

在初步完成各处理剂优选的基础上，经过室内反复实验，形成成本适中和成本稍高的两种初步的仿油基钻井液体系配方。

1#：4 %般土浆+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+7 %JMC-60+0.3 % DYZ-1 +3 %DS-RH325

2#：4 %般土浆+0.3 %PMHA-Ⅱ+0.5 %NaHPAN+20 %JMC-60+0.3 % DYZ-1+ 3 %DS-RH325

将两种配方密度加重至1.30 g/cm3，分别在100 ℃、120 ℃、140 ℃老化16 h 后对其性能进行了评价，实验结果（见表6）。由表6 可以看出，老化后两种配方的钻井液粘度降低，API 滤失量和HTHP 滤失量有些增大，在100～140 ℃的范围内，钻井液流变性变化幅度不大，摩阻系数随着温度的升高逐渐减小。2#钻井液润滑性明显优于1#钻井液，高于120 ℃老化后显示出优异的高温高压降失水能力，接近油基钻井液水平。同时该钻井液配方抗温性能优良，性能稳定，润滑性能好。