KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液研究及应用

谢海龙

中国石化西北油田分公司 工程监督中心（新疆 库尔勒 841600）

玉北地区是中国石化西北油田分公司外围勘探开发的重要区块。钻进中主要表现为上部帕卡布拉克、克孜洛依组造浆严重，泥页岩吸水膨胀和分散，导致井眼缩颈和起下钻具阻卡；开派兹雷克组下部褐色泥岩水敏性极强，遇水迅速分散，使上部地层失去支撑，垮塌而形成大井眼使得钻屑聚集，停泵后迅速下沉埋钻。自2009 年至今布署的24 口井中发生卡钻、卡套管、填井侧钻等各类故障25 起，损失台时超过5 000h，严重制约了该地区钻井速度提高。为解决上述问题，所采用的方法通常有2 种：一是对水基钻井液进行改性，增强对泥页岩的抑制和封堵防塌；二是采用油基钻井液。油基钻井液虽然具有良好的热稳定性、井壁稳定性和润滑性等优点，但影响测井、增加循环漏失，同时其配制成本较高。目前用于深部钻探的防塌钻井液仍然倾向采用水基钻井液。

针对玉北区块的难点，控制尽可能低的自由水侵入、抑制泥页岩及玄武岩中粘土矿物水化膨胀、封堵微裂缝加固井眼及选择合适的力学支撑是解决问题的关键。基于以上思路，研究和开发了具有强抑制作用的KCL 聚胺多元抑制塌钻井液体系，其主要由页岩抑制剂、包被剂、降滤失剂、润滑剂及封堵材料组成，其实质是应用了一种新的阳离子胺基聚合物。该胺基聚合物具有更高的抑制能力和防泥包能力，配合封堵防塌剂使用具有更好的成膜作用，能有效解决井壁失稳，减少卡钻故障。

1 KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液室内研究

1.1 作用机理

聚胺类页岩抑制剂分子中具有大量游离的胺基基团[1]。聚胺抑制剂主要作用机理是通过胺基特有的吸附而起作用，低分子胺如K 离子一样穿透粘土层，镶嵌在粘土层间，并使粘土层紧密结合在一起，降低粘土水化层厚度，抑制粘土水化层分散[1]。低浓度的胺类解吸附带水化膜的可交换阳离子，通过静电吸附、氢键作用和偶极作用等将粘土片层束缚在一起，阻止水分子进入[2]。

KCL 聚胺钻井液采用聚胺作主要抑制剂,保持一定量的氯化钾作为次要抑制剂，依靠聚胺的强抑制性和K 离子的嵌入作用及大分子包被剂的包被封堵协同作用保持岩屑的完整，防止岩屑在流动过程中崩散，有效降低泥页岩水化的高膨胀压[3],同时加入降滤失剂和低渗透成膜封堵剂,以减少滤液侵入地层，达到优良的抑制效果，实现多元协同抑制的总体目标，从而有效防止井壁失稳和保护储层。该体系配浆过程中本着“先护胶，后加盐；先有机物，后无机物”的原则进行配制，减少由于钻井液性能波动引起的井壁失稳。

1.2 页岩抑制剂及加量筛选

钻井液的抑制性是指其抑制地层造浆的能力。钻井液的抑制性：一方面是控制地层造浆；其次是稳定井壁，打出规则的井眼，减少井下复杂情况。从本质上讲，抑制性是指钻井液对泥页岩地层中的粘土水化膨胀及水化分散的抑制能力。采用玉北10 井3 700～4 000m 混合钻屑进行试验。

1.2.1 氯化钾抑制剂加量优选

将50g 岩屑放入不同浓度的氯化钾水溶液中，80℃滚动老化16h，过0.425mm(40 目)筛，用水漂洗后烘干称重。重复上边实验将上述岩屑过0.850mm(20 目)筛，用大于0.850mm 的钻屑。评价结论：氯化钾加量在5%～6%时泥页岩滚动回收率最高。

1.2.2 聚胺抑制剂加量优选

过0.850mm(20 目)筛，用大于0.850mm 的钻屑50g 放入不同浓度的聚胺抑制剂水溶液中，80℃滚动老化16h，过0.425mm(40 目)筛，用水漂洗后烘干称重。评价结论：聚胺抑制剂在加量0.5%时抑制性能最好，滚动回收率达到了9.1%。

1.2.3 防塌剂及大分子包被剂优选

为客观地评价页岩抑制剂产品的抑制防塌效果，按照Q/SH 0323-2009 标准要求，分别选用6 种包被剂（加量0.5%）和6 种防塌剂（加量3%），在120 ℃滚动16h 进行相对抑制率实验。评价结论：优选防塌剂中高软化点沥青RHJ-3、多元醇SYP-1，包被剂中阳离子乳液聚合物DS-301、KPAM4 种材料相对抑制率较高。

1.3 KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液体系评价

在常规聚磺钻井液基础上，通过添加聚胺和KCL，优化设计出了KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液体系。配方组成为：淡水+7%膨润土+0.2%～0.4%NaOH+0.5%KPAM+0.5%DS-301+2%～3%SMP-2+2%～3%SPNH+3%RHJ-3+3%SYP-1+1%RH-3D+5%～6%KCL+0.5%聚胺。使用重晶石加重至1.55g/cm3。

1.3.1 抑制性评价

抑制性主要有2 种评价方法：一是抑制分散性（即滚动回收）实验；二是抑制膨胀实验[4]。现场取YB6A 井混合岩样，分别采用2 种方法对KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液的抑制性进行了评价，并与聚磺、KCL 聚磺等体系进行了对比实验（表1）。（老化条件：150℃、16h）

实验结果表明：YB6A 井沙井子组玄武岩岩屑清水回收率很低，容易水化分散（清水中滚动回收率仅为6.8%和7.4%）、膨胀率中等特点[1]。KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液回收率达到86.6%和89.3%，高于聚磺和KCL 聚磺钻井液体系，特别是加入封堵防塌剂后，对微裂缝实现了有效封堵，防止了微裂缝的开启；同时做浸泡实验发现，岩屑在清水中侵泡24h后完全散开，说明岩屑有很强的水敏性；而在KCL聚胺多元抑制防塌钻井液中浸泡24h 后其形状保持完好，能有效阻止岩屑水化分散，说明该体系具有很强的抑制性，防止岩屑分散破坏钻井液的流变性和失水造壁性，能够有效保证钻进过程中井壁稳定。

表1 不同流体滚动回收率及膨胀率对比

1.3.2 抗温性能评价

玉北地区油层埋藏深，平均完钻井深6 100m，地温梯度2.2℃/100m，井底温度达到130℃以上，高温老化之后,要求钻井液流变性能良好，具有优良的抑制性与抗温性能，因此需对KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液的抗温性能进行评价。

实验结果表明：在150℃热滚16h 后，钻井液体系的流变性和失水、高温高压失水都得到了明显改善，其他性能变化不大；老化后的钻井液分别取上下2 部分测定密度，结果是1.53 和1.58g/cm3，表明KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液体系在150℃高温下具有较强的沉降稳定性，能满足玉北地区深井钻井需要。

1.3.3 润滑性能评价

钻井液除了必须具备优良的流变性及较好的抑制性之外，还必须具有良好的润滑性能。钻井液润滑性能评价包括泥饼粘附系数及E-P（孔隙比与压力的关系曲线）极压润滑性能测定[5]。KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液泥饼粘附系数为0.06，与油基钻井液接近，表明该体系具有良好的润滑性能。

1.3.4 封堵防塌性能评价

钻井液的封堵防塌性能直接决定井壁的稳定性和钻井施工顺利。分别选用空白基浆、聚磺钻井液、油包水钻井液及油基钻井液,用无渗透成膜封堵仪[4]评价了钻井液的封堵效果。

实验结果表明：基浆中因未加任何封堵材料，侵入深度较大，各种体系的钻井液侵入深度不同，其中KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液体系侵入深度最小仅为3.4cm，证明该体系具有良好的封堵防塌性能。

2 现场应用

2.1 KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液现场应用地质资料

玉北地区自上而下钻遇地层依此是：第四系、新近系阿图什N2a、帕卡布拉克N1p、安居安N1a、克孜洛依N1k、古近系E、二叠系沙井子P3s、开派兹雷克P2kp、库普库兹满P1kk、南闸P1n、石炭系小海子C2x、卡拉沙依C1kl、巴楚C1b 及奥陶系鹰山组O1-2y。首次尝试KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液在YB9井、YB1-3H 井和YB1-4 井应用。

2.2 钻井液技术难点

玉北地区钻井液施工存在以下难点：①二开钻探多压力系统，使用钻井液密度1.10～1.80g/cm3，多套压力系统钻井存在压差卡钻、卡套管等一系列问题；②N1k 及以上井段泥岩水化膨胀分散，砂岩段易形成虚厚泥饼，极易造成缩颈和起下钻阻卡严重；③二叠系P3s 组砂岩孔隙度大、渗透率高极易粘附卡钻；④高强应力下P2kp 组硬脆性火山岩易剥落、垮塌掉块导致井壁失稳，蹩泵蹩转盘时常出现；⑤P1n、C2x、C1kl 等深部地层软硬交错剧烈，极易造成井斜和垮塌埋钻；⑥P2kp 组火成岩下部有8～10m水敏性极强的褐色泥岩，遇水迅速分散，垮塌形成的大井眼极易发生埋钻。

2.3 现场钻井液维护

1 000～3 000m 井段中心任务是增强钻井液包被和抑制能力，做好上部井段防阻卡，保证低固相、低黏切钻进。处理要点：①井深2 000m 左右一次性加3%～5%KCL 及0.5%聚胺转换体系，转换前强调低膨润土含量、低固相；②强化短起下，每钻进200～300m 短起下拉通井壁；③大排量冲刷井壁，降低环空岩屑浓度，在满足携砂和井眼稳定前提下，尽可能控制低密度、低黏切、低固相钻进；④利用氯化钾、KPAM 及聚胺提高钻井液抑制和包被能力，改善泥饼质量，降低摩阻，解决大井眼快速钻进携岩及虚厚泥饼阻卡问题；⑤N2a 开始加入DF-1、沥青等发挥物理封堵作用，维护井眼稳定。

4 000～5 800m 井段钻井液对策是秉承“先抑制、再封堵、最后提高密度”的原则，利用物理支撑和化学防塌相结合的方式强化井眼，提高地层稳定性。处理要点：①N1k 下部加入3%磺化抗温材料及3%RHJ-3、3%SYP-1 等转换为KCL 聚胺防塌钻井液体系；②严格控制API≤4mL，HTHP≤10mL，防止造成剥落掉块和井壁失稳；③泥页岩地层加大各种抑制剂比例至1%以上，增强钻井液抑制和包被能力；④维持一定的钻井液黏度，保证良好的流变性（动塑比0.35～0.45），确保平板流层；补充润滑剂和清洁剂，防止钻头泥包；⑤做好劣质固相控制，避免钻头堵水眼；⑥采用DF-1、非渗透材料改善泥饼质量；复配RHJ-3、SYP-1 等防塌材料封堵微裂缝，各防塌材料有效浓度大于5%，利用“多元协同”[6]抑制固结井壁，提高承压能力，降低压差卡钻风险；⑦补充KCl 提高矿化度，增强钻井液抑制能力，利用钾离子“同离子效应”抑制防塌；⑧提高滤液液相黏度，减小泥饼渗透率；⑨火成岩及以下易垮井段控制好排量，不定点循环避免冲刷加剧垮塌。

2.4 应用效果评价

KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液成功在玉北地区应用，部分施工井技术指标（表2）。

分析结果表明：

（1）抑制性。使用KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液后返出岩屑规则成型，无分散，解决了N1k 及N1p 强造浆地层及火成岩下部强水敏性地层的抑制问题，钻进及短起下无阻卡。

（2）钻井周期及故障率。相同井深钻探前提下，使用KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液施工井节约周期8～13 天；故障率平均下降71.6%，实现了钻井提速目的。

表2 不同钻井液体系施工井钻井技术指标对比

（3）油层段井径扩大率。KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液性能稳定，钻进中未出现划眼、性能突变、井眼垮塌等复杂，油层段井径扩大率均控制在8%以内，证明该体系具有良好的封堵防塌性能。

（4）钻井液成本。KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液使用后，每米钻井液成本大幅降低，均控制在890元/m 以内，创造了良好的经济效益。

（5）YB1-3H 井作为玉北地区第一口水平井，节约钻井周期33 天，是该地区节约周期最多的一口井，且全井安全无故障，钻井液每米成本709.1 元创造了历史最低水平。

（6）YB9 井是玉北地区目前完钻最深的一口井,完钻井深达到7 091m，机械钻速3.66m/h，创造了该地区井深和机械钻速2 项最高纪录。

3 结论与建议

（1）通过室内配伍研究得到了一种新型的KCL聚胺多元抑制防塌钻井液体系，通过相对抑制率、抑制分散性、抑制膨胀及极压润滑等实验评价，表明该体系具有良好的抑制性、较高的抗温性和优秀的润滑、封堵防塌能力，可以实现多元协同抑制的总体目标，有效的防止了井壁失稳。

（2）聚胺抑制剂具有独特的分子结构，能很好的吸附在粘土层间，并使粘土层紧密结合在一起，从而降低粘土水化膨胀的趋势，具有很强的抑制泥页岩分散能力和防塌作用，非常适合强水敏性地层钻井施工。

（3）KCL 聚胺多元抑制防塌钻井液体系很好的解决了玉北地区N1k 及N1p 强造浆地层及强水敏性地层的抑制及垮塌问题。

（4）正常钻进中，要少量多次补充KCL 及聚胺，维护井浆中抑制剂有效含量，实现多元协同抑制的总体目标。

（5）抑制剂的加入要遵循先后顺序，配浆过程中“先护胶，后加盐；先有机物，后无机物”的原则进行配制，为提高密度后控制粘切创造条件，减少由于钻井液性能波动引起的井壁失稳。

（6）钻井施工中钻井液要秉承“先多元抑制、再复合封堵防塌、最后提高钻井液密度”的原则，利用物理支撑和化学防塌相结合的方式强化井眼，提高井眼稳定性解决现场施工复杂。

（7）实钻中P2kp 组火成岩下部有8～10m 水敏性极强的褐色泥岩，遇水迅速分散，垮塌形成的大井眼极易发生埋钻，在做好抑制、封堵固结井壁同时，保证密度在1.60g/cm3及以上，应对火成岩应力释放和垮塌。

（8）建议形成随钻防漏堵漏体系，加入尺寸合适、强度较高的零渗透封堵剂，降低地层坍塌压力，实现提高地层承压能力，达到预防井漏、强化井眼的作用。

[1]聂育志,赵素丽,刘金华,等.KCL 聚胺强抑制性高密度钻井液体系室内研究[J].西部探矿工程,2011,23(12)：79-83.

[2]钟汉毅,邱正松,黄维安,等.胺类页岩抑制剂特点及研究进展[J].石油钻探技术，2010,38(1)：104-108.

[3]魏进荣,赵林,姚兰,等.聚胺钻井液性能的优化[J].石油化工应用，2010,29(4)：18-20.

[4]王昌军,许明标,苗海龙.聚胺UHIB 强抑制性钻井液的室内研究[J].石油天然气学报，2009,31(1)：80-83.

[5]王荐,舒福昌,吴彬.等.强抑制聚胺钻井液体系室内研究[J].油田化学，2007,24(4)：296-300.

[6]吕开河，朱道志，徐先国，等.“多元协同”钻井液研究及应用[J].钻井液与完井液，2012,29(2)：1-5.