无固相弱凝胶钻井液的研究与应用

张俊（长江大学工程技术学院，湖北 荆州 434023）

聚合物弱凝胶在石油工业上的应用主要在堵水调剖、压裂方面，新近发展起来的胶态分散凝胶也用于聚合物驱领域，常规凝胶的形成条件主要是依赖于交联剂，聚合物通过与交联剂的作用在一定的温度和一定的时间下成胶。不同于常规凝胶的成胶方式，PRD（无固相保护油气层钻井液）钻井液是一种快速成胶体系，无需添加交联剂，主要通过特殊聚合物之间的相互作用成胶，其且成胶条件要求低的所形成的弱凝胶具有独特的流变性。这一独特的流变性能有效的悬浮和携带钻屑。高的低剪切速率粘度，能防止钻开液对井壁的冲刷，有效的控制固液相对储层的侵入深度，最大限度的减少对储层的损害[1]。

为了解决上述问题研制出一种生物聚合物弱凝胶增粘剂GEL-30。该由GEL-30配制成的钻井液体系有不同于传统钻井液的优良特殊性能：切力与时间无依赖性能，能有效阻止大斜度段和水平段岩屑床的形成；良好的润滑性和抑制性，能在水平井钻进过程中，保持井壁稳定，有效的减少卡钻划眼等井下故障，保证顺利钻进；滤失少、滤饼薄且韧且容易破胶；由于GEL-30由可降解的生物聚合物和天然大分子制作而成，因此具有易降解、无生物毒性的特征，能满足环保要求。

1 GEL-30弱凝胶钻井液

弱凝胶增粘剂GEL-30由可生物降解的生物聚合物和天然大分子经活化、复配等工艺制备得到，外观为白色或灰白色可流动粉末。经过大量室内优选试验，得出最终的弱凝胶钻井液配方为：400mL自来水+0.1%NaOH+0.2%CX-216+1.2%JMP-1+2.0%PEG+1.0%DRH+6.0%KCl+2%GEL-30+5%yx-1+26%石灰石粉。室内通过测定其流变性参数、滤失量、低剪切速率下的粘度、泥岩回收率、渗透率恢复值，从而对该钻井液配方进行综合评价。

1.1 流变性评价

表1 流变性参数

在120℃下滚动16小时后测量其低剪切速率下的粘度，测量结果见表1。

表1可看出GEL-30弱凝胶钻井液表观粘度低，具有比较高的动塑比，随时间变化静切力改变小，触变性好，剪切稀释后能够快速重新成胶，能够满足水平井钻井对钻井液的要求。热滚后，各流变性参数基本稳定，这对于实际钻井中是非常有利的。

1.2 滤失性评价和低剪切速率下的粘度实验

测量其在120℃下滚动16小时前后常温下流变性、中压（0.69MPa）静失水APIFL、PH、泥饼粘滞系数Kf、滚后高温高压（120℃、3.5 MPa）静失水HTHPFL，测量结果见表2。

表2 滤失实验结果

表2可看出该弱凝胶钻井液的API和HTHP滤失量都比较小，钻井液体系中加入yx-1超细碳酸钙后，形成滤饼粘滞系数为0.0875，表明该钻井液形成的泥饼对钻具的阻力小，钻井过程中不会对钻具产生大的粘滞作用。

测量其在120℃下滚动16小时后低剪切速率下的粘度，测量结果见表3。

表3 低剪切速率下的粘度（cp）

在水平井钻进中，悬浮钻屑和净化井眼是比较突出的问题，要有效提高水平井钻井液钻屑悬浮能力并及时防止钻屑床的形成，这就要求钻井液在静态或者低剪切速率下维持较高的粘度。从表3可以看出，GEL-30弱凝胶钻井液热滚后在低剪切速率下仍具有较高的粘度（在0.3r/min转速下，粘度可达8800mPa.s），这种独特的流变性对水平井和大位移井的钻进非常有利的，不仅保证钻井液具有良好的悬浮携砂能力，并且能够避免钻井液对井壁的冲刷，阻止钻井液中的液体进入地层抑制泥页岩的水化膨胀，起到维持井壁稳定的作用，另外还能防止钻井液固相侵入地层，降低钻井污染带的深度，起到保护储层的作用。

1.3 抗温性试验

在400mLGEL-30弱凝胶钻井液中加入30g钻屑，分别在60℃、80℃、100℃、120℃、140℃下滚动16h，过40目筛筛出钻屑，分别收集钻井液及钻屑，测试不同温度下的钻屑回收率，并将收集的钻井液冷却至室温，分别测试其流变性和静失水量。

试验结果表明：该钻井液体系分别在的60℃、80℃、100℃、120℃、140℃的温度下热滚后，钻井液流变性比较稳定，维持较高的动塑比，而且钻屑回收率高于86.4%，表明该钻井液体系具有较强的抑制性；静失水量小且滤液清晰，泥饼平整，薄而韧。GEL-30弱凝胶钻井液体系中引入了温度稳定剂，可以阻止大分子在高温下被氧化分解，保证钻井液在较大的温度范围了维持性能的稳定。

1.4 悬浮性试验

将塔里木油田相关区块的岩屑磨碎，然后过筛制成悬砂，测试GEL-30弱凝胶钻井液在热滚前后的悬浮悬砂的能力。将GEL-30弱凝胶钻井液装入量筒，并将悬砂均匀地悬浮于钻井液中，在90℃恒温下静置后，记录悬砂悬浮直到下沉的时间。然后将GEL-30弱凝胶钻井液在120℃下滚动16h，均匀悬浮悬砂与其中，静置到90℃恒温下记录悬砂悬浮直到下沉的时间，实验结果表明在24小时内，该体系滚动前可以悬浮11g砂粒，在120℃热滚16h后，在90℃下还能悬浮4g砂粒，该结果表明该钻井液具有较好的携砂能力，能够满足水平井和大斜度井对钻井液的悬浮携砂的要求。

1.5 储层保护试验

根据SY 5336-88《常规岩心分析推荐方法》[2]和SY/T 5358-94《砂岩储层敏感性评价实验的推荐实验方法》[3]，在塔里木油田牙哈、轮南、哈德三区块分别选取不同井的岩心进行渗透率恢复实验，结果见表3

表3 无固相钻井液在牙哈岩心渗透率恢复实验

表3可得出实验岩心的渗透率恢复值在85%以上，部分岩心渗透率恢复值高达92.73%，表明GEL-30弱凝胶钻井液具有良好的储层保护性能，在打开油气层的过程中，能减少钻井液对产层的伤害。

2 现场应用

该钻井液体系在塔里木油田牙哈、轮南、哈德区块多口井应用，在钻进长水平井段和钻进油气层的过程中，成功的解决了井壁失稳、井眼难净化以及储层污染等方面的问题。以轮南地区H8C井为例，由该井设计分层数据可知该井将钻遇侏罗系、三叠系地层，均有油层发育。侏罗系JⅢ油组6+7小层地层压力44.05MPa，压力系数0.994；侏罗系JⅣ油组1+2小层地层压力49.0MPa，压力系数1.095；三叠系TⅠ油组地层压力46.06MPa,压力系数0.988。侏罗系地层易跨蹋，注意防斜、防跨；该井在古近系、白垩系、侏罗系JⅠ、JⅡ油组也可能钻遇油气层，压力系数在1.06-1.11左右，注意防喷。

通过在轮南H8C井现场应用表明：在侏罗系、三叠系见到良好油气显示，钻遇地层无漏失情况，无井喷情况发生。此外，通过邻井对比还有以下优势：

2.1 钻井速度快。表4是轮南H8C与轮南H1井的钻井速度的对比情况，轮南H8C与轮南H1相距较近，施工条件及施工参数基本相同。

表4 机械钻速比较表

表4可看出该钻井液体系在提高钻井速度效果明显，TⅠ在条件相近情况下机械钻速提高近99%

2.2 钻井液性能稳定。在钻进过程中，钻井液粘度一直稳定，没有出现因固相的侵入而出现的增粘、井壁坍塌、拔活塞和卡钻等现象。

2.3 岩心渗透率恢复值高，能有效保护储层。轮南H8C钻进时在侏罗系、三叠系见到良好油气显示。同时，取进入油层的钻井液，在该地层的岩心上做渗透率恢复实验，实验测得污染后的岩心渗透率恢复值为98%，大大高出一般钻井液，该井经试油后稳产50t/d。

2.4 井眼稳定。有利于工程施工和井下安全。该钻井液中固相含量较低，动切力小，静切力随时间变化小，因此开泵容易，开泵时不会出现憋泵的状况，起下钻时压力波动小，有利于维持井眼稳定、防止憋漏地层。悬砂能力良好。

3 结语

3.1 经过活化复配得到的GEL-30弱凝胶钻井液在流变性评价、滤失性评价和低剪切速率下的粘度实验中表现出明显的优越性能，在室内评价中表现出较好的抗温性、润滑性和储层保护性能。

3.2 在现场应用中，使用GEL-30弱凝胶钻井液钻井具有钻井速度快、钻井液稳定、岩心渗透率恢复值高、井眼稳定等优点，能够满钻塔里木油田牙哈、轮南、哈德等区块的钻井液要求。

[1]王昌军,张春阳.PRD弱凝胶钻开液性能评价与试用效果[J].石油天然气学报，2008.06：143-145.