DN气田水平井造斜段钻井液体系优化

黄友亮，刘　兴，薛　飞（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉40100；2.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉40100；.中石化华北石油工程有限公司西部分公司，河南郑州400056）



DN气田水平井造斜段钻井液体系优化

黄友亮1，2，刘兴1，2，薛飞3
（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；2.油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉430100；3.中石化华北石油工程有限公司西部分公司，河南郑州400056）

摘要：近些年，水平井开发技术应用得越来越广泛。DN气田开发区水平井造斜段位于目的层上部，其岩性主要为泥岩，极易水化膨胀，分散，造成地层掉块、坍塌等井下复杂事故。本文主要在室内展开了不同浓度KCl，KPAM、CHM对钠蒙脱石矿的膨胀率实验，并将几种优选出来的抑制性进一步的就行了对比选出了8%KCl为最佳抑制剂。改进后的钻井液体系在该区块的应用情况表明，该钻井液体系能很好的抑制泥页岩的膨胀，值得进一步的推广与应用。

关键词：水平井；钻井液；KCl；KPAM；CHM；泥岩

DN气田开发区，面积3745.57km，该地区主要含气目的层为上古生界和下古生界，储层具有低压、低孔、低渗、自产能力低等特点，因水平井具有生产条件优越、效益产生显著、油层较长、泄油面积较大等优势［1］，特别是对于低压、低孔、低渗储层，水平井在提高单井产量，延长开采时间，提高采收率等方面优越性更为显著。

该区块水平井的造斜段主要在目的层上部，即石千峰组、石盒子组和山西组。石千峰组的棕褐、灰绿、棕红色泥岩和石盒子组的棕褐色泥岩极易引起水化膨胀、分散，使地层易剥落、坍塌、掉块。针对这一现状，必须提高该区块钻井液体系对泥页岩地层的抑制性。即提高钻井液对泥页岩地层的抑制性，防止地层坍塌是实现该区块安全高效钻井的前提。

1　室内钻井液体系实验

1.1实验样品选取

引起泥页岩地层失稳的粘土矿物主要是蒙脱石和伊利石［2］。选择标准化实验用新疆钠蒙脱土进行线性膨胀率实验，这是因为新疆实验用钠蒙脱土属于钠蒙脱石原生矿，是水化膨胀能力最强、也最具代表性的蒙脱石矿物［3］。

DN气田造斜段的地层特征，决定着该地区钻井施工的主要技术难点是泥岩地层的水化膨胀、分散。通过对该地区近年来所钻井的调研发现，该区块在造斜段采用的钻井液体系主要为天然高分子聚合物钻井液体系和钾铵基聚合物钻井液体系。前者配方为：4%钠土+0.3%～0.5%IND30+0.5%～1% NAT20+0.5%～1%NFA25+1%～2%PGCS1）；后者配方6%～7%钠土+0.3%～0.5%K-PAM+0.1%～0.3%NaOH +0.2%～0.3%K-PAN+0.5%～1%NH4-PAN+1.5%～2%防塌剂+1%～2%SMP+1%～2%SPNH+2%～3%超细碳酸钙。

常用的页岩抑制剂主要有聚合物类［4］、无机盐类、沥青类和腐植酸类［4］。但使用最多，与其它处理剂匹配较好的主要是K+。这是因为K+与蒙脱石间层的镶嵌作用，对蒙脱石具有良好的抑制作用，其次这类处理剂如KCl，价格较便宜。含有K+的聚丙烯酸钾，它既具有大分子的包被作用，又具有抑制作用，综合效益好，在钻井液处理剂中被广泛使用。CHM阳离子聚丙烯酰胺钠蒙脱石成分里阴离子的微粒发生中和作用，絮凝作用很好。笔者将对这些泥页岩抑制剂进行室内实验，首先进行不同浓度的抑制剂对样品的膨胀率评价实验，然后优选出合适的浓度进行抑制剂的选择，最终优选出最适合该地层的泥页岩抑制剂类型及添加浓度。

2　不同泥页岩抑制剂抑制效果评价

2.1不同浓度KCl对标准实验钠基膨润土的抑制效果实验

KCl是使用最广泛的泥页岩抑制剂，在钻遇泥页岩地层，井下出现复杂时，KCl是最先想到的一种泥页岩抑制剂。通过室内展开不同浓度KCl对钠膨润土的膨胀率评价实验见图1。

图1　不同浓度KCl对样品的膨胀率对比Fig.1 Comparison of the sample on different concentrations of KCl on the inflation rate

由图1可知，KCl对标准实验钠土的抑制效果与其加量是成正相关的。当所加KCl为3%时，膨胀率随着时间呈现出有一直上升的趋势。当KCl加量为5%时，随着浸泡时间的增加，膨胀率上升52.3%时，趋于稳定，再随着浸泡时间的增加，膨胀率也变化不大。当KCl加量达到8%时，当膨胀率达到10%以后膨胀率逐渐上升，达到12.5%后，随着浸泡时间的增加，膨胀率上升极缓慢，逐步趋于平衡。实验结果表明：KCl对钠基膨润土具有良好的抑制作用，这是由于K+与蒙脱土的层间距吻合，恰好起到良好的镶嵌作用。

2.2不同浓度KPAM（聚丙烯酸钾）对钠膨润土的线性膨胀率实验

KPAM（聚丙烯酸钾）对于钾铵基钻井液体系以及钾铵基聚磺钻井液体系是必不可少的处理剂，它具有增粘、包被、抑制作用，通过该处理剂单剂在不同浓度下对钠基膨润土的膨胀率评价实验，有助于提高抑制性配方中对该剂加量的确定。

图2　不同浓度KPAM对样品的膨胀率对比Fig.2 Comparison of the sample on different concentrations of KPAM on the inflation rate

由图2可知，随着KPAM含量的增加，对钠膨润土的线性膨胀率呈现出上升的趋势，说明其量越大，抑制性越差。这是由于KPAM（聚丙烯酸钾）是高分子聚合物，浓度越高时，粘度越大，更多高分子链吸附在粘土表面，使K+不易进入到粘土间层的内部而起镶嵌作用，抑制水化膨胀。因而对高分子聚合物的加量应适当，在现场使用过程中要根据实际情况提高加量。

2.3不同浓度CHM对钠基蒙脱土的线性膨胀率实验

由于DN气田所用钻井液体系中的天然高分子聚合物钻井液与非离子型钻井液体系具有相似的特性，笔者通过展开对CHM（阳离子聚丙烯酰胺）对那蒙脱石矿的线性膨胀率实验的评价，为提高天然高分子聚合物的抑制性打下良好的基础。通过室内展开不同浓度CHM对钠蒙脱石的膨胀率实验绘制出图3。

图3　不同浓度CHM对样品的膨胀率对比Fig.3 Comparison of the sample on different concentrations of KCl on the inflation rate

由图3可知，CHM（阳离子聚丙烯酰胺）对钠蒙脱石矿的膨胀率与浓度的关系不是线性的。当CHM的浓度为0.3%时对钠蒙脱石矿的抑制效果最佳。这是由于CHM（阳离子聚丙烯酰胺）是高分子聚合物，与钠蒙脱石成分里阴离子的微粒发生中和作用才会发挥絮凝作用，当浓度超过一定值时，过大的阳离子浓度反而会抑制絮凝作用的进行，从而不能抑制钠蒙脱石矿的膨胀。

3　泥页岩抑制剂优选

通过室内实验对每种抑制剂浓度优选后，笔者分别用以上几种泥页岩抑制剂作为添加剂进行不同泥页岩抑制剂对钠蒙脱石矿线性膨胀率的对比实验，实验结果见图4。

图4　不同泥页岩抑制剂对样品的膨胀率对比Fig.4 Comparison of the expansion rate of the samples with different shale inhibitor

从图4可以看出，就从对蒙脱石的线性膨胀率方面来看，4种抑制剂对其抑制效果排序为8% KCl＞0.2%KPAM＞1%KPAN＞0.3%CHM，说明8% KCl对蒙脱石的晶层间具有良好的镶嵌效果最佳。将8%KCl加入之前的钾铵基钻井液与天然高分子钻井液中得到改进后的钻井液，进行钻井液基本性能测试后，将改进前后的钻井液体系对实验样品进行滚动回收率的对比如图，从图中可以看出改进后的钻井液体系滚动回收率有大幅度的增加，说明改进后的钻井液体系对DN气田泥页岩的抑制性很好，值得进一步的推广与应用。

图5　钻井液体系滚动回收率对比Fig.5 Comparison of the rolling recovery rate of drilling fluid system

4　应用情况

DN区块石千峰组的棕褐、灰绿、棕红色泥岩和石盒子组的棕褐色泥岩极易引起水化膨胀、分散，使地层易剥落、坍塌、掉块。通过室内研究优选出来的钻井液体系如下：天然高分子聚合物钻井液体系4%钠土+0.3%～0.5%IND30+0.5%～1%NAT20+0.5% ～1%NFA25+1～2%PGCS1+8%KCl；钾铵基聚合物钻井液配方6%～7%钠土+8%KCl+0.1%～0.3% NaOH+0.2%～0.3%K-PAN+0.5%～1%NH4-PAN+ 1.5%～2%防塌剂+1%～2%SMP+1%～2%SPNH +2%～3%超细CaCO3。使用改进后的钻井液体系各项性能指标见表1,其粘度、泥饼质量、失水量等指标都控制得很好，井径扩大率得到了很好的改善，说明改进后的钻井液体系能很好的抑制该区块水平段泥页岩的膨胀。

表1　钻井液体系性能指标对比Tab.1 Comparison of performance indexes of drilling fluid system

5　结论与建议

笔者通过大量的室内研究以及现在实际应用情况得到了以下结论：

（1）KCl对钠基膨润土具有良好的抑制作用，且随浓度的增加其抑制作用更好。本次不同浓度KCl对标准实验钠基膨润土的抑制效果评价实验表明，8%KCl对样品的抑制性最佳。

（2）随着KPAM（聚丙烯酸钾）加量的增加，对钠基膨润土的膨胀率上升，即抑制性下降。在现场选择时候应该根据地层选择合适的浓度。

（3）CHM（阳离子聚丙烯酰胺）对钠蒙脱石矿的膨胀率与浓度的关系不是线性的。当浓度超过一定值时，过大的阳离子浓度反而会抑制絮凝作用的进行。

（4）通过室内对优选出来的合适浓度的几种抑制剂对蒙脱石的抑制效果表明8%KCl对蒙脱石的晶层间具有良好的镶嵌效果最佳。

（5）本实验只是针对某一种抑制性的效果进行评价，建议下一步开展几种抑制剂共同作用的研究，这有利于我们优选出更好的泥页岩抑制剂。

参考文献

［1］梁桂煌，王真毅，冯毓品.水平井钻井技术及其在石油开发中的应用［J］.技术研究，2015，（3）.

［2］谢水祥，等.破解塔里木盆地群库恰克地区井壁失稳难题的钻井液技术［J］.天然气工业，2011,31（10）：68-72.

［3］孙红娟，等.新疆某地钠蒙脱石的季铵盐处理与插层复合物制备［J］.非金属矿，2002,25（3）:10-13.

［4］史俊，等.硅化腐植酸钠GFN-1的研制［J］.钻井液与完井液,2007，24（4）: 12-14；92.

导师简介：楼一珊（1965-），博士生导师，教授，从事岩石力学相关研究。

Horizontal well drilling fluid system optimization of DN field deflecting section

HUANG You-liang1,2，LIU Xing1,2，XUE Fei3
（1. College of Petroleum Engineering in Yangtze University, Wuhan 430100，China；2.The Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Engineering in Hubei Province,Wuhan 430100，China；3.Sinopec, the West Branch of North China Petroleum Engineering Co., Zhengzhou 400056，China）

Abstract：In recent years, horizontal well development techniques has been widely used. DN gas field development zone deflecting section of horizontal well is located in the upper layer, Its lithology is mainly mudstone, which is hydration expansion, easily dispersed, formation impellers and collapse caused underground complicated accidents.In this paper, different concentration of KCl, KPAM, CHM to sodium montmorillonite quarry were studid the expansion rate experiment. Several optimization of inhibitory further line compared to select 8%KCl as the best inhibitor.The improved drilling fluid in the on-site application show that the drilling fluid system can restrain the expansion of the mud shale well, worthy of further popularization and application.

Key words：horizontal well；drilling fluid；KCl；KPAM；CHM；mudstone

中图分类号：TE254

文献标识码：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160416

收稿日期：2015-12-30

作者简介：黄友亮（1991-），男，在读硕士研究生，研究方向：岩石力学。