强抑制有机胺聚磺钻井液体系的研究及应用

张志财（中国石化集团胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017）



强抑制有机胺聚磺钻井液体系的研究及应用

张志财
（中国石化集团胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017）

渤南义123和义173区块是胜利油田2012年非常规区块产能建设重点工程，油藏埋深平均在3 500 m左右。该地区上部地层泥岩黏土含量高，易水化分散、缩径，下部含有大段泥页岩及砂泥岩薄互层，需要采用钻井液技术解决水化膨胀引起的井壁失稳、井眼净化和摩阻扭矩大等难题。室内通过关键处理剂的优选和评价，研制了强抑制有机胺聚磺钻井液体系。室内评价和多口井的现场应用结果表明，该体系性能稳定，抑制能力和润滑能力强，具有和油基钻井液相近的岩屑回收率，成功解决了长水平段水平井的泥岩坍塌、大井眼携岩、托压、黏附卡钻等问题，无井下复杂情况发生，保证了井下安全，使钻井周期明显缩短。

非常规水平井；井壁稳定；抑制性；润滑性；泥页岩

0　引言

随着石油资源的日益紧缺，非常规油气资源的勘探开发备受瞩目。非常规水平井一般水平段长，多数超过1 000 m，且含大段泥岩或砂泥岩薄互层，泥岩微裂缝发育，导致钻井过程中易发生井壁垮塌、漏失、缩径、起下钻困难等井壁稳定问题［1-3］，加之大斜度井段携岩困难［4］，易形成岩屑床，引起摩阻扭矩大等难题［5-7］。因此，非常规水平井钻井液关键技术分3个方面，即井壁稳定技术、润滑技术及井眼清洁技术。

近年来，国外不断研制出符合现代环保要求的水基钻井液，如美国贝克休斯公司开发的高性能水基钻井液体系（HPWBM）［8-9］、麦克巴公司的ULTRA-DRILL体系［10］，它们具有和油基钻井液相似的抑制性和润滑性［11-14］，已获得成功应用。为了降低钻井液成本，提高安全及环保性能，满足非常规水平井的现场施工需求，室内开展了强抑制性水基钻井液技术的研究。从抑制性、封堵性及润滑性等性能评价入手，优选出强抑制剂有机胺、高效润滑剂LBJ，并确定强抑制有机胺聚磺钻井液体系的配方。该体系具有较好的抑制性和润滑性，在胜利油田渤南义123和义173区块进行了应用，成功解决了非常规地层井壁稳定问题，取得了良好效果。

1　室内研究

1.1页岩抑制剂

室内优选了一种有机胺抑制剂，利用岩屑滚动回收实验和线性膨胀率实验对有机胺抑制剂进行了评价。实验结果如表1所示。

表1　页岩抑制性评价实验结果　%

由表1可以看出，2%有机胺抑制剂的线性膨胀率均小于7%KCl和7%KCl+2%聚合醇的混合物，一次回收率也明显高于二者，这说明有机胺抑制剂具有较好的页岩抑制性，能够有效抑制页岩的水化分散作用。

在5%膨润土浆中分别加入2%有机胺抑制剂和7%KCl，养护24 h后利用激光粒度仪测试其粒度分布，测试结果如表2所示。

表2　页岩抑制剂对基浆粒度分布的影响

由表2可看出，页岩抑制剂的加入可显著改变体系中黏土颗粒的大小分布和比表面积，黏土平均粒径由大到小依次为有机胺、KCl和基浆，比表面积由大到小依次为基浆、KCl和有机胺。这说明有机胺更能有效抑制黏土颗粒的水化分散，使黏土颗粒保持较大粒径。

1.2封堵剂

泥页岩大多层理和微裂缝较发育，能对裂缝快速封堵是稳定井壁的重要措施。利用封堵性颗粒或胶体在裂缝内迅速架桥、填充、封堵，在井壁表面建立不渗透保护层，以达到阻止水沿裂缝迅速深入地层的目的。

室内优选了几种纳米级封堵材料，通过高温高压滤失实验（120℃，3.5 MPa）和压力传递实验（120℃，30.0 MPa）进行了性能评价，结果见表3、图1。表3中，基浆配方为5%膨润土浆+0.2%烧碱+0.3%PAM+3% SD-101+2%防塌降滤失剂+0.5%磺酸盐+0.5%LV-CMC（以下同）。可以看出：胶乳沥青和纳米乳液复配使用，可以明显改善钻井液的封堵性能，使钻井液高温高压滤失量大大降低，减缓压力传递。这是因为，通过不同粒径的封堵颗粒进行架桥封堵地层孔隙，沥青类材料在高温软化后挤入封堵颗粒之间的缝隙，并在井壁表面建立一层疏水性不渗透保护层，从而减少水相对泥页岩的侵入。

表3　不同封堵材料的对比实验

图1　压力传递实验

1.3润滑剂

1.3.1润滑性的影响因素

影响钻井液润滑性的主要因素有钻井液性能和润滑剂。钻井液性能包括黏度、切力、固相含量及类型、滤失量及泥饼质量。随钻井液密度、固相含量的增加，钻井液的黏度、切力也会相应增大，钻井液润滑性能也随之变差；同时固相含量增大，泥饼也会相应增厚，黏附系数增大，从而大大影响体系的润滑性能；合理的粒度级配能够形成薄且致密的泥饼，可以提高泥饼润滑性；若固相颗粒分散太细，比表面积大大增加，也会使摩擦阻力大大增加。良好的润滑剂可有效降低钻井液的摩阻，提高体系的润滑性，减小钻具和井壁之间的摩擦力，从而减轻或避免托压现象。

1.3.2润滑剂的评价

室内利用极压润滑仪和黏附系数测定仪对液体润滑剂LBJ和其他常用润滑剂进行了对比评价，实验结果见图2。可以看出，润滑剂LBJ的润滑系数和黏附系数均最小，润滑效果最好。1.3.3合理调整粒度级配

图2　润滑剂的对比评价

合理的粒度级配不仅可以提高钻井液的封堵性，也可以通过提高泥饼质量，减小泥饼厚度，降低钻具与泥饼的接触面积，从而提高钻井液的润滑性。

利用激光粒度仪对添加不同粒径材料的溶液进行粒度分析，结果见表4。可以看出，通过改善钻井液中固相颗粒的粒度级配，形成更加致密且薄的滤饼，可以进一步降低钻井液的摩擦因数，提高钻井液润滑性。

表4　粒度级配对钻井液润滑性的影响

1.4钻井液配方及性能评价

在确定主处理剂（页岩抑制剂和润滑剂）之后，通过室内评价实验和正交实验，得到了强抑制有机胺聚磺钻井液体系的基本配方：基浆+0.3%PAM+（1.5%～2.0%）有机胺+（2.0%～2.5%）磺化酚醛树脂+（2%～3%）防塌降滤失剂+（1.0%～1.5%）磺酸盐共聚物+（1.5%～2.0%）超细碳酸钙+2%胶乳沥青+2%纳米乳液+（6%～8%）原油+（2%～3%）LBJ+加重剂。

1.4.1基本性能评价

密度为1.45 g/cm3，实验温度为150℃，热滚16 h前后该配方的基本性能如表5所示。可以看出，强抑制有机胺聚磺钻井液体系完全满足中压滤失量不大于4.0 mL、高温高压滤失量不大于12.0 mL的设计要求，可减少滤液进入地层，有利于井壁稳定，同时润滑性能良好，有利于降低摩阻和扭矩，满足水平井黏附系数小于0.1的基本要求。

表5　强抑制有机胺聚磺钻井液体系的基本性能

1.4.2岩屑滚动回收实验

分别对清水、油基钻井液与强抑制有机胺聚磺钻井液进行了岩屑滚动回收实验。结果表明：清水的岩屑回收率较低（35.8%），说明岩屑易水化分散；强抑制有机胺聚磺钻井液体系的岩屑回收率（89.3%）远大于清水的回收率，与油基钻井液（91.8%）比较接近，说明该体系具有良好的抑制页岩水化膨胀的作用，有利于井壁稳定。

2　现场应用

渤南义123、义173区块是胜利油田非常规开发的重点区块，强抑制有机胺聚磺钻井液体系先后在该区块的9口非常规水平井进行了现场试验。井深最浅为4 666 m，最深为5 340 m，累计进尺43 982 m；水平段最短为932 m，最长为1 450 m。根据地层特点，该区块非常规水平井均采用三开井身结构，在二开进入沙河街组前转化为强抑制有机胺聚磺钻井液体系，通过对该体系的不断改进和钻井技术的不断完善，钻井周期越来越短，所用成本越来越低，并且创出胜利油田非常规深井水平井多项施工纪录，显示了该钻井液技术的良好应用效果。

2.1现场钻井液维护与处理

1）保持有机胺加量的稳定，强化钻井液抑制性。上部地层采用有机胺抑制剂和絮凝剂聚丙烯酰胺的合理搭配，增强体系的整体抑制性；下部地层井底温度较高，则使用抗温性较好的磺酸盐共聚物与有机胺配合使用。聚合物加量保持在0.3%～0.5%，有机胺加量在二开控制在1.0%～1.5%，三开控制在1.5%～2.0%，使钻井液体系始终处于高抑制状态。

2）提高钻井液封堵能力。针对水平段裂缝发育的情况，通过加入树脂、胶乳沥青、纳米乳液，配合1.5%超细碳酸钙来提高钻井液的封堵能力。

3）加强固相控制。全面开启四级固控设备，采用高目数振动筛筛布，定时开启离心机，及时高效地清除劣质固相，保证钻井液中较低的固相含量，不仅有利于保持良好的钻井液性能，而且可以降低固相引起的摩阻，提高泥饼质量。

4）提高钻井液润滑性。实钻过程中，根据滑动钻进的钻压监测及起下钻的摩阻分析，适当提高液体润滑剂LBJ的加量，并补充原油含量，进而保持体系良好的润滑性。在钻进过程中，体系的泥饼黏附系数控制在0.05以下。在电测和下套管前，还要进一步增强钻井液的润滑性。电测前，在裸眼内的钻井液中补充1%润滑剂LBJ；在下套管前，用1%液体润滑剂LBJ和1%固体润滑剂石墨粉来封闭整个裸眼段，以确保下套管作业的安全。

2.2应用效果

强抑制有机胺聚磺钻井液体系在非常规长水平段水平井的成功使用，较好地解决了钻井过程中的井壁稳定、摩阻与扭矩以及井眼净化等技术难题，达到了较理想的施工效果，完全可以满足大段泥岩长水平段水平井的钻井需求。

1）抑制性强，防塌效果好。义123区块二开裸眼段长均超过3 000 m，最长为3 645 m（义123-1HF井），最短也有3 192 m，均没有发生钻井液引起的井壁稳定问题，井径规则，电测成功率达到100%，三开井径扩大率均在6%以下。其中，义123-1HF井（斜井段长1 277 m、扭方位100°）软测井创造了一次测井成功的最高指标，即软测井能测到井深3 700 m，井斜70°，方位变化100°。

2）机械钻速高，钻井周期短。与本区块其他非常规井相比，义123-10 HF井钻井周期为62.42 d，全井机械钻速为6.76 m/h，为该区块钻井周期最短、机械钻速最快的纪录；义123-11HF井三开钻井周期为15 d，三开机械钻速为5.58 m/h，为该区块三开水平段钻井周期最短、机械钻速最快的纪录。

3）润滑效果好。泥饼黏附系数控制在0.04～0.07，二开斜井段钻进摩阻在78.4～98.0 kN，三开水平段钻进摩阻保持在58.8～78.4 kN，平均扭矩在10 kN·m以下，解决了长水平段井眼的润滑和摩阻难题，同时有效解决了托压难题，保证了纯钻时效，保障了钻进和起下钻的安全。

4）携岩能力强，井眼净化效果明显。二开斜井段动塑比在0.5 Pa/（mPa·s）左右，动切力在10～16 Pa；三开水平段动塑比在0.6 Pa/（mPa·s）以上，动切力在12～18 Pa。合理的钻井液流变参数保证了岩屑的充分携带，并配合短起下钻等工程措施及推稠塞，确保了良好的井眼净化效果。

3　结论

1）强抑制有机胺聚磺钻井液体系具有较强的抑制性和稳定性，解决了上部地层造浆、下部地层大段泥岩水化垮塌、起下钻遇阻等问题，保证了井壁稳定，降低了井径扩大率，并提高了机械钻速，缩短了钻井周期，节约了成本。

2）针对非常规井具有水平段长、含大段泥岩或砂泥岩薄互层等特点，室内研制出液体润滑剂LBJ，可以显著提高钻井液的润滑性，润滑效果和油基钻井液相近。钻进过程中，摩阻和扭矩均大幅度降低，有效解决了润滑和托压难题，保证了纯钻时效和井下安全。

3）该体系具有良好的流变性，通过调整钻井液流变参数、提高动塑比以及在不同井斜段调整钻井液流态，保证了钻井液的悬浮能力和携岩能力，配合短起下钻等工程措施，及时有效地清除了岩屑床，保证了井眼清洁。

4）通过胜利油田非常规水平井的顺利施工，说明该钻井液体系完全可以满足泥页岩水平井对钻井液抑制性、井壁稳定、井眼净化和润滑性能的要求，可以推广应用。

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（编辑赵卫红）

Study and application of highly inhibitive organic amine polysulfonate drilling fluid

Zhang Zhicai
（Research Institute of Drilling Technology，Shengli Petroleum Engineering Co.Ltd.，SINOPEC，Dongying 257017，China）

Yi 123 and Yi 173 Areas are the major project of deliverability in unconventional areas of Shengli Oilfield.The average reservoir depth is about 3，500 m.In the upper formations，the caly content is much high in the mud rock，which will cause borehole instability caused by hydration expansion.While in the lower formations，there are interbeds of shale，sand and mud rocks.The drilling fluids should solve these problems such as bole instability caused by hydration expansion，hole cleaning，lubrication and friction.With agent optimization and evaluation experiments，a highly inhibitive organic amine polysulfonate drilling fluid is developed.The lab results and field application show that the drilling fluid system has stable properties，good inhibition and lubricity.Its shale recovery is close to that of oil-based drilling fluid.The problems such as borehole caving，sloughing，cuttings carrying and pipe sticking are effectively solved，which provides a reference for efficient development of unconventional oil and gas reservoirs.

unconventional horizontal well；borehole stability；inhibition；lubricity；mud shale

国家科技重大专项“断块油田特高含水期提高水驱采收率技术”课题“断块油藏复杂结构井钻完井技术”（2011ZX05011-003）

TE254

A

10.6056/dkyqt201601024

2015-08-17；改回日期：2015-10-27。

张志财，男，1984年生，工程师，硕士，2010年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，现从事油田钻井液研究及现场钻井液技术服务工作。E-mail：zhangzc1@126.com。

引用格式：张志财.强抑制有机胺聚磺钻井液体系的研究及应用［J］.断块油气田，2016，23（1）：109-112.

Zhang Zhicai.Study and application of highly inhibitive organic amine polysulfonate drilling fluid［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23 （1）：109-112.