一种低土相高密度抗钙钻井液体系

王树永，赵小平，吕本正，刘相兴

（1.中国石油大学（华东）科学技术研究院油田化学工程中心，山东东营257061；2. 山东得顺源石油科技有限公司，山东东营257066；3. 中石化胜利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒841000）

一种低土相高密度抗钙钻井液体系

王树永1，2，赵小平3，吕本正1，刘相兴1，2

（1.中国石油大学（华东）科学技术研究院油田化学工程中心，山东东营257061；2. 山东得顺源石油科技有限公司，山东东营257066；3. 中石化胜利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆库尔勒841000）

王树永等.一种低土相高密度抗钙钻井液体系［J］.钻井液与完井液，2016，33（5）：41-44.

土库曼斯坦阿姆河右岸区块地层基莫利阶为一套盐岩及石膏岩，且含有高压盐水层，在钻进该井段时，高密度钻井液易被侵入的钙镁污染，导致钻井液的流变性、滤失量等性能发生剧烈变化，流变性与沉降稳定性更加难以平衡，易导致复杂情况发生。针对现场地层情况，研究开发了一种低土相高密度抗钙钻井液体系D-ULTRACAL，通过使用新型增黏降滤失剂DSP-1，减少膨润土的加量，提高了钻井液的抗钙能力，并保持较低的滤失量；应用钻井液密度为2.0 g/cm3，以防止井涌，稳定井壁；钻井液含有浓度接近饱和的氯化钠，可以抑制盐膏层的溶解。该体系抗温达150 ℃，API滤失量小于3.0 mL，高温高压滤失量小于15.0 mL；抑制性强，与自来水相比，岩屑回收率提高率达113.7%，岩心膨胀降低率达80.5%；抗钙离子污染能力达4 936 mg/L。在土库曼斯坦阿姆河右岸区块基尔桑气田Gir-24D井的现场试验表明，该钻井液体系在钻巨厚盐膏层特别是厚石膏层时具备优异的流变性能和滤失性能，现场钻井过程顺利。

低土相钻井液；高密度钻井液；抗钙；欠饱和盐水

0　引言

土库曼斯坦阿姆河右岸区块地层基莫利阶为一套盐岩及石膏岩且含有高压盐水层，厚度约400～1 200 m。该地区盐膏层间高压盐水为“透镜”状， 分布不规律，压力系数高， 高价离子矿化度高，一旦钻遇，高浓度的钙离子很快污染钻井液，严重影响钻井液的流变性与滤失性能。在现场钻井过程中，需要使用高密度钻井液应对高压盐水层和多套压力系统，平衡地层压力，防止井涌等复杂情况发生［1］。但钻遇巨厚盐膏层时，在井下高温、高压环境下，高密度钻井液被钙镁离子持续污染，钻井液的流变性、滤失量等性能变化剧烈，流变性与沉降稳定性更加难以平衡，易导致复杂情况发生。

通过对高密度钻井液的性能特点分析，膨润土对钻井液的流变性和滤失量及抗污染能力影响很大：由于高密度钻井液具有极高的固相含量，膨润土水化状态及空间架构的变化对钻井液的滤失量及流变性影响巨大；并且膨润土对高价离子非常敏感，二价的钙镁离子会连接带负电的黏土颗粒，严重破坏扩散双电层，导致钻井液性能突变，滤失量增加，流变性变差［2］，泥饼变厚且结构松散。

若要提高钻井液抗钙镁离子污染的能力，减少钻井液中膨润土含量是一种有效的解决办法，但同时需要解决因膨润土减少带来的钻井液悬浮稳定性问题，特别是高温下悬浮稳定性问题。因此，研究一种能够替代膨润土，既能解决加重材料高温悬浮问题，又能具有抗盐、抗钙镁能力的处理剂，形成具有良好滤失性能、流变性和抗钙能力的低土相高密度抗钙欠饱和盐水钻井液体系，对于安全钻进盐膏层和高压盐水层，减少井下复杂情况，提高钻井效率具有重要意义。

1　增黏降滤失剂的研制

1.1增黏降滤失剂DSP-1的合成

①在前期实验的基础上选取5种单体，分别为丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯腈和N- 异丙基丙烯酰胺，按照质量比为3∶2.5∶9∶2∶1准确称量单体，并加入适量表面活性剂，于蒸馏水中搅拌均匀；②加入占单体总质量0.3%的硅烷偶联剂，搅拌均匀，用计量的氢氧化钠水溶液调节至pH值为8～9，加入蒸馏水调节体系质量浓度为20%～30%；③于60 ℃下，通氮气30 min后，加入定量的引发剂，反应3 h后，得到胶状产物；④将胶状产物干燥粉碎，即得具有优良增黏、降滤失效果的主处理剂聚合物DSP-1。

1.2作用机理分析

DSP-1以高键能的C—C键为主链，磺酸基、氰基、酰胺基、羧基为水化基团，具有较大的分子量、适度交联形成的网状结构，使其表现出良好的增黏提切和耐高温降解的效果；引入N-异丙基丙烯酰胺单体后，聚合物在高温下具有温度敏感效应，疏水部分发生聚集，不但能够提高钻井液黏度和切力，还能形成不溶性胶团，起到封堵降滤失的效果。因此，该剂在低土相钻井液中也能起到增黏提切的作用，并能够降低滤失量，解决了高盐、低黏土相、高密度钻井液的高温悬浮降滤失难题。

2　钻井液配方研究

低土相高密度抗钙欠饱和盐水钻井液体系的研究思路是通过减少钠膨润土的加量， 并使用钾离子抑制钠膨润土的水化， 降低钻井液对钙离子的敏感性， 提高钻井液抗钙能力；通过使用增黏降滤失剂DSP-1， 解决由于土相减少造成的流变性差、 黏度切力不足、 加重材料悬浮稳定性下降以及滤失量增大等问题；高密度是平衡高地层压力， 稳定井壁的有效措施；使用欠饱和盐水体系， 防止盐膏层过度溶解形成 “大肚子” 井段。所用基本配方如下。

1#自来水+0.5%钠膨润土+0.1%KPAM+（0.5%～2%）DSP-1+1%SPNH+1%AP-1+5%KCl+ 30%NaCl+ 0.4%NaOH+2.5%FF-Ⅱ+重晶石， 密度为2.0 g/cm3

体系中KPAM、AP-1与氯化钾协同作用：对土相的含量和分散性进行有效控制； SPNH有降滤失及调流型的作用；FF-Ⅱ为改性沥青粉，用于降低高温高压滤失量、稳定井壁。

2.1增黏降滤失性能

在基本配方中分别加入0.5%、1%、2%的增黏降滤失剂DSP-1，并测定钻井液基本性能和重晶石静态沉降稳定性［3］，结果如表1所示。根据实验现象和结果分析可知，在DSP-1加量为0.5%时，钻井液的黏度、切力不足，重晶石沉降明显，上层和下层密度差达0.62 g/cm3；加量为1%时，能够满足悬浮重晶石的要求，上下密度差小；当加量为2%时，黏度切力较大。因此将增黏降滤失剂加量确定为1%。

表1　DSP-1不同加量下钻井液的基本性能

2.2润滑性能

选取了聚合醇润滑剂、塑料小球、低荧光润滑剂HY-203、极压润滑剂HEP、改性石墨、乳化石蜡等多种润滑剂，加入加重钻井液基本配方中，使用OFI-112型极压润滑仪测定其润滑效果。实验结果表明，加入HEP后的润滑系数降低率为78%，而其余几种常见润滑剂在高密度钻井液中的润滑系数降低率均低于30%，润滑效果较差。HEP是含有特殊成分的油基润滑剂，其可以通过化学吸附作用改善钻杆和加重材料的摩擦面，对高密度钻井液有良好的润滑效果，因此选择HEP作为润滑剂。

2.3D-ULTRACAL钻井液配方及性能

通过钻井液处理剂的优选及配方研究，统筹调整钻井液流变性、滤失量、抗钙等性能，优选出的D-ULTRACAL钻井液配方如下。

2#自来水+0.5%钠膨润土+0.1%KPAM+1% DSP-1+1%DSP-2+1.5%DSP-X+1%SPNH+1%AP-1+ 4%HEP+2.5%FF-Ⅱ+5%KCl+30%NaCl+0.4% NaOH +重晶石，密度为2.0 g/cm3

按照GB/T 16783.1—2014中的方法测试了D-ULTRACAL钻井液的性能，结果如表2所示。可以看出，该体系在室温、120 ℃和150 ℃老化后，仍然有比较高的切力，有利于悬浮加重材料和携带岩屑；180 ℃老化后，切力变小，有固体沉淀物析出。

2.3.1抗氯化钙污染能力

向300 mL配制的D-ULTRACAL钻井液中分别加入4、 8、 12 mL质量分数为33%的氯化钙水溶液，测定其基本性能，结果见表3。由表3可知，随着钙离子浓度升高，钻井液老化后黏度、 切力降低，滤失量增加，说明钙离子加速了聚合物的降解；在4 936 mg/L钙离子和高温共同作用下，D-ULTRACAL钻井液仍保持较好的性能，能够解决高密度钻井液钻遇大段石膏层或遇到氯化钙盐水时的钙污染问题。

表2　D-ULTRACAL钻井液的抗温实验结果

表3　钙离子侵入对D-ULTRACAL钻井液性能的影响

2.3.2抑制性

选用胜利油田营722平2井泥岩岩样，经水洗、 风干、 粉碎、 过孔径为2.00～3.20 mm的筛， 对D-ULTRACAL钻井液进行岩屑回收实验；使用页岩膨胀仪进行岩心膨胀实验，实验数据如表4所示。由表4可以看出，该体系具有较强的抑制性，可以控制页岩水化分散，有利于井壁稳定。

表4　D-ULTRACAL钻井液的岩屑回收率和岩心膨胀量

3　现场应用

Gir-24D井是位于土库曼阿姆河右岸基尔桑气田主体构造高部位的一口大斜度开发井，该井二开井段地层为白垩系下统的阿普特阶、巴雷姆阶、戈捷里夫阶，主要岩性为泥岩、灰岩夹薄层石膏，凡兰吟阶开始出现膏盐岩；侏罗系上统的提塘阶为泥岩夹粉砂岩及薄层石膏，基莫利阶为3层石膏层夹2层盐层。设计在井深2 630 m进入硬石膏层， 所以钻至井深2 544 m进入提塘阶前，进行小型实验。根据钻井液的设计要求及井浆性能， 加入DSP-1、KPAM等处理剂的胶液，降低膨润土含量小于1%，调整NaCl含量至30%、KCl含量至4%～6%， 并加入加重材料使钻井液密度提升至1.90 g/cm3， 测定性能制定转换方案。转换时根据小型实验情况，依次加入0.1%KPAM、1%DSP-1、1%DSP-2、1.5% DSP-X、 1%SPNH、 5%KCl、 30%NaCl、 1%AP-1、4%HEP，加重至密度为1.90 g/cm3，配合使用孔径小于0.125 mm的细目振动筛、串联高低速离心机等固控设备，除去多余的土相和石膏，并保持钻井液密度。转换为低土相高密度抗钙钻井液后，测定膨润土含量、黏度、滤失量、离子浓度，达到设计要求。转换前后钻井液性能如表5所示。

表5　低土相高密度抗钙钻井液转换前后性能对比

转换完成后， 每钻进100 m，加入20 m3由100 kg KPAM、200 kg AP-1 、200 kg DSP-1、200 kg DSP-2、300 kg DSP-X、200 kg SPNH、400 kg HEP配制的胶液维护。该井共钻遇盐层759 m，石膏层447 m，钻井液性能稳定，振动筛返出钻屑砂样清晰，起下钻正常，摩擦阻力不超过100 kN，高温高压滤失量低。二开井段钻井周期计划为60 d，实际天数为46 d，大大提高了该地层的钻井时效，平均井径数据如表6所示，井身质量良好。低土相高密度抗钙钻井液表现出了极强的抗盐钙能力，解决了钻巨厚石膏层钻井液滤失及流变性能难以控制的问题。

表6　低土相高密度抗钙钻井液应用井段井径

4　结论

1.通过使用新型增黏降滤失剂DSP-1，减少了膨润土的加量，提高了钻井液体系的抗钙能力，并保持了较低的滤失量；钻井液密度为2.0 g/cm3，有利于平衡高压地层的压力，防止井涌，稳定井壁；钻井液含有浓度接近饱和的氯化钠，可以抑制盐膏层的溶解。体系抗高温达150 ℃，老化前后滤失量小；抑制性强，与自来水相比，岩屑回收提高率达113.7%，岩心膨胀降低率达80.5%；抗劣质土污染能力强，抗钙离子污染能力达4 936 mg/L。

2.在土库曼斯坦阿姆河右岸基尔桑气田Gir-24D井现场试验表明，低土相高密度抗钙钻井液D-ULTRACAL在钻巨厚盐膏层特别是厚石膏层具备较好的流变性能和滤失性能，现场钻井过程顺利。

［1］樊相生， 曾李， 张勇， 等. 元坝地区高密度超高密度钻井液技术［J］. 钻井液与完井液，2014，31（2）：31-34. FAN Xiangsheng， ZENG Li， ZHANG Yong， et al. Ultrahigh density drilling fluid technology used in yuanba［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid，2014，31（2）：31-34.

［2］王杰东， 杨立， 郑宁， 等. 玛北1井四开抗高钙盐水侵钻井液技术［J］. 钻井液与完井液， 2013，30（6）：88-90. WANG Jiedong，YANG Li，ZHENG Ning，et al. The drilling fluids techniques on anti-contamination of calcium-rich brine in the fourth interval of mabei-1［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2013， 30（6）：88-90.

［3］林枫，由福昌，王胜翔，等. 加重钻井液防重晶石沉降技术［J］. 钻井液与完井液，2015，32（3）：27-29. LIN Feng， YOU Fuchang，WANG Shengxiang，et al.Study on prevention of barite sedimentation in weighted drilling fluids［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015， 32（3）：27-29.

A Calcium Tolerant High Density Low Clay Drilling Fluid

WANG Shuyong1，2， ZHAO Xiaoping3， LU Benzheng1， LIU Xiangxing1，2
（1. Engineering Center of Oilfield Chemistry of the Research Institute of Science and Technology， China University of Petroleum， Dongying， Shandong 257061；2. Shandong Deshunyuan Petroleum Science and Technology Corporation Limited， Dongying， Shandong 257066；3. Tarim Branch of Shengli Petroleum Engineering Ltd.， Sinopec， Korla， Xinjiang 841000）

The formation rocks of the Kimmeridgian stage on the right bank of the Amu Darya River， Turkmenistan， are halite and gypsum stone. High density drilling fluids used to drill this formation have always been contaminated by calcium and magnesium from the high pressure formation water， resulting in poor mud rheology and high filtration rate. The deteriorated mud rheology and filtration performance in turn resulted in other downhole troubles. A calcium tolerant high density low clay drilling fluid，D-ULTRACAL was developed to deal with these problems. A filter loss reducer， DSP-1， was used in the drilling fluid. DSP-1 can increase the viscosity of the drilling fluid， in this way reducing the clay content， improving the calcium tolerance and minimizing the filter loss of the drilling fluid. The density of the drilling fluid was 2.0 g/cm3， sufficient to prevent well kick and to protect the borehole wall from collapsing. The drilling fluid had salt content almost to saturation to minimize the dissolution of the salt and gypsum rocks. The properties of the drilling fluid remained stable at temperatures up to 150 ℃， and the filtration rate was only slightly affected by high temperature aging. On a hot rolling test， the percent recovery of shale cuttings reached 113.7%， and on a shale core swelling test， the percent reduction in the expansion of shale cores was 80.5%， indicating the strong inhibitive capacity of the drilling fluid. Calcium tolerance of the drilling fluid was 4 936 mg/L. This drilling fluid has been used to drill the well Gir-24D，which is located in the Girsan gas field， right bank of the Amu Darya River， Turkmenistan， and the thick salt and gypsum rock formations were successfully penetrated with no downhole troubles.

Low clay drilling fluid； High density drilling fluid； Calcium tolerant； Under-saturated saltwater

TE254.3

A

1001-5620（2016）05-0041-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.008

王树永，高级工程师，1971年生，毕业于中国石油大学（华东）泥浆专业，研究领域为钻井液体系和钻井液处理剂研究、钻井废弃物无害化处理技术等。电话 （0546）8219266；E-mail：wangsy@deshunyuan.com。

（2016-4-8；HGF=1604M4；编辑马倩芸）