新型抑制性水基钻井液技术及性能评价*

王 均，陶 操

（1.重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆401331；2.长庆油田分公司 采油三厂，陕西 西安710000）

油田化学

新型抑制性水基钻井液技术及性能评价*

王 均1，陶 操2

（1.重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆401331；2.长庆油田分公司 采油三厂，陕西 西安710000）

针对该地区页岩地层水平井段容易产生水化膨胀缩径和造浆能力强的技术难题，利用新型无机盐和聚合醇等处理剂，开发一种新型水基钻井液，并模拟焦石坝地区下志留统龙马溪组地层温度（约80℃），开展老化实验评价；实验表明：该钻井液体系具有抑制性强，滤失量小的特点。此外，利用聚磺钻井液滤液、聚合钻井液滤液、清水和所研制的水基钻井液的滤液浸泡页岩岩心，评价常温常压膨胀量。由于聚合醇胶体填充页岩的细小孔隙或微裂缝，阻挡滤液进入泥页岩地层；另一方面，无机盐中水化能力弱的K+将晶层间隙中水化半径较大和水化能力强的Ca+、Na+等离子交换出来，并与页岩晶层牢固结合，阻止晶层间距增大，抑制页岩水化膨胀；对页岩开展滚动回收率实验测试，页岩在所研制的水基钻井液中的回收率达到99.7%，体现出较强的抑制性能。

钻井液；聚合醇；抑制性；失水量

随着对页岩气资源的开发，对页岩层段井壁稳定的要求越来越高；国外利用水基体系钻进的技术日趋成熟，国内在该领域还处于基础研究阶段，主要应用油基钻井液体系[1,2,3-5]；但随着石油工业的发展，钻井成本的控制和环境保护的要求日益严格，油基钻井液的使用受到一定的限制；为了解决页岩井段的井壁稳定和环境保护等问题，本文研究了一种新型水基钻井液技术，并与焦石坝页岩岩心结合，开展实验效果评价和机理分析。实验表明:该钻井液体系抑制能力强，环保效果好，对本地区页岩气井的钻进具有一定的借鉴意义。

1 焦石坝页岩层段钻井液技术现状

焦石坝地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质含气泥页岩，集中分布在五峰组-龙马溪组底部，底板为上奥陶统涧草沟组浅灰色瘤状灰岩，钻井过程中，需要钻井液保持低失水、优良的造壁性和润滑性，以及良好流变性，保证安全快速钻进。目前，在焦石坝页岩地层的钻进中，为了维持井壁稳定、保证良好的润滑性，提速钻进，最大限度地保护油气层，预防压差卡钻，采用强抑制性油基钻井液技术。但是，我国配套的油基钻井液技术尚不成熟，油基钻井液没有系列配套的处理剂、安全、环保技术，尚没有钻井液回收处理及循环使用技术和含油钻屑的处理技术，很难实现低成本，环保问题压力大。

2 水基钻井液的基本性能

2.1 水基钻井液的配方

该钻井液体系采用无机盐（磷酸二氢钾和磷酸氢二钾）作为降滤失剂和页岩封堵材料，酚醛树脂作为抗高温处理剂，聚合醇作为抑制剂，阳离子乳化沥青作为防塌和降滤失材料，KPAM作为页岩抑制剂和包被剂以及水基润滑剂FK-10。经过室内实验，得出水基钻井液体系的配方如下。

2.2 水基钻井液体系的性能参数

为了模拟焦石坝地区下志留统龙马溪组页岩层段实际情况，实验温度设为80℃，热滚16h。

表1 水基钻井液性能指标Tab.1 Water-based drilling fluid performance indicators

2.3 几种钻井液性能参数对比研究

将所研究的水基钻井液与聚合物体系、聚磺体系开展对比实验评价，其性能指标见表2。其中聚合物和聚磺体系配方如下。聚合物：清水+4.0%膨润土+0.15%KPAM+0.15%FA-367+1.5%LS-2+3.0%SEB聚磺：清水+4.0%膨润土+0.2%FA-367+0.3%NaOH+3.0%SMC+4.0%SMP-1+3.0%RSTF+2.0%PPL

表2 3种钻井液各项性能参数对比表Tab.2 Three kinds of drilling fluid performance parameters of the table

老化后，聚磺钻井液的塑形粘度下降7mPa·s，聚合物钻井液的塑形粘度保持不变；水基钻井液的塑性粘度增高2mPa·s，由于无机盐网状结构分散于体系中，结合聚合醇浊点效应的影响，形成了致密的空间网状结构，塑形粘度必然略有增大。聚磺钻井液体系动切力下降1.5Pa，动塑比下降；聚合物钻井液体系动切力增加1.5Pa，水基钻井液体系的动切力增加了2Pa，动塑比最大，表明该体系携带岩屑能力较强[1，6，8，9]。老化后，聚磺钻井液体系的失水量增加3.5mL，聚合物体系失水量增加20mL；水基钻井液体系抑制性强，失水量仅增加0.5mL，能很好的控制失水。其主要机理：无机盐类物质的空间结构和随温度升高析出来的聚合醇分子在钻井液体系中形成一定的网状结构，增大塑性粘度，阻止了水分的渗滤。

3 水基钻井液抑制性评价

3.1 页岩的物性分析

对于本次取焦石坝地区自志留统龙马溪组页岩岩心，利用DX-2700型号X-射线扫描仪对其展开衍射实验评价，分析其矿物成分。见表3。

2．在国际贸易秩序恢复的过程中，国际贸易的制度安排是和美英两国国内的经济政策紧密相联的。当时，无论是英国还是美国，凯恩斯主义的宏观经济政策均占据着绝对主导的地位。因此，对外贸易在一国的宏观经济中是总需求的重要组成部分，从这个角度出发，我们才能理解:一国的关税减让必须建立在贸易伙伴的关税减让的前提之下;一国的贸易开放是为了创造出本国商品出口的外部条件。

图1 X射线扫描仪以及页岩衍射图谱Fig.1 X ray scanner and shale diffraction patterns

表3 页岩样品粘土相对含量（%）Tab.3 Relative content of clay shale samples

实验表明：粘土矿物主要有石英、伊利石、绿泥石、云母和沸石，有少量的正长石、石棉、蛇纹石、辉石、锰矿和大隅石等。伊利石含量最高，云母次之，其他矿物含量较少；亦即焦石坝页岩水化膨胀性弱，脆性矿物含量高，硬脆性特征明显。

3.2 页岩测试样品制备

本实验用页岩取自焦石坝地区下志留统龙马溪组，将页岩岩石碾碎成粉末状。（1）将待测页岩粉碎通过100目筛网，在烘箱内105℃烘4h，冷却至室温；（2）称取10g处理后的岩样粉末装入岩心压制模具中，在5MPa下，压制5min取出，测量其厚度并记录[1,6，10]。

图2 页岩饼制备过程Fig.2 Shale cake preparation process

3.3 实验设备和测试方法

本实验选用ZNP-1型号的钻井液常温膨胀测试仪。（1）将相应尺寸的滤纸放在页岩饼两端面后装入测量杯内；（2）放入测量连杆；（3）调整测量杯的位置使测量探头对准连杆；（4）打开常温常压膨胀仪开关，并将初始测量值置零；（5）将待测液体注入测量筒内，把安装好的测量杯放入测量筒中；（6）并开始计时，记录页岩饼的膨胀量△H（mm）随时间的变化关系[6，10，11]。

图3 常温膨胀量测定仪Fig.3 room temperature expansion of the tester

3.4 实验数据

设H为页岩饼的高度，可由游标卡尺测量，mm；△H表示试验溶液浸泡下页岩饼的膨胀量，mm。其绝对膨胀率表示为：

表4 页岩饼在几种流体中的膨胀量Tab.4 Swelling of shale cake in several fluids

将页岩样品在几种钻井液中的膨胀量绘图如下。

图4 页岩饼在不同流体滤液的膨胀曲线Fig.4 Swelling curve of shale cake in different fluid filtrates

水基钻井液体系中的无机盐含有K+，水化能力弱，容易进入页岩晶层间隙，将水化半径和水化能较大的Ca+、Na+等离子交换出来，进入六角环氧空间的K+与黏土晶片结牢固合，抑制晶层间距增大[1,10,12]；老化时，温度升高，由于聚合醇浊点效应，当温度高于浊点温度时，聚合醇分子逐渐从水中分散出来，形成乳状液，呈现出憎水性，在井壁上粘附形成一层憎水膜，与部分无机盐进入页岩细微孔隙中或者吸附在页岩表面，缩小孔隙尺寸甚至填充细小微裂缝，阻挡自由水份进入岩石内部，在页岩外壁形成一层渗透率极低的隔膜，抑制页岩水化，阻止其溶胀、脱落、垮塌，降低页岩的水化膨胀量,真正起到稳定井壁的效果[1,13-17]。

4 页岩滚动回收率分析

泥页岩滚动分散实验是用于评价泥页岩分散性最常用的实验方法。该方法利用滚动模拟岩屑在井下运移情况，实验温度可调节为井下温度，实验时间一般为16h[10]。本次实验步骤如下：

（1）将龙马溪组页岩粉碎，筛选取6～10目的岩样碎屑，在烘箱中（105℃条件下）烘干4h，冷却至室温[6]；

（2）精确称取6～10目的岩样碎屑50.0g，分别装入盛有350mL清水、水基钻井液、聚合物钻井液和聚磺钻井液的老化罐中，拧紧杯盖，确保密封良好[3]；

（3）将老化罐放入滚子加热炉中，在80℃的恒温条件下，热滚16h，取出老化罐冷却至室温[4]；

（4）将老化罐内的岩样碎屑过30目筛网，并用自来水冲洗1min，将筛子内的碎屑放到烘箱中（105℃条件下）烘干4h，取出岩样碎屑冷却至室温并静放24h后称重，记为Mg。

图5 页岩分散实验Figure 5 shale dispersion experiment

（5）实验数据处理：将岩样回收率记为R30；

表5 滚动回收率数据Tab.5 Scattered experimental data

页岩在几种流体中的回收率都较高，在所研制的水基钻井液中的回收率高于其他流体，回收率达到99.7%，体现出较强的抑制性能。

5 结论

（1）本文研究的水基钻井液体系热稳定性好，在80℃，滤失量较低。

（2）水基钻井液体系能够很好的抑制页岩吸水膨胀，有利于维持页岩段井壁稳定。

（3）页岩蒙脱石含量低，具备硬脆性矿物特征，不易水化膨胀、分散性差，在水基钻井液中的回收率高。

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New water-based drilling fluids suppression technology and performance evaluation*

WANG Jun1，TAO Chao2
（1.Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331,China;2.Changqing Oilfield Company Oil Production Factory,Xi′an 710000,China）

For the technical problems of shale formations horizontal section proning to hydration expansion necking and strong pulping in jiao shiba area,developmented a new water-based drilling fluids using new inorganic and polymeric alcohol treatment agent and conducted evaluation simulation Longmaxi Silurian formation temperature （about 80℃）.The results showed that:drilling fluid system has the characteristics of strong inhibition and a small amount of fluid loss.Moreover,evaluated shale expansion amount in normal temperature and pressure using polysulfonatemud filtrate,polymerization mud filtrate,water and the development of water-based drilling fluid filtrate soaked shale cores.Since the polymeric alcohol colloid filling small voids ormicrocracks shale barrier filtrate into shale formations;On the other hand,weak hydration K+inorganic salts exchange out larger radius and hydration hydration ability of Ca+,Na+ion from the crystal layer gap and combined with a solid shale crystal layer.prevents crystal layer spacing increasing,inhibition of shale hydration expansion.Scroll to carry out the recovery of shale experimental test,developed shale in water-based drilling fluid recovery rate of 99.7%,reflecting the strong rejection.

drilling fluid;polymeric alcohol;inhibiting;water loss

TE254

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170436

2017-01-16

重庆市教委基金项目“适于页岩气地层的新型钻井液技术研究”（No.KJ131406）

王 均（1980-），男，汉族，硕士，讲师，主要从事钻井液技术方面研究。