强抑制封堵钻井液体系研究及应用

张坤 刘南清 王强 王磊磊 龚纯武 郭剑梅

中国石油集团渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司

强抑制封堵钻井液体系研究及应用

张坤 刘南清 王强 王磊磊 龚纯武 郭剑梅

中国石油集团渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司

针对伊拉克米桑油田Fauqi区块钻井过程中易发生井壁坍塌、漏失难题，设计开发了新型强抑制封堵钻井液体系。该体系通过KCl、硅酸钠和聚胺抑制剂的多元复合作用，实现对页岩水化分散的有效抑制，页岩膨胀率较清水降低67.6%，毛细管吸入时间较清水降低64.4%。该体系在物理封堵基础上配合硅酸盐的化学固壁作用，低渗沙盘封堵试验滤失量仅为9.6 mL，能有效封堵地层孔隙、微裂缝，减少滤液对地层侵入，提高井壁稳定性，避免井下漏失发生。该体系在伊拉克米桑油田FQCS-41井的五开井段进行了现场应用，结果表明该体系在钻进过程中性能稳定，流变状态良好，井径规则，五开井段平均井径扩大率仅为1.2%。

强抑制；强封堵；水基钻井液；井壁稳定

伊拉克米桑油田群是以白垩系和第三系碳酸盐岩油藏为主的大型油田，主要开发对象包括第三系的Asmari油藏和白垩系Mishrif油藏［1］，其中Upper Fars地层上、中部主要为大套泥岩，下部为大套泥岩夹薄层石膏，Lower Fars地层主要为泥岩和厚薄不均的石膏不等厚互层，下部地层以灰岩为主，钻井施工中极易发生井壁失稳、漏失等复杂情况［2］。针对地层特性开发新型强抑制封堵钻井液体系，体系中引入硅酸钠，不仅可以提高钻井液的抑制性，还可以通过化学作用，有效封堵井壁孔隙和微裂缝，减小孔隙压力传递作用，实现化学固壁，保障井下安全［3］。

1 实验材料和仪器

Experimental materials and instruments

主要原料：膨润土、Na2CO3、KCl、硅酸钠、流型调节剂BZ-HXC、抗温抗盐降滤失剂BZ-JLS-I、聚合醇BZ-YRH、防塌封堵剂BZ-YFT、聚胺抑制剂BZYZJ、细目钙、重晶石。

主要仪器：高温滚动加热炉，ZNN-D6S型旋转黏度计，ZNS-4中压失水仪，OFI高温高压滤失仪，CST毛细管吸入时间测定仪，OFI高温高压封堵仪，NP-01A线性页岩膨胀仪。

2 各因素对钻井液性能影响

Effects on the performance of drilling fluids

实验钻井液基浆配方如下：水+2%膨润土+0.3%Na2CO3+1%～6%硅酸钠+0.1%BZ-HXC+1.5%BZJLS-Ⅰ+1%BZ-YRH+1%BZ-YFT+7%KCl+0.5%BZYZJ+10%细目钙（325目）+10%细目钙（600目）+ 重晶石。

通过实验考察硅酸钠加量对钻井液性能的影响，对钻井液配方进行优化。

2.1 硅酸钠模数

Modular of sodium silicate

研究表明，硅酸钠模数越大，抑制能力越强，但钻井液体系的表观黏度、塑性黏度及动切力均呈下降趋势［4］，在综合抑制防塌与流变性的基础上，选择模数为 2.4～2.8。

2.2 硅酸钠加量

Dosage of sodium silicate

为提高体系的抑制性，采用KCl-硅酸钠-聚胺抑制剂复合作用。采用大港油田明化镇组泥页岩岩样，处理成过100目规格的岩屑，通过线性页岩膨胀率及毛细管吸入时间测试法对该复合抑制体系进行抑制性评价，评价结果见表1。

从实验结果可以看出，采用KCl-硅酸钠-聚胺抑制剂复合作用，膨胀率和毛细管吸入时间都有明显降低，抑制效果明显优于单一抑制剂。随着硅酸钠加量增加，抑制效果也进一步增强，但加量超过4%后，抑制效果增强幅度减弱。

表1 抑制性评价结果Table 1 Inhibition evaluation result

对不同硅酸钠加量对体系性能影响进行评价，老化条件为120 ℃、16 h，结果见表2。

表2 不同硅酸钠加量对体系性能影响Table 2 Effect of the dosage of sodium silicate on the performance of the drilling fluid system

从实验结果可以看出，体系表观黏度、动切力随着硅酸钠的加入先降低后升高，而滤失量在加量超过3%后增大趋势明显。综合抑制性、流变性和滤失性，最终确定体系硅酸钠加量为3%。

通过上述实验，确定强抑制封堵钻井液配方如下：水+2%膨润土+0.3%纯碱+3%硅酸钠+0.1%BZ-HXC+1.5%BZ-JLS-I+1%BZ-YRH+1%BZ-YFT+7%KCl+0.5%BZ-YZJ+10%细目钙（325目）+ 10% 细目钙（600目）+重晶石。

3 强抑制封堵钻井液体系性能评价

Evaluation on the performance of drilling fluid system with strong inhibition and sealing capacity

3.1 耐温性能

Temperature resistance

测定了强抑制封堵钻井液体系的耐温性能，结果见表3。

表3 强抑制封堵钻井液体系的耐温性能Table 3 Temperature resistance of the drilling fluid system withstrong inhibition and sealing capacity

实验结果可看出，随着温度升高，体系表观黏度及动切力略有降低，滤失量有所增加，但体系在150℃热滚后仍可保持稳定的流变性和较小的滤失量。

3.2 抑制性能

Inhibition

采用滚动回收率实验对钻井液体系的抑制性进行了评价，并与采用相同实验条件的7%KCl水溶液实验结果进行了对比，结果如图1所示。

图1 120 ℃滚动回收率实验Fig. 1 Rolling recovery rate experiment at 120 ℃

该实验岩屑采用新疆克深208井的红色泥岩。测试结果表明，强抑制封堵钻井液体系的岩屑回收率为95.8%，远高于7%KCl溶液的回收率（8.5%），表明该体系可有效抑制泥页岩水化分散，具有良好的抑制性。

3.3 封堵性能

Sealing capacity

采用OFI高温高压封堵仪进行封堵性测试（测试用岩心渗透率为400 mD），在120 ℃、7 MPa条件下经过实验，封堵效果：瞬间失水3.4 mL，滤失量9.6 mL，静态滤失速率1.1 mL/min。实验结果表明，该体系具有较好的封堵效果，能有效填充井壁孔隙和微裂缝，提高井壁强度，防止漏失发生，保证井下施工安全。

3.4 抗岩屑污染能力

Debris contamination resistance

对强抑制封堵钻井液体系的抗岩屑污染能力进行评价，见表4，在钻井液中加入10%岩屑粉后，钻井液仍具有良好的流变性和较低的滤失量，说明该钻井液具有良好的抗岩屑污染能力。

表4 强抑制封堵钻井液体系抗污染能力Table 4 Contamination resistance of the drilling fluid system with strong inhibition and sealing capacity

4 机理分析

Analysis on the mechanisms

（1）KCl和聚胺抑制剂可提供大量的K+和端氨基，二者均可进入黏土晶层间隙与黏土晶片进行较牢固的结合，从而抑制了黏土的水化膨胀［5-7］。

（2）硅酸钠进一步降低了水活度，减弱了黏土渗透水化作用，此外硅酸钠可以与高价态金属离子（Ca2+、Mg2+）反应生成不溶物，封堵孔隙或微裂缝，从而降低孔隙压力传递，保障井壁安全。当钻遇低pH值地层水时，硅酸钠可形成凝胶，在井壁附近形成一层保护膜，达到保护井壁的目的。

（3）体系中加入了聚合醇BZ-YRH，在钻井过程中，体系温度升高，聚合醇发生浊点效应，保持“亲油、疏水、分散于水”的状态，可吸附于钻屑及黏土颗粒表面，抑制其水化分散与膨胀，进一步提高钻井液体系的抑制性。

（4）体系中含有防塌封堵剂BZ-YFT、不同粒径细目钙，可以通过物理作用对井壁孔隙、微裂缝进行填充，配合硅酸钠的化学固壁，能有效保障井壁稳定，防止漏失发生。

5 现场应用

Field application

强抑制封堵钻井液体系在伊拉克米桑油田FQCS-41井进行了现场应用。该井位于Fauqi油田南部，五开井段地层主要为Jeribe、Kirkuk、Low-Kirkuk，地层岩性上部以石膏、白云岩为主，下部以砂岩、页岩和石灰岩为主，极易发生井壁坍塌和漏失。钻井过程中及时补充硅酸钠，充分发挥其抑制性和化学固壁作用，现场施工顺利。表5为五开井段现场钻井液性能，图2为五开井段井径曲线。

表5 FQCS-41井（3 028.51～3 278 m）井段钻井液性能Table 5 Performance of drilling fluid in the hole section 3 028.51～3 278 m of Well FQCS-41

图2 FQCS-41井五开井段井径曲线Fig. 2 Hole diameter curve of the fi fth section in Well FQCS-4

由图1可知，该井在五开井段井径规则，平均井径扩大率仅为1.2%，抑制封堵效果明显，体现了强抑制封堵钻井液体系的多元复合抑制，起到了物理封堵和化学固壁的双重作用。

6 结论与认识

Conclusions and cognitions

（1）强抑制封堵钻井液体系通过多元复合作用，实现了体系的强抑制性与强封堵能力，能有效解决井壁稳定难题，防止井下漏失发生。

（2）现场应用表明，强抑制封堵钻井液体系可有效解决伊拉克米桑油田Fauqi区块Jeribe、Kirkuk、LowKirkuk地层井壁坍塌及漏失难题，具有较好的现场应用效果。

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［2］陈建新，赵振书，李广环，侯士立，董殿彬，王孝琴，王倩.伊拉克米桑Fauqi油田水平井造斜段钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2017，34（2）：70-74.CHEN Jianxin, ZHAO Zhenshu, LI Guanghuan, HOU Shili, DONG Dianbin, WANG Xiaoqin, WANG Qian.Drilling fluid technology for angle build section of horizontal wells in Iraq Missan Fauqi Oilfield［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid, 2017, 34（2）∶ 70-74.

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（修改稿收到日期 2017-08-23）

〔编辑 薛改珍〕

Research and application of drilling fluid with strong inhibition and sealing capacity

ZHANG Kun, LIU Nanqing, WANG Qiang, WANG Leilei, GONG Chunwu, GUO Jianmei
Mud Service Company,CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Tianjin300280,China

Wellbore collapse and lost circulation tend to happen during the drilling in Fauqi Block of Missan Oil field, Iraq. To deal with these difficulties, a new type of drilling fluid system with strong inhibition and sealing capacity was designed and developed in this paper. Based on the multi-component combination of KCl, sodium silicate and polyamine inhibitor, this system could inhibit shale hydration and dispersion effectively, and its shale swelling rate and capillary suction time are 67.6% and 64.4% lower than those in fresh water. Based on the combination of the physical sealing with chemical wall stabilization effect of silicate, the filtration loss of this system in low-permeability sand plugging test is only 9.6 mL. It is demonstrated that this system can seal the formation fractures and micro fractures effectively, reduce the intrusion of fi ltrate into the formation, enhance wellbore stability and avoid downhole leakage.This system was applied on site in the fi fth section of Well FQCS-41 in Missan Oil field, Iraq. It is indicated that its performance is stable with good rheological property in the process of drilling, and the borehole diameter is regular with average diameter enlargement rate of 1.2% in the fi fth section.

strong inhibition; strong sealing effect; water-base drilling fluid; hole stability

∶

张坤，刘南清，王强，王磊磊，龚纯武，郭剑梅.强抑制封堵钻井液体系研究及应用［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：580-583.

TE254

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0580 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.009

张坤（1984-），2010年毕业于南开大学有机化学专业，现从事钻井液技术研究工作，工程师。通讯地址：（300280）天津市大港油田红旗路东段。电话：022-25939276。E-mail：ywang1205@163.com

: ZHANG Kun, LIU Nanqing, WANG Qiang, WANG Leilei, GONG Chunwu, GUO Jianmei. Research and application of drilling fluid with strong inhibition and sealing capacity［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 580-583.