ZY-APD 高性能水基钻井液研究及在川南地区的应用

赵 虎 孙 举 司西强 王善举 王忠瑾

中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院

0 引言

烷基糖苷（APG）被称作21 世纪绿色表面活性剂，1990 年国外应用于钻井液，井壁稳定、润滑防卡和流型调节能力突出，但加量大于35%才能充分发挥其优良特性；国内在大庆、胜利、辽河、新疆、中原等油田得到应用[1-5]，考虑到成本因素，加量以5%～15%居多，钻井液在润滑、携砂、降低摩阻方面完全可以满足长水平段水平井钻井的需要，但在应对泥岩或强水敏性页岩地层井壁稳定方面仍然存在问题。针对APG 钻井液存在的问题，通过分子结构改性为衍生物聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）和阳离子烷基糖苷（CAPG）[6-14]，提升抑制能力，实现低加量下页岩地层钻井井壁稳定。以此为主剂，形成了ZY-APD（Alkyl Polyglucoside Derivative）高性能水基钻井液，并在川南页岩气水平井成功应用于3 口井，实钻过程中井壁稳定，钻井液携砂及润滑性能良好，起下钻通畅。应用井机械钻速较采用其他高性能水基钻井液邻井提高12%～31%，较好地满足了页岩气水平井钻井、完井施工技术要求，并实现了回收利用，成本较低。针对ZY-APD 高性能水基钻井液研究与应用进行介绍，并总结其现场应用情况及效果，为该钻井液在页岩气水平井推广应用提供技术支撑，并期望对钻井液同行有一定的启发作用。

1 作用机理

1.1 井壁稳定机理

1.1.1 CAPG 拉紧黏土晶层、吸附成膜

CAPG 分子本身带正电，结构上含有一个亲油的烷基、三个亲水的羟基（—OH）、一个亲水的醚键（C—O—C）和一个强吸附的季铵阳离子（R1R2R3R4N+Cl-）。CAPG 中的醚键使季铵阳离子基团可以跟糖环的距离变大，从而使季铵阳离子基团更容易进入黏土晶层间，阻止水分子进入。具有多个羟基及季铵基团吸附活性位，可在黏土表面吸附及嵌入晶层片之间，起到拉紧黏土晶层，抑制黏土水化分散的目的。如：1%CAPG 处理过的水化钙膨润土晶层间距为1.382 4 nm，比水化钙膨润土晶层间距1.405 6 nm 小，这就充分证明了CAPG 分子能够进入黏土及泥页岩晶层间，一方面嵌入晶层，替换出晶层间的水分子，另一方面拉紧晶层，使晶层间距变小，从而起到抑制水化分散的作用。

CAPG 以季铵基团的吸附为主，吸附强度比APG 以—OH 吸附为主更强，季铵阳离子基团在泥页岩上的吸附主要是在黏土晶层表面的静电吸附和晶层之间的空隙吸附，抑制性优于以氢键吸附为主的APG。CAPG 本身呈正电性，极易在黏土上发生吸附，可与带负电荷的黏土颗粒发生静电相吸，从而牢牢吸附到黏土颗粒上，形成一层保护膜，有效阻止水分子进入黏土晶层，达到抑制黏土水化分散的效果。CAPG 在泥页岩上吸附成膜现象如图1 所示。

CAPG 分子上的羟基、糖苷键可与黏土上的主要成分硅酸盐分子上的Si 原子之间通过Si—O—Si或R—O—Si 键连接形成网状结构，在岩屑或黏土颗粒表面形成封堵层，还可与水分子生成氢键，具有一定的夺取泥页岩内部自由水分子的作用，而表现出一定的去水化作用。

1.1.2 NAPG 降低岩屑活性

NAPG 为非离子结构，本身不带电，其分子结构包括一个亲油的烷基（—R）、3 个亲水的羟基（—OH）、1 ～3 个相连的葡萄糖环、1 个亲水的聚醚基团（[C—O—C]m）和一个强吸附的多胺基团（H[N—C—C]nNH2）。其抑制防塌机理主要通过嵌入及拉紧晶层，多点吸附、成膜阻水，堵塞填充孔隙、形成封固层，吸附包被等，可显著降低页岩的活性，随着NAPG 浓度的升高，浸泡后龙马溪组岩样ζ电位绝对值逐渐降低，岩样逐渐趋于稳定；当NAPG 浓度超过5%，ζ电位大于－10 mV，再增加浓度，ζ电位绝对值降低较少，单用NAPG 为页岩抑制剂的浓度为4%～5%较为合理。测试不同浓度NAPG 溶液浸泡龙马溪组钻屑24 h 的ζ电位变化如图2 所示。

图1 泥页岩岩屑在不同介质中热滚烘干后的形貌图

图2 不同NAPG 浓度浸泡岩样的ζ 电位图

1.1.3 阻隔压力传递

川南页岩地层（黄金坝和长宁区块）含大量微孔缝，缝宽和孔径集中在0.05 ～15.7 µm，常规封堵剂粒径在5 ～100 µm，不能满足微孔缝的封堵需求。级配粒径0.03 ～100 µm 的纳米—微米级封堵材料，可通过刚性粒子架桥、填充作用和球状、片状柔性材料的韧性变形，以及APD 小分子增稠机理，形成快速、致密、高强度封堵层，降低滤液渗流能力。封堵材料扫描电镜图片如图3 所示。

1.2 润滑机理

1.2.1 降低钻具与井壁之间的摩擦

APG 由于其分子结构上的多羟基和一个烷基基团，能够在钻具、套管表面及井壁岩石上产生强力吸附，烷基作为亲油基则朝外规则排列，形成非常稳定且具有一定强度的润滑膜；CAPG 除了具有APG 的多羟基吸附特性外，阳离子结构的季铵基团具有强吸附性，NAPG 具有胺基等强吸附基团，能够在钻具、套管表面及井壁岩石上产生强力吸附，形成更为稳定且具有一定强度的润滑膜，并可将钻具和井筒之间的干摩擦转换为边界摩擦，从而大幅度降低钻具与井壁及套管壁之间的摩擦力，降低钻具的旋转扭矩和起下钻阻力。

1.2.2 降低重晶石颗粒间的内摩擦

随着钻井液密度的升高，重晶石等加重材料的含量逐渐升高，高重晶石含量下的流体摩擦成为不容忽视的因素之一。而APD 多羟基结构，可优先吸附在重晶石表面，吸附成膜，降低重晶石颗粒间的内摩擦，改善流动性，提高钻井液的固相容量限。

图3 封堵材料的扫描电镜图

表1 ZY-APD 高性能水基钻井液基本性能

1.2.3 改善滤饼质量

APD 可直接参与滤饼的形成，使滤饼具有较好的润滑性，有效避免或减少压差卡钻或黏附卡钻的发生。CAPG 可通过羟基的氢键吸附和季铵基团的静电吸附而牢牢吸附在黏土颗粒表面，使水化层加厚，糖苷结构的存在，使黏土表面的位阻增加，提高黏土颗粒的聚结稳定性，使黏土颗粒保持较小的粒度并有合理的粒度大小分布，可产生薄而韧、结构致密的滤饼，降低滤饼的渗透率。对加入5%APD的钻井液滤饼表面扫描电镜分析，可看出滤饼质量得到明显改善，滤饼表面更加光滑（图4）。

图4 APD 钻井液滤饼扫描电镜图

2 配方及性能

2.1 钻井液配方

通过对处理剂的优选及配伍性研究，得到优化ZY-APD 高性能水基钻井液配方，当井斜大于45°时，少量补充极压润滑剂，进入水平段后逐渐提高至配方加量。钻井液配方如下：

4%～7%APD+1%～2%膨润土＋0.1%～0.3%XC＋7%～8%级配纳米—微米级封堵剂＋0.5%～1 %降滤失剂＋5%～6%KCl ＋2%～3%极压润滑剂＋0.1%～0.2% pH 值调节剂+重晶石

2.2 钻井液性能

2.2.1 基本性能

ZY-APD 钻井液流变参数合理，API 滤失量为0 mL，HTHP滤失量≤5 mL，能够满足川南（黄金坝和长宁）区块地层温度和压力的需要（表1）。

2.2.2 综合性能

ZY-APD 钻井液对川南龙马溪组页岩井壁稳定周期较长；润滑性与同密度油基钻井液相当；长期稳定性良好，便于维护与回收利用；环保性能优异，地层适应性良好。综合性能评价如表2 所示。

表2 ZY-APD 高性能水基钻井液综合性能

3 现场应用

3.1 技术难点

1）页岩地质特性，导致地层稳定难度大

黄金坝和长宁地区页岩地层黏土矿物含量为20.8%～37.6%，ζ 电位为－30 ～－45 mV，分散特性较强。地层以微孔缝结构为主，缝宽和孔径集中在0.05 ～15.7 μm，与流体接触后产生自吸，形成宏观裂缝[15-17]。该井段钻完井周期为31 ～38 d，钻井过程中的机械破坏和钻井液长时间浸泡地层，超过坍塌周期，导致井壁失稳发生。

2）页岩气井多为三维定向水平井，水平段较长，润滑防卡难度大

统计10 余口黄金坝和长宁地区页岩气水平井，三开裸眼段长2 424 ～2 750 m，水平段长1 214 ～1 700 m，三维定向井斜方位变化大，井眼曲率大，摩阻大。

3）高密度水基钻井液流型控制难度大

该区块水平段钻井液最高密度为2.07 g/cm3，随着钻井过程的进行，低密度固相含量升高，钻井液流型控制难度大。

3.2 应用概况

ZY-APD 钻井液体系先后在川南黄金坝YS108-X、YS108-Y 和 长 宁H26-X 井 现 场 应 用3 口井，水平段长1 500 ～1 700 m，地层温度100 ～110℃，钻完井施工顺利，未出现井下复杂。具体钻井液应用情况如表3 和表4 所示。

表3 ZY-APD 钻井液应用井情况

表4 应用井钻井液性能

3.3 效果分析

ZY-APD 与川南地区其他公司高性能水基钻井液相比，在钻井速度、井壁稳定、润滑、井下安全、钻井液费用及回收利用方面具有明显的优势[18]。

1）在钻井速度方面

ZY-APD 水基钻井液润滑性能良好，定向施工中无托压现象，钻井和完井过程中无复杂情况，有利于提高机械钻速，缩短钻井周期，降低整体钻井费用。应用井平均机械钻速为5.87 ～7.43 m/h，同比邻井（其他公司高性能水基钻井液）提高12.4%～31.3%。

2）在防塌、润滑及井下安全方面

ZY-APD 水基钻井液具有强抑制、强封堵特点和优良的润滑能力，有利于防止页岩地层井壁失稳，保证钻井完井安全顺利施工，避免了邻井施工中多次出现的钻进过程中井壁失稳、憋停顶驱、划眼困难等复杂以及完井作业摩阻过大，被迫转换为油基钻井液等问题。已测应用井段长宁H26-X 井井径扩大率为2.05%，邻井对应井段井径扩大率为20.09%，证明了该钻井液优良的井壁稳定能力。

3）钻井液费用及回收利用

对比该区块及相邻区块其他公司应用的高性能水基钻井液，钻井液费用均高于ZY-APD 水基钻井液费用，应用井回收利用率大于80%，避免了老浆处理的环保费用。

ZY-APD 钻井液应用井与采用其他高性能水基钻井液的邻井对比情况如表5 所示。

表5 应用井与邻井对比情况

4 结论

1）APD 可拉紧黏土晶层，吸附成膜，降低岩屑活性，满足页岩地层强抑制需求；通过粒径级配，可快速形成致密、高强度封堵层，满足页岩地层封堵需求；APD 可降低钻具与井壁之间摩擦、重晶石颗粒间内摩擦并改善滤饼质量，解决高密度钻井液的润滑防卡难题。

2）ZY-APD 高性能水基钻井液为强抑制、强封堵和高效润滑的高性能水基钻井液，有利于解决页岩地层易掉块垮塌和长水平段摩阻大等技术难题。

3）ZY-APD 高性能水基钻井液现场应用过程中井壁稳定、润滑防卡和携岩带砂效果良好，钻完井作业顺利；并实现了循环再利用，大幅降低了钻井液成本，避免了同类井应用水基钻井液钻完井出现的复杂情况，证明水基钻井液可以在川南及类似区块页岩气水平井推广应用。