三效合一强抑制钻井液技术的研究及应用

李 琼

中国石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院，山东东营 257000

随着新疆准噶尔中部区块、准噶尔周缘山前构造带勘探进程加快，下部地层井壁稳定成为当前提速的难题。泥页岩的水化膨胀分散导致的井壁失稳、钻头泥包和井眼净化差等问题，造成钻井井下复杂或卡钻情况频发，严重威胁着钻井井下安全。胜利油田东部区块钻井施工中，采用常规的聚磺钻井液技术在钻二开时，不能有效地控制造浆，遇到大段泥页岩层，钻井液变稠，为了稀释和降低钻井液黏度，需反复加水和处理剂处理钻井液，以调整其性能，因此大大增加了材料消耗，使钻井液成本增加。胜利油田东营凹陷上部地层泥岩易水化膨胀，造浆严重，沙三段及以下地层，主要硬脆性泥页岩容易出现掉块垮塌，造成井壁失稳。深水平井，特别是页岩水平井，井壁稳定问题尤为突出[1-3]。因此，针对山前构造及胜利油田当前状况，研究开发了一种新型环保型钻井液泥页岩抑制剂，将封堵、成膜、强抑制技术有机结合在一起，形成一套强抑制钻井液体系及现场施工工艺，从而实现井壁稳定达到快速钻进的目的，同时有效减少钻井液处理剂种类和用量，降低劳动强度，缩短建井周期，对钻井液区域化施工具有重要意义。

1 三效合一强抑制剂的制备及评价

1.1 制备方法

通过化学耦合对不同粒度刚性颗粒进行表面修饰，使其表面可与聚合单体有效联结。对天然纤维进行碱化、高温裂解处理后，在催化剂作用下使其与不饱和有机胺化合物进行缩聚反应，在刚性颗粒表面聚合并粘结，得到以刚性颗粒为内核、以有机胺天然纤维聚合物为外层的三效合一强抑制剂。

1.2 作用机理

研制的三效合一强抑制剂是一种核壳类聚合物，通过不同粒度刚性颗粒(纳米级和微米级)合理级配，可实现对微纳米级裂缝的封堵，引入的低分子聚合物链和特殊官能团，使分子链上含有大量阳离子化基团，可对黏土颗粒晶层形成多点吸附，抑制黏土分散，并在泥饼表面形成较为牢固的膜结构，阻止钻井液滤液向地层渗透，从而起到稳定井壁并保护储层的作用。

1.3 性能评价

1.3.1 抑制性评价

1)线性膨胀量测试实验

对比了三效合一强抑制剂、KCl溶液、有机胺与蒸馏水的线性膨胀量，结果见表1。

表1 线性膨胀率测试结果

由试验结果可以看出，三效合一强抑制剂8 h线性膨胀率是蒸馏水的17%，各时段的线性膨胀率较KCl溶液和有机胺更小，抑制性更好。

2)页岩回收率测试实验

对比了三效合一强抑制剂、复合盐、有机胺与聚磺防塌剂的页岩滚动回收率，结果见表2。

表2 页岩回收率测试结果

由试验结果可以看出，在加量均为2%的情况下，三效合一强抑制钻井液的页岩回收率最高，达95.4%，其抑制性非常好。

1.3.2 封堵性评价

对比了三效合一强抑制剂与几种常用封堵剂的API滤失量与砂床侵入深度，结果见表3。

表3 FA型砂床滤失仪实验结果

由试验结果可以看出，三效合一强抑制剂钻井液进入砂床的深度最小，表明其形成的泥饼的封堵效果好。

1.3.3 成膜效果评价

对膨润土基浆及加入不同成膜剂的试验浆，进行高温高压滤失量测试，将测试完的高温高压滤失后的泥浆倒出，保留形成的泥饼，加入蒸馏水，再次进行高温高压滤失量实验，测试蒸馏水的滤失量V及泥饼厚度H，计算泥饼的渗透率K，结果见表4。

表4 泥饼渗透率实验结果

通过表4可以看出，三效合一强抑制剂与其他产品相比，形成的泥饼更薄，滤失量小，泥饼渗透率更低。

对膨润土基浆与加入三效合一强抑制剂的样浆进行中压滤失量测试实验，对得到的泥饼进行SEM电镜测试，结果如图1和图2所示。

图1 基浆形成的泥饼

图2 加入三效合一强抑制剂的样浆形成的泥饼

加入三效合一强抑制剂后泥饼表面形成膜结构，使形成的泥饼表面更加均匀致密，质量更高。

2 封堵成膜强抑制钻井液体系研究及性能评价

2.1 体系设计思路

根据山前带等井壁易坍塌地层特征，结合近几年在该地区钻井施工情况、钻井液使用及现场处理技术，提出解决井壁不稳定的钻井液技术对策如下。

1)适当的钻井液密度

保持正压差钻井是防止井壁垮塌的先决条件，任何由于力学因素引起的井壁垮塌，只有通过力学支撑即选用合适的钻井液密度才能解决。

2)钻井液抑制性强

钻井液抑制性是防塌、防缩、防造浆的关键。针对目标区块地层水化、分散性能强的特点，要求钻井液体系抑制性强，以降低泥页岩及黏土矿物的水化程度，防止井壁失稳。

3)钻井液封堵性强

对于微裂隙发育的泥页岩地层，钻井液体系对于微裂缝能够进行有效封堵，使得钻井液向地层内部的渗透率接近于零，可以控制和减少钻井液滤液沿裂缝侵入地层，从而防止坍塌。

4)钻井液流变性好

山前高陡构造地层黏土矿物含量高，地层造浆性强，钻探过程中黏土易侵入钻井液体系中，造成钻井液流变性差。如果流变性差，黏度、切力过高，在近井壁形成虚厚泥饼，必将导致扭矩增大，阻卡严重。因此必须保持钻井液体系具有良好的流变性。

5)钻井液具有较高的膜效率

山前高陡构造地层破碎，裂缝发育，要求钻井液能够在井壁上形成一层封堵层，在井壁的外围形成保护层，封堵地层孔隙、微细裂隙和地层破碎带。

2.2 钻井液体系配方

通过优选降滤失剂和润滑剂，引入具有复合作用的封堵成膜强抑制剂，形成了封堵成膜强抑制钻井液室内基本配方：水+膨润土(2%～6%)+磺化酚醛树脂(1%～3%)+复合抑制剂(2%～3%)+抗高温抗盐降滤失剂(1%～3%)+

PAM(0.5%～1%)+XCD(0.2%～0.5%)+油基润滑剂(0.5%～2%)+井眼清洁剂(1%～2%)+加重剂。钻井液体系的性能测试结果如表5所示。

表5 钻井液体系性能测试结果

由表5可知，钻井液体系流变性良好，滤失量很小，当密度提升到1.80 g/cm3时，体系各项性能良好。

2.3 钻井液体系性能评价

2.3.1 体系抗温性评价

将钻井液体系置于不同温度下分别老化16 h，测试其流变性及滤失量，结果如表6所示。

表6 钻井液体系抗温性评价

高温老化后，钻井液各种性能参数基本稳定，无严重稀释、显著增稠、固相聚沉、高温胶凝现象，表明体系具有优良的抗温能力。

2.3.2 体系抑制性评价

选取区块泥岩岩屑，磨碎后加入到清水和所研发的钻井液体系中，150 ℃下热滚16 h，测量岩屑的回收率，结果见表7。

表7 体系的页岩滚动分散性评价结果

由表7中看出，岩屑在清水中老化16 h后岩屑回收率为14.6%；封堵成膜强抑制钻井液体系的岩屑回收率达到91.54%，高于聚磺体系和复合盐体系，表明该钻井液体系具有较强的抑制能力，能有效地抑制岩屑的高温下分散。

将膨润土在4.0 MPa下压制成岩心，将各种钻井液体系压制出滤液，使用页岩膨胀测试仪测试其线性膨胀量，结果如表8所示。

表8 体系的线性膨胀性评价结果

浸泡在封堵成膜强抑制钻井液体系滤液中的岩心16 h后膨胀率远小于蒸馏水中的岩心膨胀率，表明钻井液体系具有较强的抑制泥页岩水化膨胀的能力。

2.3.3 体系封堵性评价

对封堵成膜强抑制钻井液体系进行高温高压砂床滤失实验，测试结果见表9。

表9 体系高温高压砂床滤失实验结果

由表9可知，封堵成膜强抑制钻井液体系形成的泥饼薄而韧，渗透率低且承压能力好，能有效降低钻井液的滤失量，防止井壁岩石水化膨胀、剥落掉块，具有较强的封堵能力。

2.3.4 体系润滑性评价

为评价体系的润滑性，对封堵成膜强抑制钻井液进行极压润滑测试实验，对体系形成的泥饼进行摩擦系数测试实验，结果见表10。

表10 体系泥饼摩擦系数

体系的极压润滑系数和泥饼摩擦系数均较低，表明钻井液和泥饼均具有良好的润滑性能，有利于保持钻头润滑、井眼清洁，防止泥包、阻卡、憋泵发生，避免形成小井眼，能有效减少井下复杂事故的发生。

2.3.5 保护油气层性能评价

为评价体系的油层保护效果，对封堵成膜强抑制钻井液体系和复合盐水钻井液体系进行岩心渗透率测试，结果见表11。

表11 体系的岩心渗透率恢复值

从评价结果可以看出，岩心的渗透率恢复率比复合盐体系更高，表明钻井液具有很好的保护油气层作用。

3 封堵成膜强抑制钻井液体系现场应用

3.1 胜利油田义古地区现场应用

义古地区二开上部井段钻遇地层为馆陶组、东营组、沙一、沙三段。上部地层成岩性差，泥岩性较软且砂层发育，防坍塌卡钻，钻井液主要以抑制地层造浆、携带岩屑、防止泥岩缩径、确保安全钻进为目的。

封堵成膜强抑制钻井液体系很好地解决了该地区造浆性强给钻井液带来的流变性调控难题，应用于义古72-斜8井，义古72-斜9井和义古72-斜10井，在该地区应用效果良好，井径规则，井径扩大率小，全井施工顺利，起下钻顺畅。

将义古地区应用复合封堵成膜强抑制钻井液的3口井与之前该区块用常规体系施工的3口井进行比较，结果如表12所示。

表12 义古地区现场应用效果比较

应用该体系后井径扩大率显著降低，建井周期明显缩短，处理剂种类及用量大幅减少，现场施工更为简便，实现了施工过程提速提效。

3.2 西部地区阿1井现场应用

阿1井位于山前结构，地层倾角大，应力集中，增加了井壁防塌的难度，砂泥岩互层井段，褐灰色泥岩易水化分散，不利于岩屑携带，造成起下阻卡，克拉玛依、上仓房沟群、梧桐沟组不整合面地层破碎，易塌易漏。邻井在钻探过程中多次出现恶性事故，带来重大经济损失。小3井因井壁失稳发生卡钻1次，钻具断裂1次；达1井因处理井下掉块造成重大经济损失；米泉1井累计卡钻4次，因井壁失稳无法处理提前完钻，未达到勘探目的。

阿1井钻井过程中未发生坍塌掉块、卡钻憋泵、钻头泥包等复杂情况，井壁稳定，起下钻和下套管作业顺畅，电测一次成功率100%，二开平均井径扩大率3.8%，顺利钻完目的层。良好的流变性和润滑性保证了体系的携岩能力和清洁井眼能力，使得钻井液保持清洁，井眼通畅，钻进顺利。阿1井钻井液体系性能测试结果如表13所示。

表13 阿1井钻井液体系现场性能测试结果

4 结论

1)三效合一强抑制剂可实现封堵、成膜、抑制功能的复合，通过封堵微裂缝，抑制黏土水化分散并在泥饼表面形成聚合物膜，防止地层水化膨胀，保持井壁稳定。

2)封堵成膜强抑制钻井液体系配方简单，性能易于调控，体系封堵、抑制性能突出，超过常规聚磺、复合盐等体系，其良好的流变性、润滑性有利于保持井眼清洁，同时具有较好的保护油气层作用。

3)封堵成膜强抑制钻井液体系在西部山前地区及胜利区块进行了现场应用，未发生掉块卡钻等复杂情况，平均井径扩大率均在10%以下，建井周期缩短，施工效率提高，实现了优快钻井。