强抑制聚合物体系解决川渝地区大井眼段钻井液回收利用率低的问题

范劲，李俊材，王君

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，成都 610051）

随着石油勘探技术的不断发展，复杂地层、深井、超深井以及特殊工艺井钻探越来越多，对钻井液技术提出了更高的要求。目前川渝地区上部大井眼段（φ444.5 mm 及以上井段）普遍使用聚合物钻井液体系，该体系在提速、提效和环境友好方面的效果较好，但是川渝地区上部大井眼段地层主要为大段水敏性极强的紫红色泥岩，易水化分散，劣质固相，在快速钻进过程中上涨过快，造成钻井液性能控制困难。聚合物钻井液钻完上部大井眼段地层后，劣质固相含量高且清除困难，导致钻井液无法进行处理回收利用，只能全部转运进行报废处理，增加了钻井液的处理成本和安全环保压力。通过评价钾钙协同抑制、插层抑制剂、疏水抑制剂，对聚合物包被剂进行了优选，优化了钻井液体系，形成了一套适用于川渝地区上部大井眼段的强抑制聚合物钻井液体系。现场应用表明该钻井液抑制包被效果强，钻井液回收利用率大大提升，减少了钻井液的报废处理量，降低了处理成本，减轻了环保压力。

1 技术难点

川渝地区上部大井眼井段为上三叠统和侏罗系的陆相沉积地层，主要为浅湖相和河湖相的砂泥岩沉积，岩性为紫红、灰绿、深灰色泥岩、灰绿色粉砂岩，其中以沙溪庙组沙二段紫红色泥岩为主。由岩样全岩矿物组分分析可得，岩样中黏土矿物总量可达65%左右，黏土矿物组分主要由伊利石、伊/蒙混层组成，二者占比达到70%以上，极易水化分散。其中伊利石的负电荷由四面体晶片的晶格取代产生，虽然钾离子可嵌入相邻晶层间氧原子形成的网格中，使层间不易吸附水分子，但易在外表面发生水化作用；伊/蒙混层是一种层状硅酸盐过渡矿物，往往是由于蒙脱石向伊利石转化形成的，而蒙脱石晶层间通过氧原子连接，作用较弱，水分子容易进入层间，同时水化阳离子也能够进入层间，使晶层间距增加，因此易发生水化作用[1-4]。紫红色泥岩的化学成分中主要含有硅、铝、铁、钙、镁等的氧化物，其中交换性阳离子主要是钙、镁离子，钙、镁离子被吸附在颗粒表面，使黏土颗粒具有较高的物化活性及亲水性，表现出遇水后极易水化膨胀和分散的特殊理化性能[5]。

川渝地区上部大井眼段多采用聚合物钻井液进行钻进，钻完大井眼井段中途完钻后，紫红色泥岩水化分散，造成钻井液性能均上涨幅度大，如表1所示。亚微米颗粒含量上涨，说明劣质固相在钻井液中分散程度大。中途完钻后的钻井液固相和液相分离困难，若直接回收用于下一开钻进，因为膨润土含量高，对下一开钻井液性能影响大，后期维护困难且成本高，因此中途完钻后的井浆均进行报废处理，增加了处理成本和环保风险。

表1 川渝地区上部大井眼段新浆与中途完钻井浆性能对比

2 处理剂优选及性能评价

现场钻进中常在钻井液中引入无机盐氯化钾作为抑制剂，钾离子能够进入到黏土的晶层间，促使黏土颗粒连接在一起，降低黏土的水化分散作用[6]。但是有研究表明，黏土晶层间出现自由水才能进行离子交换，所以钾离子在进入到黏土晶层间之前，黏土晶层已发生了膨胀。钾离子能很好地抑制蒙脱石的水化膨胀，还可以使无序伊蒙间层矿物的间层比下降，但是对伊利石的水化膨胀没有明显的抑制作用[7-9]。

2.1 钾钙抑制技术

钙离子的抑制机理与钾离子不同，钙离子主要通过降低水的活度，阻止水分子进入黏土颗粒晶层而起到抑制作用，同时钙离子可以压缩黏土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄，Zeta 电位下降，造成黏土颗粒分散度降低。邱正松等人研究表明钾离子、钙离子间具有协同抑制作用[10]，混合盐存在某一最优离子配比，其抑制能力可达到或优于同浓度单一无机盐的抑制能力。选用四川磨溪地区露头泥岩粉碎烘干后进行线性膨胀率实验，结果见表2。结果表明，钾离子含量在5%～7%时抑制效果最好，超过7%后抑制效果增加不明显；钙离子含量在3%～5%时抑制效果最好，超过5%后抑制效果增加不明显，甚至有减弱的现象；同等或相近加量下，钾钙离子的协同抑制作用要强于单一钾、钙离子，7%KCl+5%CaCl2的组合抑制效果最好，但是考虑7%KCl+5%CaCl2的组合对钻井液中其他处理剂抗盐能力要求较高，因此选择5%KCl+3%CaCl2的组合作为钾钙抑制技术组合。

表2 磨溪露头泥岩在不同抑制剂组合中的线性膨胀率

2.2 插层抑制、疏水抑制技术

经过对钾钙抑制性能的评价，得出钾钙协同有很好的抑制效果，在现场试验过程中比没有加入钾钙抑制技术的原聚合物钻井液体系，抑制性能有一定提高，钻井液回收率从0 提升至33.33%，但是大部分钻井液仍需报废处理，因此在钾钙协同抑制的基础之上，进一步引进了插层抑制和疏水抑制剂。插层抑制剂WNY-X 以插层方式进入黏土晶层空间，通过与黏土表面的静电作用、氢键作用吸附在黏土晶层表面，对黏土的层间水化有良好的抑制作用。疏水抑制剂WNS-B 能够通过吸附基团吸附在黏土矿物表面，并利用低表面能基团在黏土颗粒表面形成低表面能的涂层，减少黏土晶体表面离子交换，有效抑制表面水化。选用四川磨溪地区露头泥岩粉碎烘干后进行线性膨胀率实验，结果见表3。结果表明，WNY-X 的抑制效果随加量增大而加强，加量从0.5%增加至1.0%后线性膨胀率下降幅度降低；WNS-B 加量在0.1%时抑制效果明显，随加量增大线性膨胀率继续降低，考虑现场应用成本，将WNY-X、WNS-B 的加量均控制在0.1%；在钾钙协同抑制的基础上继续加入WNY-X、WNS-B 均能增加抑制性，使线性膨胀率进一步降低；钾钙协同抑制结合插层、疏水抑制技术后，线性膨胀量最小，说明30#组合抑制性能最强。

表3 磨溪露头泥岩在不同抑制剂组合中的线性膨胀率

2.3 性能评价

由于抑制剂组合中包含5%KCl+3%CaCl2，需要钻井液中的聚合物具有一定的抗一价盐、二价盐的能力。选取常用的KPAM、PAC-HV 以及抗盐高分子量聚合物WN2-2 进行配伍性能评价，其中KPAM、PAC-HV 加入体系后流变性能差，滤失量大，由于WN2-2 分子链上的水化基团对钙离子的敏感性相对较低，且WN2-2 分子结构中含有酰胺基和阳离子胺基，有助于其通过氢键和静电有效吸附在黏土表面，所以抗盐高分子量聚合物WN2-2表现出良好的配伍性。WN2-2 可以通过氢键和静电吸附力吸附到黏土颗粒上，将黏土颗粒桥接在一起，包被成大颗粒状，通过固相设备有效清除，能起到进一步抑制黏土水化分散的作用。

2.3.1 滚动回收率和激光粒度分析

选用水敏性极强的磨溪地区露头泥岩，在不同抑制剂组合溶液中分别加入等量的泥岩，在100 ℃滚动老化16 h 后测试其回收率，结果见表4。表4 实验结果表明，针对四川磨溪地区的露头泥岩，31#配方强抑制聚合物体系的滚动回收率最高，能够有效地抑制水化分散。

为了模拟现场钻进过程中钻头高速旋转切削对岩屑的破坏作用和分散促进作用，在以下配方中加入10%烘干泥岩粉（磨溪地区），在11 000 r/min转速下高速搅拌20 min 后，在100 ℃滚动老化16 h，在常温下进行粒径分析，激光粒度仪选用Malvern 3000 型，结果见表4。表4 表明，10%的水敏型泥岩在清水中的亚微米颗粒含量可达36.74%，加入钾离子、钙离子、WNY-X 后亚微米颗粒含量明显降低，其中加入等量的WNS-B 亚微米颗粒含量下降幅度最大，说明疏水抑制剂能够在黏土表明形成疏水膜，有效抑制水敏型泥岩的细分散；31#配方的亚微米颗粒含量最低，说明在高速搅拌促进分散的作用下，该体系仍能抑制强水敏泥岩的分散。

表4 磨溪露头泥岩在不同抑制剂组合中的滚动回收率（100 ℃、16 h）和激光粒度分析实验

2.3.3 抑制膨润土造浆

钻井液的抑制性主要体现在抑制黏土的造浆以维持钻井液的流变性[11-13]。在不同配方中首先加入5%膨润土，在11 000 r/min 转速下高速搅拌20 min 后，在100 ℃滚动老化16 h，经过充分的水化分散后，在50 ℃下测试其流变性能。然后继续加入5%膨润土，重复上述操作，直至膨润土加量达到30%为止（流变性能已经难以测量），实验结果见图1。图1 表明，在清水中，膨润土加量为10%时，φ3值已经达到97，流变性读数随膨润土加量增加迅速增大，说明膨润土在清水中分散能力强，能够快速构建强度较好的空间网状结构；在清水中加入7%KCl、5%CaCl2后，φ3值的上升趋势明显变缓，2 者都是在膨润土加量达到20%后φ3值才呈现快速上涨的趋势，且同等膨润土加量下，5%CaCl2的φ3值均略低于7%KCl 的φ3值，表明5%CaCl2抑制水化分散能力略强于7%KCl；在清水中加入1%WNY-X、1%WNS-B 也能够减缓φ3值的快速上涨，在1%WNY-X 中上涨幅度大，在1%WNS-B中上涨幅度较小，在同等膨润土加量下，单一抑制剂中WNY-X 的φ3值最大，WNS-B 的φ3值最小，说明单一抑制剂中WNS-B 的抑制效果相对较好；在清水中加入5%KCl、3%CaCl2、0.1%WNY-X 和0.1%WNS-B 四种抑制剂进行联合抑制，φ3值上涨幅度最小，当膨润土加量达到30%时，φ3值仅为21，说明4 种抑制剂组合后，不仅在膨润土含量低时抑制能力强，当膨润土含量达到30%时依然能够表现出很好的抑制效果。

图1 抑制膨润土造浆实验结果

3 现场应用

磨溪009、磨溪022、磨溪019 井3 口井均位于磨溪井区，上部大井眼井段井身结构设计相同，该段地质层位为沙溪庙组沙二段地层，岩性为厚泥岩夹粉砂岩，钻井液密度为1.05～1.10 g/cm3。3 口井分别采用不同的钻井液体系进行钻进，磨溪009 井采用原聚合物体系（预水化土浆+（0.3%～0.8%）FA367+3%防塌剂）钻进，磨溪022 井采用引入钾钙抑制剂的聚合物体系（预水化土浆+5%KCl+3%CaCl2+（0.3%～0.5%）KPAM+0.1%WN2-2+2%防塌剂）钻进，磨溪019 井采用引入联合抑制技术的强抑制聚合物钻井液体系（清水+5%KCl+3%CaCl2+0.1%WNY-X+0.1%WNS-B+0.5%WN2-2）钻进。为了对比不同体系在相同地层钻进过程中的性能，在前500 m 井段每隔100 m取一个钻井液样进行性能检测，检测项目包括密度、清液析出率（钻井液样常温静置24 h 后上层清液占总量的比例）、流变性能等，检测结果见表5。表5 表明，随着钻进井深的增加，磨溪009 井钻井液的密度逐渐上涨，清液析出率从49%下降至0（导致钻井液不能回收利用，全部进行报废处理），亚微米颗粒含量从4.17%上涨至11.93%，黏度和切力上涨，由于膨润土含量过高，直接回收利用后期维护成本高，对下一开钻井液性能影响很大；随着钻进井深的增加，磨溪022 井、磨溪019 井钻井液的清液析出率下降幅度、黏度和切力的上涨幅度、亚微米颗粒含量的上涨幅度都远远小于磨溪009 井钻井液性能的变化幅度。

表5 磨溪井区3 口井上部大井眼钻井液性能检测结果

如图2 所示，磨溪009 井井浆在100 m 时粒径主要分布在1～100 μm 之间，在500 m 时粒径主要分布在1～10 μm 之间，说明黏土水化分散情况严重，大粒径颗粒分散成小粒径颗粒，难以清除。

图2 磨溪009 井不同井深钻井液的亚微米颗粒粒径分布

图3 检测结果表明，磨溪009 井、磨溪022 井和磨溪019 井的清液析出率均呈现下降的趋势，磨溪009 井清液析出率从49%下降至0，磨溪022井清液析出率从69%下降至15%，磨溪019 井清液析出率从83%下降至42%。其中磨溪019 井采用强抑制性聚合物钻井液体系，钻完大井眼井段后清液析出率最高。

图3 磨溪井区不同井的清液析出率随井深变化情况

图4 表明，磨溪009 井、磨溪022 井、磨溪019 井的亚微米颗粒含量均呈现上涨的趋势，其中磨溪019 井的亚微米颗粒含量最低，说明体系抑制黏土分散的能力最强，且回收利用后对钻井液性能影响最小。钻完大井眼井段后，磨溪009 井共计使用钻井液180 m3，全部报废处理；磨溪022 井共计使用180 m3，回收利用60 m3，回收利用率达到33.33%；磨溪019 井共计使用钻井液160 m3，回收利用120 m3，回收利用率达到75%。

图4 亚微米颗粒含量随井深变化图

4 结论

1.川渝地区上部大井眼段中途完钻后钻井液密度、黏度、切力、亚微米颗粒含量和膨润土含量等均大幅上涨，无法回收利用，需进行报废处理，增加了处理成本和安全环保风险。

2.在同等加量下，钾钙离子协同抑制作用强于单一钾、钙离子的抑制作用；在钾钙协同抑制的基础上，继续引入插层抑制剂、疏水抑制剂后，抑制性能进一步提升。经过抑制性评价、高分子量聚合物优选及成本等因素综合考虑，优选出强抑制聚合物钻井液配方，综合性能评价显示，该配方具有良好的抑制黏土水化分散能力。

3.经过3 口井的现场应用对比，磨溪019 井大井眼段中途完钻钻井液回收利用率从0 提升至75%，说明强抑制聚合物钻井液现场应用效果很好，下一步将结合固液分离装置进一步提升该井段钻井液的回收利用率。