含有机硅固壁剂钻井液性能研究

2022-05-10赵虎，韦勇，钟灵

精细石油化工进展 2022年2期

赵虎，韦勇，钟灵

1.中国石化石油工程钻完井液技术中心，河南濮阳 457001；2.中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001；3.中国石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳 457001

井壁稳定是制约采用水基钻井液开发强水敏、裂缝和层理发育等地层钻完井作业的主要难题之一，加入各种防塌剂能够有效抑制泥页岩水化膨胀和分散、封堵裂缝等，实现井壁稳定［1-3］。应对裂缝和层理发育及弱胶结面等易破碎地层，化学胶结固壁类的处理剂能够更好地提高地层岩石颗粒之间的聚合力、增强岩石自身强度，使井壁在水浸作用下不易分散。如，硅酸盐和铝酸盐与低pH 值的地层水相遇后，会产生胶凝或沉淀，在近井壁地带形成“半透膜”，阻止滤液进一步浸入地层，该凝胶在地层条件下固化，与岩石骨架的化学胶结等作用达到稳固井壁目的［4-7］。而传统的硅铝酸盐对钻井液流变性和滤失量影响大［8］，其应用和发展受到了一定程度的影响。本文将建筑学中有机硅固壁剂引入烷基糖苷衍生物钻井液即ZY-APD 高性能水基钻井液体系中［9-11］，评价其对岩石抗压强度的贡献及其对钻井液性能的影响，确定最优的固壁剂种类和加量，从而拓宽水基钻井液的适用范围。

1 实验仪器和材料

1.1 主要材料

岩屑，威远区块威204H41-5 井等龙马溪组页岩；露头岩心，威远区块龙马溪组页岩；烷基糖苷衍生物APD、有机硅固壁剂S1 和S2、降滤失剂ZY-JLS、纳米-微米级封堵剂、聚合铝AOP-1，中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院自制；膨润土，濮阳市金泰化工有限公司，工业级；生物聚合物XC，淄博中轩生化有限公司，工业级；重晶石，濮阳龙泽实业有限公司，工业级；硅酸钠、KCl、NaOH等，分析纯。

1.2 实验仪器

YAW-300D 型全自动压力试验机，辽宁贝斯瑞德石油装备制造有限公司；XGRL-4 型高温滚子加热炉、ZNN-D6 型六速旋转黏度仪、中压滤失仪、高温高压滤失仪，青岛海通达专用仪器有限公司；电子分析天平，上海上平仪器有限公司。

实验方法参照GB∕T 16783.1—2014∕ISO 10414-1：2008《石油天然气工业钻井液现场测试第一部分：水基钻井液》。

2 结果与讨论

2.1 胶结固壁剂对岩样抗压强度的影响

2.1.1 龙马溪岩屑压制岩心

将龙马溪岩屑粉碎后加入少量胶结剂、膨润土和水，在10 MPa、10 min条件下压制Φ2.54 cm×2.5 cm 人造页岩岩心，分别置于清水、高浓度APD（25%APD，质量分数，下同）、5%APD+5%KCl、5%APD+5%硅酸钠、5%APD+5%有机硅固壁剂S1、5%APD+5%有机硅固壁剂S2、5%APD+5%聚合铝AOP-1 中，85 ℃浸泡岩心3 d，取出后用全自动压力试验机测试岩心抗压强度，结果如图1所示。

由图1可知：APD与2种有机硅固壁剂复配浸泡的岩心抗压强度较原始岩心略有提高；高浓度APD、APD 与硅酸钠复配、APD 与KCl 复配浸泡的岩心抗压强度较原始岩心略有降低；APD 与聚合铝AOP-1复配、清水浸泡岩心基本失去强度。

图1 不同介质浸泡人造龙马溪页岩岩心的抗压强度

2.1.2 龙马溪露头岩石制岩心

将龙马溪露头岩石用钻孔机加工成Φ2.54 cm×2.5 cm 岩心，分别置于清水、高浓度APD（25%APD）、5%APD+5%KCl、5%APD+5% 硅酸钠、5%APD+5%有机硅固壁剂S1、5%APD+5%有机硅固壁剂S2、5%APD+5%聚合铝AOP-1 中，85 ℃浸泡岩心7 d，取出后用全自动压力试验机测试岩心抗压强度，结果如图2所示。

由图2 可知：浸泡后岩心的抗压强度较原始抗压强度均有不同程度的降低，APD 与有机硅固壁剂S2 复配浸泡岩心抗压强度为17.31 MPa，降低较少，而清水浸泡岩心强度降低40%以上。

由此可以看出：有机硅固壁剂在稳定岩心强度方面具有较大的优势。

2.2 胶结固壁剂对钻井液性能的影响

2.2.1 胶结固壁剂对钻井液性能影响的初步分析

传统的胶结固壁剂对钻井液流变性和滤失量影响较大，对高密度钻井液流变性影响更为严重，配制密度2.30 g∕cm3的烷基糖苷衍生物基钻井液（ZY-APD 钻井液），加入2%加量的不同固壁材料，150 ℃老化16 h，测试不同种类的固壁剂对钻井液性能的影响，结果如表1所示。

ZY-APD 钻井液配方：1.5%预水化土浆+1.5%降滤失剂ZY-JLS+0.1%生物聚合物XC+6%纳米-微米级封堵剂+5%APD +0.3%NaOH+7%KCl+重晶石。

由表1 可知：不同种类的胶结固壁剂对钻井液的流变参数和滤失量有不同程度的影响，对钻井液流变参数影响程度由大到小为硅酸钠、聚合铝、有机硅固壁剂；对滤失量影响程度由大到小为硅酸钠、聚合铝、有机硅固壁剂，由此说明有机硅固壁剂对钻井液性能影响较小，具有较大的优势。

表1 不同胶结固壁剂对钻井液性能的影响

2.2.2 有机硅固壁剂加量的优化

在以上ZY-APD 钻井液配方基础上，分别加入1%～10%的有机硅固壁剂S1和S2，评价不同种类、含量的有机硅固壁剂对钻井液流变参数和滤失量的影响，结果如表2所示。

由表2 可知：掺入5%以内有机硅固壁剂S1和S2对钻井液流变参数影响较小，含有10%有机硅固壁剂的钻井液切力有所降低；随着固壁剂加量的升高，钻井液的中压滤失量和高温高压滤失量逐渐升高，但5%以内有机硅固壁剂S2 对滤失量影响较小，对钻井液性能影响较为温和，5%以上有机硅固壁剂S1 对高温高压滤失量影响较多。可能的原因是，随着有机硅固壁剂加量的升高，钻井液pH 值逐渐升高，其中的XC、ZY-JLS 等处理剂高温老化后逐渐失效，导致钻井液黏切值降低、滤失量升高。

表2 不同种类、含量有机硅固壁剂对钻井液性能的影响

结合固壁剂对岩心抗压强度的影响，2%～5%有机硅固壁剂S2 稳定页岩抗压强度较好，对钻井液性能影响较小。

2.2.3 不同APD加量对钻井液性能的影响

因泥页岩地层水敏性不同和现场施工需要不断调整APD 的加量，配制密度2.30 g∕cm3的ZYAPD 基础配方，调整APD 的加量，150 ℃老化16 h，测试不同APD 加量对钻井液性能的影响，结果如表3所示。

表3 不同APD加量对钻井液性能的影响

基础配方：1.5%预水化土浆+1.5%降滤失剂ZY-JLS+0.1%生物聚合物XC+6%纳米-微米级封堵剂+2%有机硅固壁剂S2+0.3%NaOH+7%KCl+重晶石。

由表3 可知：随着固壁剂中APD 加量的升高，钻井液的AV、PV 和YP 逐渐升高，加量达20%时，由于自身黏度原因导致钻井液的AV、PV 和YP 升高较多；随着固壁剂中APD 加量的升高，钻井液的Gel 略有降低，分析原因为APD 对膨润土抑制逐渐增强，导致黏土结构力降低；随着固壁剂中APD 加量的升高，钻井液滤失量逐渐降低，10%APD 以上基本无变化。总体来说，较高APD含量下，固壁剂对钻井液性能影响更小，甚至无影响。

2.2.4 不同老化温度对钻井液性能的影响

配制密度2.30 g∕cm3的ZY-APD 钻井液，测试100～150 ℃范围内老化16 h 的钻井液性能，结果如表4所示。