有机盐强抑制润滑钻井液研究及应用

冯云春 （中石化东北油气分公司工程技术处，吉林 长春 130062）

来梅花 （中石化东北油气分公司勘探开发研究院，吉林 长春 130062）

胜利油田滨南采油厂滨435块位于济阳坳陷东营凹陷西北部，主力含油层系为沙河街组四上、下亚段，埋深3200～3500m，为滩坝砂油藏。沙四上亚段砂体沉积类型为滩坝砂沉积，地层由上到下依次是：平原组、明化镇组、馆陶组、东营组、沙河街组。据该区块3口井取心资料分析，目的层为岩屑质长石砂岩，其中石英质量分数44.8%，长石质量分数28.5%，岩屑质量分数21.0%，泥质质量分数6.7%，磨圆为次棱角状，胶结类型为孔隙式胶结。据滨410井X衍射分析黏土矿物总质量分数8.5%，其中储层绿泥石质量分数29%，伊利石质量分数27.7%，高岭石质量分数23.3%，伊蒙混层质量分数20%。

该区块埋藏深，储量丰度低，全区平均35×104t/km2，平均孔隙度12%，平均空气渗透率1.8mD，属低孔、特低渗储层。常规直井开发难以获得经济效益，试油井初期采用常规求产，平均单井日产油0.88t，基本无自然产能；压裂后初期平均单井日产油7.4t，增产效果明显。因此，该区块采用长水平段裸眼多级压裂水平井开发。但由于明化镇组至东营组地层胶结疏松，沙河街组黏土矿物以绿泥石质量分数为主，因此该区块水平井开发存在以下难点：①上部地层疏松，沙三、四段地层黏土矿物质量分数高，油泥岩较为发育，水化膨胀严重，易掉块、垮塌，井壁易失稳；②水平段较长 （平均水平位移＞1500m），钻井液携岩困难，钻柱摩阻大；③油层保护难度大；④钻井、压裂投产成本高。以上难点就要求该区块的钻井液必须具备优良的抑制性、润滑性、封堵防塌性、携岩能力、保护油气层、低成本等特性，普通的钻井液体系不能满足实际生产需要，因此研制适合滨435块的钻井液体系显得尤为紧迫。

1 强抑制钻井液体系优选

针对滨435区块明化镇组至东营组岩性胶结疏松，沙河街组黏土矿物质量分数高，井壁极易失稳、垮塌，长水平段导致摩阻大，携岩困难等，优选出适合的钻井液体系，利用其强抑制、高效润滑的特点来保证正常钻进。

考虑成本因素首选水基钻井液体系，通过岩屑膨胀性试验、页岩回收试验和抑制剂优选试验等确定滨435块钻井液体系类型。

1.1 岩屑膨胀性试验

取滨438井泥岩岩屑，分别加入淡水配的聚合醇、聚乙二醇、有机盐、HYJA－1和HJA－1溶液中，静置2h和16h。

图1 不同配方有机盐抑制膨胀试验结果

试验证明有机盐的抑制岩屑膨胀能力较强。其机理是：①有机盐钻井液中水的活度远比岩石中水的活度小得多，这将产生一个渗透压力使岩石中的水保持渗流入钻井液的趋势，钻井液中的水不会渗流入岩石，这有利于井壁稳定及钻屑、黏土的不分散；②有机盐溶液中电离出的大量的阳离子K＋、NH＋4、［NHxR4－x］＋（x＝1～4）可通过静电引力吸附进入黏土晶格 （尤其是蒙脱石晶格中），抑制黏土表面水化及渗透水化膨胀；③有机酸根阴离子可吸附在带负电的黏土边面上，抑制其水化分散；④有机盐阳、阴离子对黏土颗粒的吸附扩散双电层具有较强的压缩作用，从而抑制黏土分散［1～4］。

1.2 页岩回收试验

取滨438井3648.3m处页岩岩屑进行滚动分散回收试验，并与清水、聚磺钻井液、有机盐混油钻井液、油基钻井液体系进行对比。

试验步骤：①取6～10目的滨438井干燥岩样50g（准确至0.1g），分别装入盛有350mL清水和不同钻井液的泥浆罐中，加盖旋紧。②将泥浆罐放入设定好温度的滚子炉中，恒温滚动16h。③滚动后，取出泥浆罐，冷至室温，将罐内的液体和岩样全部倾倒在40目分样筛上，在盛自来水的槽中湿式筛选1min。④将40目筛余岩样放入105±3℃的恒温干燥箱中烘干4h，取出冷却，并在空气中静放24h，然后称量 （准确至0.1g）。⑤计算结果，按下式计算岩屑回收率：

式中：R1为泥页岩的回收率，%；m1为回收40目筛余岩样质量，g。

由表1可知，有机盐混油钻井液体系的岩屑一次回收率达到90%以上，与油基钻井液相差不多，远高于清水和聚磺钻井液体系，试验证明有机盐混油钻井液体系具有良好的抑制页岩膨胀和保持井壁稳定的作用。

表1 岩屑回收试验结果

1.3 抑制剂优选试验

试验选取聚合醇、聚合物增黏剂、多元共聚物、生物聚合物、氨基抑制剂等进行评价，评价结果如表2所示，胺基抑制剂抑制泥岩岩心膨胀能力最强，2h和16h岩心膨胀率均远低于其他抑制剂，岩屑回收率高，岩屑一次回收率达到96.3%。

经过试验研究，初步确定滨435块钻井液选用有机盐聚合物体系，其中有机盐是碱金属低碳有机酸盐、有机酸铵、有机酸季铵的复合物，该类有机盐可用通式XmRn（COO）1Mq表示，其中X为杂原子及杂原子基团，R为C1～C10的饱和烃基，COO—为羧基，M为1价阳离子。它们在水中有很高溶解度，能形成密度较高的水溶液。该钻井液强抑制性，可有效抑制泥岩、钻屑水化分散、膨胀；动、静切力低，流变性好；造壁性好；对钻具无腐蚀，对环境无污染，保护油气层效果好；但该体系润滑性能不佳，还需添加一些润滑剂才能满足该区块实际需要。

表2 抑制剂优选评价试验结果

2 强抑制润滑钻井液体系配方研制

钻井液的润滑能力是保证长水平段安全顺利延伸的一个关键因素。使用的水基钻井液摩阻因数在0.20～0.35之间，加有油晶或各类润滑剂后，可降到0.10左右，对大多数水基钻井液来说，摩阻因数维持在0.20左右时可以认为合格。根据以往探井的实际情况分析这个标准并不能满足该区块长水平段水平井的要求。

基浆的配方：7%膨润土＋0.5%Na2CO3＋0.2%聚丙烯酰胺PAM＋0.3%羧甲基纤维素CMC＋1%降失水剂SDJA－1＋2%～3%磺甲基酚醛树脂SMP－Ⅱ＋0.5%防塌剂SD202（配方中的百分数为质量分数，下同）。

2.1 有机盐质量分数的确定

将有机盐与钻井液基浆进行配伍，试验结果如表3所示，加入有机盐后钻井液的黏度整体有所下降，滤失量降低，而且随着有机盐质量分数的增大，钻井液的黏切变化不大，最佳质量分数为20%。

表3 有机盐与钻井液的配伍性试验结果

2.2 混油比例的确定

为了提高钻井液的润滑性能，在基浆中混入原油、白油和极压润滑剂来提高润滑性能，通过试验优化其质量分数。试验结果如表4所示，体系中混入原油或白油，两者的摩阻因数差别不大，但是原油与极压润滑剂的复配效果要优于白油与极压润滑剂的复配，考虑施工成本等因素，因此该体系润滑剂选择在体系中混入15%原油＋4%原油乳化剂＋3%极压润滑剂。配方中加入重晶石调整密度后，摩阻因数几乎没有变化，完全能满足施工要求。

2.3 提高泥饼质量

从提高滤饼质量出发，通过调整钻井液中固相颗粒的粒度级配，形成致密的、薄的、润滑性好的滤饼，这对预防压差卡钻、降低静态摩阻与扭矩有利。

在基浆中分别加入一定量的超细CaCO3和纳米材料，测定其流变性能、滤失性和润滑性，结果如表5所示。基浆中加入超细CaCO3和纳米材料后，流变参数无明显变化，而常温常压滤失量明显降低，另外摩阻因数均明显减小，说明通过改变钻井液中固相颗粒的粒度级配不但可以改善滤饼质量，而且可以提高钻井液的润滑性。

表4 不同混油比下的钻井液性能

表5 固相颗粒对钻井液性能影响

根据上述试验研究，确定了强抑制有机盐钻井液体系的配方：5%膨润土浆＋0.5%Na2CO3＋0.15%聚丙烯酰胺PAM＋0.3%水解聚丙烯晴铵盐＋0.5%～1%降失水剂SDJA－1＋0.3%～0.5%羧甲基纤维素CMC＋2%～3%磺甲基酚醛树脂SMP－Ⅱ＋15%有机盐＋15%原油＋4%原油乳化剂＋3%极压润滑剂＋3%超细CaCO3＋3%纳米材料＋0.5%防塌剂SD202＋1%抗盐防塌降滤失剂＋0.1%乳化剂。

3 钻井液性能评价

3.1 抗高温试验

考察了强抑制润滑钻井液体系的抗高温性能，试验结果如表6所示，该钻井液体系在高温老化前后性能变化不大，表明该钻井液体系具有良好的抗温能力，满足高温高压地层的钻探要求。

3.2 抗黏土污染试验

从表7结果可以看出，随着钻井液中黏土质量分数的增大，塑性黏度、动切力略有增加，API滤失量减小，表明该体系具有较强的抗黏土污染能力，钻井液仍有较好的流变性能。

表6 强抑制润滑钻井液抗黏土污染性能

表7 强抑制润滑钻井液抗黏土污染性能

4 现场应用

滨435－1HF井为滨435块第一口长水平井，井底水平位移1652m，水平段长1163m，最大井斜88.7°，为三开井深结构，完钻井深5007m，最大井斜88.70°。一开表层套管下深400m，下入钢级J55×φ339.7mm×9.65mm表层套管，二开导眼井深3637.58m，导眼电测完后回填至2690m，然后实施主井眼。二开技术套管下深3834m，下入钢级P110×φ244.5mm×11.99mm×2009.97m，P110TT×φ244.5mm×11.99mm× （2009.97～3843.0）m技术套管。三开油层套管下深5002.84m，下入钢级P110×φ139.7×9.17mm油层套管。

二开上部地层岩性胶结疏松，易掉块、坍塌，钻井液的主要作用是抑制地层黏土造浆，针对该井段地层特点和满足快速钻进的需要，使用聚合物钻井液体系，二开造斜点以及三开使用有机盐强抑制润滑钻井液体系。该钻井液体系以其优异性能保证了该井的顺利完成，为该区块以及类似油藏的开发奠定了坚实的基础。

5 结论与建议

1）有机盐强抑制润滑钻井液体系具有抑制性强、润滑性能好、携岩能力强、性能稳定、成本低的特点，能有效抑制滨435块黏土矿物水化膨胀、分散、掉块，保证了该区块第一口水平井的成功实施。

2）通过一系列试验研究，研制出了适合滨435块的有机盐强抑制润滑钻井液体系配方。经现场应用取得了成功，为该区块以及类似油藏的开发寻求到了经济适用的钻井液体系。

3）有机盐强抑制润滑钻井液体系的降解性能未作评价，有待下一步研究，以提高该体系对油气层的保护能力。

［1］姚少全，汪世国，张毅，等 .有机盐钻井液技术 ［J］.西部探矿工程，2003，86（7）：73～76.

［2］刘志良，戎克生 .有机盐钻井液在T4031井三开井段的应用 ［J］.新疆石油天然气，2009，5（1）：38～40.

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［4］贺伦俊 .有机盐强抑制可降解钻 （完）井液在胜利油田的应用 ［J］.新疆石油地质，2012，33（3）：370～372.

［编辑］ 帅群