环保型聚合物胶束钻井液评价与应用

潘玉婷， 朱雪华， 杨晓儒， 田山川， 徐小龙， 辛小亮

(1长江大学石油工程学院 2中国石油新疆油田分公司勘探事业部)

钻井液体系的发展由清水到聚合物钻井液、磺化钻井液、油基钻井液，再到响应环保、长远开发要求而推广应用的环保型钻井液体系。聚合物钻井液[1]和磺化钻井液[2]合成的聚磺钻井液[3]中的高分子磺化类处理剂与地层石油类、重金属离子等胶结形成难降解、难分离的固体废弃物。油基钻井液体系[4-5]中的高分子矿物油及酚类化合物在施工后形成钻井废弃物，一方面污染水质、土壤，另一方面油基钻井液成本高，回收再利用处理难以真正实现废弃物的无害化处理。

在盐227-4HF井[6]应用的聚合物胶束钻井液具备较强的抑制性、封堵性和流变性，钻井液体系中使用有抗高温降滤失剂SMP和原油，所钻岩屑在环保性和成本上尚欠缺。针对新疆油田地层特点以及钻井液生物毒性、可生物降解性等环保特性要求[7]，本着从源头减少环境污染、降低处理费用的出发点，以无毒、可生物降解的天然改性材料为主，对聚合物胶束钻井液的环保性能进行优化。

一、区域地质概况及钻井液维护难点

准噶尔盆地西部隆起中拐井区白垩系中上部大段软质泥岩水敏性强，造浆严重，易水化膨胀，底部砂砾岩易漏、易垮塌。侏罗系中上部泥岩、砂岩互层且含砾砂岩层孔隙发育，易形成低质量滤饼，易吸水膨胀缩径形成砂桥，造成阻卡。白垩系、侏罗系地层泥岩引起钻井液中膨润土含量上升，导致钻井液流变性性能变差[8]；侏罗系少量煤层易发生井漏；三叠系克拉玛依组、二叠系乌尔禾组、石炭系(未分组)地层压力系数较高、裂缝发育，易发生油气水侵，其中克拉玛依组、乌尔禾组中所含硬脆性褐色泥岩易水化、垮塌掉块引起阻卡。石炭系岩性复杂，存在较大的井壁失稳风险。

为有效抑制泥岩水敏性分散，以加入强包被抑制剂来维持钻井液的包被性能，达到控制岩屑分散、稳定井壁；钻井液中加入强封堵剂，来处理钻遇煤层可能出现的剥落掉块和地层严重漏失，减少压力传递波动、降低井壁失稳风险和提高防漏堵漏能力。

二、聚合物胶束钻井液作用机理

聚合物胶束钻井液由高分子聚合物胶束聚束剂HMP、抑制剂胺基硅醇HAS、封堵剂HBJ-3、温压成膜封堵剂HCM、润滑剂合成脂HLB以及聚合物降滤失剂HFL-2等构成。高分子聚合物胶束聚束剂HMP当中疏水基团与表面活性剂憎水基团相互聚集形成胶束方式类似，聚合物胶束分子中的疏水基团相互聚集成疏水微区，促使分子内和分子间缔合。分子内缔合可增加分子刚性，而分子间缔合则可形成连续的网状结构[9]。

抑制剂胺基硅醇HAS首先通过硅羟基在钻井液中的黏土颗粒表面形成疏水层，削弱胺基对黏土颗粒的絮凝作用，因此胺基硅醇对钻井液的流变性和滤失量均无明显影响，弥补了有机正电胶、聚胺等阳离子抑制剂对钻井液流变性和滤失量的影响。

温压成膜封堵技术[10]是指在温度和压力的共同作用下使得钻井液-岩石基质界面、孔隙间、孔壁周围、钻井液固相颗粒间形成具有一定胶结能力的薄膜，胶结地层岩石颗粒，以求达到降低固液相侵入和提高封堵层承压能力。

三、聚合物胶束钻井液性能评价

1. 配方

2 %膨润土+0.2 %Na2CO3+0.5 %NaOH+0.3 %降滤失剂CMC-LV+7 %KCl+0.2 %聚束剂HMP(分子量1 600万)+0.5 %～0.7%聚束剂HMP(分子量500～600万)+1 %抑制剂HAS+2 %封堵剂HBJ-3+2 %封堵剂HCM+1 %润滑剂HLB +0.5 %降滤失剂HFL+1.5 %降滤失剂HFL-2+2 %超细碳酸钙QCX-1+2 %堵漏剂+重晶石。

表1 聚合物胶束钻井液添加剂生物毒性实验

2. 钻井液生物毒性评价

根据Q/SY 111-2007《油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法、发光细菌法》对钻井液及添加剂进行室内实验，结果如表1所示。聚合物胶束钻井液及添加剂均无生物毒性显示，满足对生物毒性的要求。

3. 钻井液生物可降解性评价

根据HJ 505-2009《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》、HJ 828-2017《水质化学需氧量(CODCr)的测定重铬酸钾法》对钻井液及添加剂进行室内实验，结果如表2所示。

表2 聚合物胶束钻井液添加剂可降解性实验

从表2可知，聚合物胶束钻井液6种添加剂较易降解及易降解，钻井液性能满足生物可降解性要求。

4. 流变性及抗温性评价

将聚合物胶束钻井液体系在实验室条件下进行长期高温热稳定性测试，结果见表3。在160℃热滚条件下，经长期热滚实验后流变性能稳定，表明具有良好抗温性。

5. 抑制性评价

选用安集海河组泥岩在清水和聚合物胶束钻井液条件下进行抑制性回收率和膨胀性对比，清水回收率为15 %，聚合物胶束钻井液的回收率均大于95 %，聚合物胶束钻井液8 h和16 h页岩膨胀率均小于清水钻井液，能较好的抑制页岩膨胀，有效防止地层黏土矿物水化膨胀，有利于井壁稳定。

四、现场应用

JL39井为增强井壁稳定性、降低复杂事故发生率、提高机械钻速和应用新技术，二开全井段采用聚合物胶束钻井液体系。

在白垩系土谷鲁群组当中大段泥岩质软、水敏性强，易水化膨胀分散、造浆率高，增大钻井液后期流变性控制的难度。为提高钻进速度，选用“低黏、低切、低膨润土含量”体系加强对井壁冲刷，防止缩径，再配合大排量提高钻井速度。钻进中以强化体系的包被抑制为主，加入聚合物胶束剂，以胶液1.5 %HMP+1.5 %～2 %HFL-2 +1.5 %CMC-LV进行补充维护，维持钻井液的包被能力，控制岩屑分散；同时控制K+、Ca2+含量，增强包被、抑制和抗HCO3-污染能力。

在侏罗系西山窑、三工河、八道湾组当中砂泥岩互层，同时夹杂着煤层，需加强钻井液对煤层的封堵防塌能力，在进入西山窑煤层前加入2 %HBJ-3、2 %HCM、2 %QCX-1来提高钻井液的封堵防塌能力，同时提高黏度到45 s以减少对井壁的冲刷，减少夹煤层的井壁失稳风险；三工河、八道湾组砾岩渗透性好、承压能力低，易发生井漏，在进入易漏层位前加入2 %HBJ-3和2 %QCX-1来提高钻井液的防漏能力。

在白碱滩与八道湾组交界面的砂岩存在井漏风险，补充QCX-1提高钻井液的防漏堵漏能力；在克拉玛依、乌尔禾组硬脆性泥岩微裂缝发育地层中加入1 %HAS以提高钻井液的抑制能力，降低黏土水化膨胀；补充HCM、QCX-1改善滤饼质量，提高钻井液对石炭系火山岩的封堵能力，稳定井壁。聚合物胶束钻井液在JL39井各井段的性能见表4。

表3 聚合物胶束钻井液体系高温稳定性

表4 钻井液性能控制

通过JL39井与其邻井JL36井、JL30井在二开段电测的井径曲线(如图1～图3)对比可知，JL39井在二开段应用聚合物胶束型钻井液获得成功。

图1 JL39井二开段电测井径曲线

JL39井与JL36、JL30和JL12井对比，JL39井在二开段平均机械钻速达7.26 m/h，工期为23 d，在高于邻井最快钻速7.11 m/h的基础上施工工期减少14 d，说明聚合物胶束钻井液在降低复杂事故发生率和提高机械钻速方面具有较明显的效果。

图2 JL36井二开段电测井径曲线

JL39井所钻固体废物通过检测数据如表5所示。聚合物胶束钻井液在JL39井应用后，重金属含量以及含油率均远低于标准值，达到环境排放要求，满足生物无毒性以及可生物降解的标准。对比D13井钻井液体系，聚合物胶束钻井液体系在固体废物的环保性能上更加突出。

图3 JL30井二开段电测井径曲线

五、结论与认识

(1)聚合物胶束钻井液能较好地满足复杂地层钻井需要。一方面通过添加聚束剂维持钻井液中K+和Ca2+含量，提高钻井液包被絮凝能力来控制岩屑分散，降低地层黏土矿物水化膨胀；另一方面以封堵剂、成膜剂和超微细碳酸钙提高钻井液封堵能力。

(2)聚合物胶束钻井液主要处理剂以天然材料改性为主，具有无毒、可生物降解的特点，所钻岩屑废弃物满足环境排放标准，相比磺化类钻井液在环保性能方面更突出。

(3)针对不同地质特征储层，在优化钻井液体系配方、降低综合成本的同时，要相应提高体系的针对性，形成适应于不同区块的聚合物胶束钻井液体系。

表5 JL39井聚合物胶束钻井液、D13井聚磺钻井液固体废物检测结果对比