疏松地层大位移井钻井液性能优化技术研究

谢 昊，张文星，王晓薇，董婧璇，余沐曦，郑梦琪

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

大位移井是开发边际小油田最有效的技术手段之一，但其具有井斜角大、水平段长等特点，岩屑在井筒内的运移方式主要靠翻滚作用，钻井过程中普遍存在钻进摩阻高、井眼清洁差等问题[1，2]。经过长时间的研究与实践，目前形成了油基钻井液配套连续循环阀大位移井钻进的技术手段：油基钻井液极大降低了大位移井钻进扭矩；连续循环装置减缓了岩屑沉降速度，提高了井眼清洁程度[3，4]。

K 油田位于渤海南部，是渤海油田重点开发项目。该项目临近海洋生态区，钻进过程中排放的钻井液需满足海洋环保要求，且勘探开发初期以浅层大位移井为主，在上部极疏松地层井斜较大，普遍介于45°～65°，例如某A 井钻进至800 m 处井斜已达66°。结合K 油田生态环保要求及疏松地层大位移井特点分析，油基钻井液涉及环保回收问题，不适合该油田的应用；井筒连续循环会造成疏松地层冲刷严重，导致井眼扩径或轨迹控制困难等问题。针对上述难点，通过优化调整当前水基钻井液（BIODRILL A 体系），提高钻井液携带能力与水化抑制性能，增强钻井液润滑性，形成了一种适用于疏松地层大位移井的水基环保钻井液[5]。

1 疏松地层大位移井难点分析

（1）井眼清洁问题。K 油田开发调整井井斜角普遍超过65°，钻井液在井筒内的流动力沿重力方向分量随井斜角增大逐渐变小，克服岩屑沉降力能力降低，导致岩屑运动轨迹呈一条抛物线下沉至井壁上，形成岩屑床堆积[6，7]。K 油田上部地层明化镇组泥质胶结差，在疏松地层中钻进时钻头破岩效率高、岩屑产出量高，故浅层大位移井对井眼清洁提出了更高要求。

（2）井壁稳定问题。K 油田中部地层东营组岩性以大段泥页岩为主，且地层坍塌压力较高，井壁失稳问题严重。使用常规水基钻井液揭开该层段前，通常需要加入高浓度沥青类材料作为钻井液降失水剂，抑制泥页岩的水化膨胀，但会导致该体系塑性黏度升高，钻井液与井壁附近黏滞阻力增大，降低岩屑悬浮能力[8，9]。

（3）井筒摩阻问题。大位移井水平段长，钻杆在重力作用下贴下井壁，导致钻进摩阻较高，严重时会出现“蹩扭”现象，制约了钻井参数的选取范围。小转速又会影响井眼清洁程度，造成摩阻进一步增加，形成恶性循环[10，11]。

2 钻井液性能优化技术

针对疏松地层大位移井钻进过程中存在的问题，从钻井液性能优化角度需要进行的改进包括：研发高效润滑剂降低钻井液与井壁间及金属界面的摩擦；研发高效提切剂提高钻井液的动切力，减少岩屑床的形成；研发高效封堵剂降低孔隙压力传递速率阻止钻井液侵入地层等[12]。

2.1 强抑制钻井液流变性控制

2.1.1 岩屑携带性能 PF-BIOVIS-YK 是BIODRILL A 体系关键处理剂之一，其主要成分是改进型黄原胶，该提切剂能够在钻井液中迅速分散，并且能大幅度提高钻井液的携砂携岩能力，是目前所用的提切剂里面分散性能最优的产品。但该体系应用的井大部分是直井，对于大位移井的应用较少。需要根据K 油田特点，在原体系基础上研选一种携岩性能更强的添加剂。

该提切剂要求达到的指标（见表1，表2）。

表1 理化指标

表2 钻井液性能指标

2.1.2 水化抑制性能 钻井液用页岩抑制剂有机胺PF-BIOTROL 是一种新型页岩抑制剂。具有较硅酸盐、聚合物钻井液更强的抑制泥页岩水化膨胀、分散能力。分子链上含有多胺基团，通过离子交换能力，插入岩屑层间，有效发挥抑制岩屑分散的性能；作为抑制剂分子的主要吸附基团，醚键作为水化基团，并引入适度的支链，使PF-BIOTROL 能够发挥高效抑制性的同时，具有良好的耐温性能、抗盐污染性能；适当调整胺值后，降低了生产成本，经权威机构检测后该聚胺抑制剂生物毒性达到一级海域环保需求。其作用机理是：

（1）吸附机理：聚胺在溶液中逐步解离形成铵正离子（胺基氮原子上的p 电子云极易接受质子而呈正电性，甚至在水中也部分抢夺质子使水溶液呈碱性），由于黏土表面水化呈现负电性，促进铵正离子优先吸附到黏土层表面，抑制表面水化。

（2）置换机理：同时部分铵正离子与黏土层间的无机阳离子形成化学势差，在化学势差的驱动下，铵正离子通过离子交换作用，置换出黏土层间的无机水化阳离子，降低黏土颗粒的Zeta 电位，并降低黏土层间水化斥力，将黏土片层束缚在一起，并排挤出部分层间吸附水，削弱黏土渗透水化。

（3）螯合机理：非离子的嵌段醚类在主链有足够的亲水基团，能够优先螯合一些束缚的阳离子（Na+等），并且链上的疏水基团和聚胺分子链上的聚氧丙烯疏水部分共同覆盖在黏土表面，使黏土疏水性增强，阻止水分子进入黏土层间，进一步抑制黏土水化膨胀。

总之，聚胺的分子质量在抑制泥页岩的水化膨胀、分散方面起着重要的作用，不同分子质量的聚胺对页岩的作用机理不同。一般来说，高分子质量聚胺类页岩抑制剂由于其分子链上的极性基团与黏土发生吸附，进而形成吸附层。该吸附层具有滞缓水分子向页岩中渗透的作用，但不能完全阻止这种渗透，这种滞缓作用与聚胺的分子质量及其分布、极性基团的种类等自身性质有关，也与聚胺的吸附类型有关。低分子质量的胺类聚合物类页岩抑制剂可以进入黏土层间，依靠质子化胺的静电吸附以及氢键作用，将黏土片层束缚在一起，进而缩小页岩中黏土矿物的晶层间距，起到抑制作用，具体见低聚阳离子胺页岩抑制剂与黏土层间的分子模型。

由以上可知，低分子质量的胺类聚合物页岩抑制剂主要针对的是黏土的渗透水化。国外普遍使用的聚醚胺类抑制剂就是通过抑制黏土的渗透水化来达到抑制泥页岩的目的，辅以一定量的高分子聚合物包被剂，同时实现了抑制泥页岩的表面水化及渗透水化，达到了很好的抑制效果，使其得以广泛应用。

2.2 浅层大位移井高效润滑

为解决在大位移钻进过程中扭矩大、摩阻大的难题，需要研发一种高效极压润滑剂，使其具备在水基钻井液中对流变影响小，不引起钻井液发泡；能够降低大位移井及水平井的摩阻，并能够有效降低金属间的摩擦；抗盐能力强，能够适用在高盐的BIODRILL A 体系中；生物毒性合格，满足渤海一级海域环保需求。

要求具有以下四个特点：在BIODRILL A 和KCl-聚合物钻井液体系中具有优良的润滑性能；四球摩擦实验结果表明，具有较好的抗极压性能；抗饱和氯化钠、饱和氯化钾、饱和甲酸钠和饱和甲酸钾，具有优良的抗盐性能。在南海东部某水平井降扭效果明显，且作用持续时间长，对钻井液流变性无影响，不引起钻井液发泡。可作为浅层大位移井的高效润滑剂。

2.3 浅层砂泥岩交界面封堵

针对浅部地层泥质胶结疏松，钻井液滤失量大的问题，使用传统封堵/降滤失剂的钻井液在页岩表面不形成泥饼，不能有效的封堵页岩孔吼，无法阻止水的侵入，易发生井壁失稳。本文研选了PF-BIOSEAL 封堵剂（见图1），引入变形纳米颗粒，纳米级粒径的可变形树脂颗粒分散进入地层表面的孔隙和微裂缝中，颗粒受到压力逐渐变得紧密，甚至变形，进而变得更加致密，而磺化沥青再对泥页岩进行“涂敷”封堵，最后形成连续致密的“镜面”，阻止钻完井液继续破坏地层，减少孔隙压力的进一步传递。

图1 物理封堵剂PF-BIOSEAL 的封堵机理示意图

物理封堵剂PF-BIOSEAL 是一种纳米级可变形封堵泥页岩微裂缝及孔隙的聚合物，易溶于水，灰色固体粉末。具有以下特点：可变形封堵聚合物；纳米级颗粒度分布；可封堵微孔隙及变形进入微裂缝中；减少孔隙压力传递；最大限度地减少压差卡钻。

3 体系现场应用

3.1 配方体系优选

3.1.1 润滑剂的优选 选取6 种泥饼黏滞系数低，且能有效降低井筒摩阻的润滑剂。对不同润滑剂降扭矩能力进行多组对比，实验数据（见图2）。

图2 润滑剂优选实验效果图

实验基浆配方：3%膨润土浆+3 kg/m3NaOH+2 kg/m3Na2CO3+10 kg/m3PF-FOLTROL+3 kg/m3PF-BIOCAP+120 kg/m3NaCl+3 kg/m3PF-BIOVIS+5%渤中软泥岩污染+3%润滑剂。

通过实验数据表明，在相同基浆与受污染情况下，配方2（使用PF-BIOLUBE 作为润滑剂）润滑降摩阻效果最佳。

3.1.2 高效提切剂的优选 选取6 种低黏高切，且不影响钻井液滤失性能的钻井液提切剂。对相同基浆加入不同提切剂后热滚前与热滚后的钻井液流变性能进行对比，实验结果（见表3）。

表3 提切剂优选实验数据表

实验基浆配方：3%海水膨润土浆+3 kg/m3NaOH+2 kg/m3Na2CO3+8 kg/m3PF-FOLTROL+4 kg/m3PFBIOCAP+120 kg/m3NaCl+1 kg/m3PF-PAC HV+0.5%提切剂。

实验表明，配方5（以PF-BIOVIS 作为提切剂）在热滚前后流变性稳定且符合低黏高切高Φ3/Φ6的理念。

通过实验对加入不同配方添加剂及不同含量的钻井液体系进行性能对比分析，最终优选出最适用于K油田大位移井的基浆配方为：海水+2 kg/m3Na2CO3+3～5 kg/m3PF-BIOCAP+5 kg/m3PF-BIOVIS+8～10 kg/m3PF-FOLTROL+30 kg/m3PF-BIOTROL+120 kg/m3NaCl+30 kg/m3PF-BIOLUBE。

3.2 应用评价

根据K 油田大位移井钻井设计，表层311.15 mm井段采用海水膨润土浆钻进，二开241.3 mm 井段钻进至800 m 以深时转化钻井液为优化的BIODRILL A体系。转化过程为直接替入密度为1.20 g/cm3的BIODRILL A 钻井液，保证井浆内抑制剂、封堵剂含量达到设计加量，然后根据配方比例加入高效提切剂PF-BIOVIS 和高效润滑剂PF-BIOLUBE，钻进期间维持PF-BIOLUBE 密度为30 kg/m3，起钻期间为50 kg/m3。

实践证明，该体系钻井液极大提高了井壁稳定和井眼清洁，有效降低了钻进摩阻，减少倒划眼起钻期间憋压蹩扭现象，倒划眼速度＞120 m/h，小井斜井可实现直接起钻。同时还减少起下钻次数，可实现井深小于2 500 m 的井一趟钻直接下套管，井深大于2 500 m 的井，第一趟深钻，倒划至管鞋，完钻后倒划至合适深度，直起下套管。

4 结论

（1）浅层大位移井相比常规大位移井具有地层泥质胶结疏松、钻井液滤失严重、岩屑产出量大等特征，进而导致井眼清洁、井壁失稳、井筒摩阻等问题进一步恶化，需要对现有钻井液进行性能优化。

（2）以渤海油田较为成熟的水基钻井液BIODRILL A 体系为基础，从降黏提切、抑制水化膨胀、提高润滑性、封堵泥页岩孔吼等角度进行性能优化，最终形成了一种适用于疏松地层大位移井的环保水基钻井液，配方为：海水+2 kg/m3Na2CO3+3～5 kg/m3PF-BIOCAP+5 kg/m3PF-BIOVIS+8～10 kg/m3PF-FOLTROL+30 kg/m3PF-BIOTROL+120 kg/m3NaCl+30 kg/m3PF-BIOLUBE。

（3）优化后的钻井液应用于现场，有效减少了倒划眼蹩扭现象，降低了钻井作业风险；实现了一趟钻钻进至完钻井深，直接起钻下套管，提高了钻井作业时效，对渤海K 油田钻进提质增效具有重要意义。