郝彬彬，王沖敏，劉雪婧，劉慧明，彭勝玉

（1.天津中海油服化學(xué)有限公司，天津300301；2.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部，河北 燕郊065201）

隨著油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的不斷拓展，鉆井過程中遇到的地層越來越復(fù)雜，而且在常規(guī)鉆井過程中，外來流體始終與井內(nèi)不同地層和流體接觸，很容易對油氣層造成傷害，不但影響油井的初期產(chǎn)量，而且影響后續(xù)作業(yè)的損害程度和作業(yè)效果。為此，近年來國外學(xué)者開發(fā)出了超低滲透鉆井液體系，該鉆井液體系能夠在很短時(shí)間內(nèi)，在巖石表面形成一層超低滲透膜，降低侵入地層的鉆井液及其濾失量[1］。由于國外超低滲透鉆井液體系成本太高，難以推廣應(yīng)用，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)相繼開展了該領(lǐng)域的研究，但效果不是很理想，主要表現(xiàn)在處理劑使鉆井液增稠、封堵效率低、封堵層抗壓強(qiáng)度低[2］，還存在一定程度的濾失。因此，對超低滲透鉆井液成膜劑的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。

作者在此對超低滲透鉆井液成膜劑PF－LHW的作用機(jī)理進(jìn)行分析，通過一系列室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用于渤海SZ36－1，考察其應(yīng)用效果并和同類產(chǎn)品進(jìn)行了比較。

1 PF－LHW成膜劑的組成與作用機(jī)理

1.1 PF－LHW 成膜劑的組成

PF－LHW由植物衍生物形成的混合物、部分水溶和油溶的有機(jī)高分子聚合物、不溶的金屬氧化物等組成，原料來源廣泛、價(jià)格低廉，制備工藝簡單易行，便于推廣應(yīng)用。其中利用廢棄植物制得的高強(qiáng)度植物纖維是PF－LHW成膜劑主要的原材料，纖維粗且長，韌性大；不溶的金屬氧化物可以增加隔離膜的剛性橋接，更進(jìn)一步增強(qiáng)膜的致密性；為了進(jìn)一步改善PF－LHW成膜劑在短時(shí)間內(nèi)的物理作用效果，加入了室內(nèi)篩選的具有不影響鉆井液流變性能的部分水溶和油溶的有機(jī)高分子聚合物，在橋塞的基礎(chǔ)上，吸附在地層孔隙和惰性材料所形成的縫隙中并膨脹，從而增強(qiáng)屏蔽層的致密性，提高地層承壓能力。

1.2 PF－LHW成膜劑的作用機(jī)理

1.2.1 功能分子的吸附

聚合物以碳鏈為主，側(cè)鏈含有眾多的吡咯烷酮基、丙烯酰胺基或羥基，可以增大空間位阻，對外界離子的進(jìn)攻不敏感，使主鏈的剛性增強(qiáng)，有利于抗溫能力的提高。再加上成膜劑中含有一定量的金屬鍵，更加保證了隔離膜的剛性橋接，進(jìn)一步增強(qiáng)了膜的致密性和承壓能力，阻止濾液向地層滲透[3，4］。

1.2.2 形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)

PF－LHW中含有的陽離子基團(tuán)以靜電方式吸附在粘土顆粒表面，中和粘土表面部分負(fù)電荷。聚合物長鏈與粘土顆粒間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜、相互交錯(cuò)的多點(diǎn)吸附，形成了聚合物－粘粒結(jié)構(gòu)網(wǎng)，阻止了粘土顆粒間因熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞而合并變大的可能，提高了粘土顆粒的聚集穩(wěn)定性。

1.2.3 膠束封堵作用

PF－LHW是由一系列可溶于油和水的改性纖維和聚合物等物質(zhì)復(fù)配而成的，可進(jìn)一步變形為膠束、聚集體或膠團(tuán)。在井內(nèi)過平衡壓力驅(qū)動(dòng)下，鉆井液開始浸入滲透性巖層，PF－LHW因聚合物膠束團(tuán)（其中橋接有金屬鍵剛性物質(zhì)）的界面吸附力及可變形性，能自適應(yīng)封堵巖層表面較大范圍的滲漏與裂縫，快速形成成膜低滲透阻擋層，在較寬的微裂縫范圍內(nèi)起到低滲透作用，有效降低不同滲透性地層和微裂縫泥頁巖地層濾失量，實(shí)現(xiàn)低濾失鉆井，有效保護(hù)油氣層[5，6］。

2 PF－LHW成膜劑的室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1 熒光測試

利用OFA－3DI型石油熒光分析儀分析超低滲透鉆井液成膜劑PF－LHW的熒光光譜。向20mL正己烷溶劑中加入0.02g超低滲透鉆井液成膜劑PFLHW，得0.1%超低滲透鉆井液成膜劑溶液。磁力攪拌20min至完全溶解。將其放入三維熒光儀中測試三維熒光圖譜，結(jié)果見圖1。

圖1 超低滲透鉆井液成膜劑PF－LHW的熒光圖譜Fig.1 The fluorescence spectrum of ultra－low permeability drilling fluid membrane－forming agent PF－LHW

將三維熒光圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照，結(jié)果表明熒光級別均＜3級，滿足了地質(zhì)錄井的要求。

2.2 滲濾性實(shí)驗(yàn)

2.2.1 可視中壓砂床滲透實(shí)驗(yàn)

將配制好的6%膨潤土漿和PEM基漿放置16～24h后，分別取3份加入一定量成膜劑作為實(shí)驗(yàn)漿。將基漿和實(shí)驗(yàn)漿在11 000r·min－1轉(zhuǎn)速下高速攪拌20min后，裝入老化罐于120℃熱滾16h，取出，冷卻。稱取350mL石英砂裝入可視中壓砂床實(shí)驗(yàn)筒中鋪平，緩慢加入500mL基漿或?qū)嶒?yàn)漿，調(diào)整壓力至0.69MPa，打開閥門開始計(jì)時(shí)，記錄30min泥漿濾失量并測量泥漿下滲刻度，之后緩慢倒出泥漿裝入清水重復(fù)上述操作，記錄清水濾失量并測量清水下滲刻度。結(jié)果見表1 。

表1 不同鉆井液體系的可視中壓砂床滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1Results of permeability test for visual medium sand bed with different drilling fluid systems

由表2 可以看出，加入PF－LHW后，6%膨潤土漿和PEM基漿的下滲刻度明顯減小且效果好于國外產(chǎn)品。

2.2.2 高溫高壓砂床濾失實(shí)驗(yàn)

將PEM基漿放置16～24h后，取出400mL或?yàn)榛鶟{或加入成膜劑，在11 000r·min－1轉(zhuǎn)速下高速攪拌20min后，裝入老化罐于120℃熱滾16h，取出，冷卻。稱取石英砂裝入71型高溫高壓砂床實(shí)驗(yàn)筒中鋪平，緩慢倒入320mL老化后的基漿或?qū)嶒?yàn)漿，按照GB／T 16783.1－2006中水基鉆井液推薦測試標(biāo)準(zhǔn)方法測定高溫高壓砂床濾失量（FLHTHP）和清水濾失量（FL清水），結(jié)果見表2 。

表2 不同鉆井液體系的高溫高壓濾失量Tab.2 The HTHP filtration of different drilling fluid systems

由表2 可以看出，加入PF－LHW后，PEM基漿的FLHTHP和FL清水均顯著下降，且效果好于國外產(chǎn)品。

2.3 配伍性實(shí)驗(yàn)（表3 ）

表3 不同溫度下PF－LHW與鉆井液體系的配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of compatibility test for PF－LHW and drilling fluid system at different temperatures

由表3 可以看出：PF－LHW 在不同溫度下與PEM鉆井液體系具有良好的配伍性，對鉆井液的流變性基本無影響，并能顯著降低FLAPI和FLHTHP，這也是PF－LHW防塌效果好的重要原因。另外，PF－LHW的加入能大幅度地降低鉆井液泥餅的摩阻系數(shù)，提高泥餅質(zhì)量。

2.4 承壓能力實(shí)驗(yàn)

分別配制6%海水搬土漿和PEM基漿，加入不同成膜劑，高速攪拌，于120℃熱滾16h，取出，冷卻。稱取200g石英砂裝入71型高溫高壓實(shí)驗(yàn)筒中鋪平，緩慢倒入老化后基漿或?qū)嶒?yàn)漿，先在前30min內(nèi)加壓0.69MPa，然后依次每10min在原來壓力的基礎(chǔ)上再加壓0.7MPa至5.0MPa，測定砂床濾失量，結(jié)果見表4。

表4 室溫下，不同鉆井液體系的濾失量／mLTab.4 The filtration of different drilling fluid systems at room temperature／mL

由表4可以看出，6%海水搬土漿和PEM基漿在5.0MPa壓力下的濾失量分別為1min全失和68mL，而加入PF－LHW后分別為13mL和2mL，證明PF－LHW的相對承壓能力較強(qiáng)，且其承壓能力好于國外產(chǎn)品。

2.5 油層保護(hù)性實(shí)驗(yàn)

滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)是通過測定鉆井液侵入油藏巖石前后滲透率的變化來評價(jià)工作液對油氣層的損害程度，判斷其與油氣層之間的配伍性。

應(yīng)用人造巖心，按照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T 6540－2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價(jià)方法》，用CLDⅡ型巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀測定受鉆井液傷害后巖心滲透率的恢復(fù)率，以評價(jià)其保護(hù)儲層的性能。步驟如下：（1）選用BZ19－4地層水飽和巖樣，將巖心干燥，抽空飽和模擬地層水，老化40h，待用；（2）正向測定巖心的脫色中性煤油滲透率KO1；（3）在靜態(tài)條件下，鉆井液反向污染巖心（模擬條件：反向壓力2.5 MPa、60℃、120min、環(huán)壓4.0～4.5MPa）；（4）80℃下用煤油正向測定巖心的油相滲透率KO2，計(jì)算巖心滲透率恢復(fù)值KO2／KO1，結(jié)果見表5 。

表5 巖心滲透率恢復(fù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of recovery permeability of cores

由表5 可以看出，PEM基漿的滲透率恢復(fù)值為89.51%，PEM基漿＋2%PF－LHW 的滲透率恢復(fù)值為87.33%。說明加入超低滲透鉆井液成膜劑PFLHW對PEM基漿滲透率恢復(fù)值影響不大，鉆井液對油層污染較小，有利于油氣層保護(hù)。

3 PF－LHW成膜劑在渤海SZ36－1的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)井段的選擇

綏中地區(qū)泥頁巖成巖作用差、水敏性強(qiáng)、裂隙發(fā)育、含礫石、膠結(jié)性差、膠結(jié)物水敏性強(qiáng)、極易水化剝落。該區(qū)SZ36－1－K29井的2800～3900m井段井塌極為嚴(yán)重，返屑較為混雜，每次下鉆均不能順利到底。尤其在下鉆至3160.7m處即嚴(yán)重遇阻，隨后開泵劃眼到底，歷時(shí)31h，最嚴(yán)重時(shí)8h僅劃眼進(jìn)尺一個(gè)單根?；谝陨锨闆r，經(jīng)研究決定，實(shí)施了以PF－LHW為主劑的井壁成膜封固試驗(yàn)。

3.2 現(xiàn)場維護(hù)處理情況

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并考慮到兩除使用不當(dāng)，井漿固相污染嚴(yán)重，搬土含量較高，為降低固含和板含，放掉部分被污染的舊漿，然后向套管內(nèi)循環(huán)的鉆井液中直接加入PF－LHW 膠液（15%）10t，配合加入其它處理劑循環(huán)均勻后，鉆井液液面油亮、手感光滑、泥餅致密且緊韌，鉆井液性能為：ρ＝1.45g·mL－1、FV＝56s、AV＝44MPa·s、PV＝26 MPa·s、YP＝18Pa、GEL（10′10″）＝3／16Pa、FL＝4.8mL、pH＝9。在以后的鉆進(jìn)中，每天只需補(bǔ)充適量的PF－LHW和少量的其它處理劑即可。使用PFLHW后，鉆井液性能穩(wěn)定、易于維護(hù)處理，具有較高的動(dòng)塑比、易于攜巖洗井，起下鉆、短程起下鉆和接單根比較暢通。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

從實(shí)鉆地層返屑和取心情況來看，試驗(yàn)前后地層巖性變化不大，有很強(qiáng)的可比性，由測井曲線可知，使用PF－LHW鉆井液后，井徑擴(kuò)大率比使用前降低了23.3%，取得了明顯的防塌護(hù)壁效果。PF－LHW鉆井液體系流變性能好，日常維護(hù)處理簡單，鉆井液返屑棱角分明、成型度高、軟化度低、基本上沒有混雜現(xiàn)象，試驗(yàn)井段阻卡和劃眼現(xiàn)象明顯減少，節(jié)省了大量的其它處理劑。

4 結(jié)論

（1）超低滲透鉆井液成膜劑PF－LHW由兩性離子成膜聚合物與部分活性纖維和非活性物質(zhì)組成，其成膜效果較好，且熒光較低，能滿足錄井要求。

（2）用砂床濾失儀測得的濾失量不同于常規(guī)的API濾失量，由于其隔離介質(zhì)為砂子，更接近地層實(shí)際情況，因而砂床濾失量更能真實(shí)地反映鉆井液在井下的實(shí)際情況。

（3）超低滲透鉆井液成膜劑PF－LHW與多種鉆井液體系的配伍性較好，能大幅度地降低鉆井液的濾失量及泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)，提高泥餅質(zhì)量。

（4）PF－LHW能夠很好地封堵油層，降低鉆井液侵入地層量，能夠有效保護(hù)油氣層。

（5）試驗(yàn)井段的井身質(zhì)量較使用前顯著提高。

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