趙 虎 孫 舉 司西強(qiáng) 王善舉 王忠瑾

中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院

0 引言

烷基糖苷（APG）被稱作21 世紀(jì)綠色表面活性劑，1990 年國外應(yīng)用于鉆井液，井壁穩(wěn)定、潤滑防卡和流型調(diào)節(jié)能力突出，但加量大于35%才能充分發(fā)揮其優(yōu)良特性；國內(nèi)在大慶、勝利、遼河、新疆、中原等油田得到應(yīng)用[1-5]，考慮到成本因素，加量以5%～15%居多，鉆井液在潤滑、攜砂、降低摩阻方面完全可以滿足長水平段水平井鉆井的需要，但在應(yīng)對泥巖或強(qiáng)水敏性頁巖地層井壁穩(wěn)定方面仍然存在問題。針對APG 鉆井液存在的問題，通過分子結(jié)構(gòu)改性為衍生物聚醚胺基烷基糖苷（NAPG）和陽離子烷基糖苷（CAPG）[6-14]，提升抑制能力，實現(xiàn)低加量下頁巖地層鉆井井壁穩(wěn)定。以此為主劑，形成了ZY-APD（Alkyl Polyglucoside Derivative）高性能水基鉆井液，并在川南頁巖氣水平井成功應(yīng)用于3 口井，實鉆過程中井壁穩(wěn)定，鉆井液攜砂及潤滑性能良好，起下鉆通暢。應(yīng)用井機(jī)械鉆速較采用其他高性能水基鉆井液鄰井提高12%～31%，較好地滿足了頁巖氣水平井鉆井、完井施工技術(shù)要求，并實現(xiàn)了回收利用，成本較低。針對ZY-APD 高性能水基鉆井液研究與應(yīng)用進(jìn)行介紹，并總結(jié)其現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果，為該鉆井液在頁巖氣水平井推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐，并期望對鉆井液同行有一定的啟發(fā)作用。

1 作用機(jī)理

1.1 井壁穩(wěn)定機(jī)理

1.1.1 CAPG 拉緊黏土晶層、吸附成膜

CAPG 分子本身帶正電，結(jié)構(gòu)上含有一個親油的烷基、三個親水的羥基（—OH）、一個親水的醚鍵（C—O—C）和一個強(qiáng)吸附的季銨陽離子（R1R2R3R4N+Cl-）。CAPG 中的醚鍵使季銨陽離子基團(tuán)可以跟糖環(huán)的距離變大，從而使季銨陽離子基團(tuán)更容易進(jìn)入黏土晶層間，阻止水分子進(jìn)入。具有多個羥基及季銨基團(tuán)吸附活性位，可在黏土表面吸附及嵌入晶層片之間，起到拉緊黏土晶層，抑制黏土水化分散的目的。如：1%CAPG 處理過的水化鈣膨潤土晶層間距為1.382 4 nm，比水化鈣膨潤土晶層間距1.405 6 nm 小，這就充分證明了CAPG 分子能夠進(jìn)入黏土及泥頁巖晶層間，一方面嵌入晶層，替換出晶層間的水分子，另一方面拉緊晶層，使晶層間距變小，從而起到抑制水化分散的作用。

CAPG 以季銨基團(tuán)的吸附為主，吸附強(qiáng)度比APG 以—OH 吸附為主更強(qiáng)，季銨陽離子基團(tuán)在泥頁巖上的吸附主要是在黏土晶層表面的靜電吸附和晶層之間的空隙吸附，抑制性優(yōu)于以氫鍵吸附為主的APG。CAPG 本身呈正電性，極易在黏土上發(fā)生吸附，可與帶負(fù)電荷的黏土顆粒發(fā)生靜電相吸，從而牢牢吸附到黏土顆粒上，形成一層保護(hù)膜，有效阻止水分子進(jìn)入黏土晶層，達(dá)到抑制黏土水化分散的效果。CAPG 在泥頁巖上吸附成膜現(xiàn)象如圖1 所示。

CAPG 分子上的羥基、糖苷鍵可與黏土上的主要成分硅酸鹽分子上的Si 原子之間通過Si—O—Si或R—O—Si 鍵連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在巖屑或黏土顆粒表面形成封堵層，還可與水分子生成氫鍵，具有一定的奪取泥頁巖內(nèi)部自由水分子的作用，而表現(xiàn)出一定的去水化作用。

1.1.2 NAPG 降低巖屑活性

NAPG 為非離子結(jié)構(gòu)，本身不帶電，其分子結(jié)構(gòu)包括一個親油的烷基（—R）、3 個親水的羥基（—OH）、1 ～3 個相連的葡萄糖環(huán)、1 個親水的聚醚基團(tuán)（[C—O—C]m）和一個強(qiáng)吸附的多胺基團(tuán)（H[N—C—C]nNH2）。其抑制防塌機(jī)理主要通過嵌入及拉緊晶層，多點吸附、成膜阻水，堵塞填充孔隙、形成封固層，吸附包被等，可顯著降低頁巖的活性，隨著NAPG 濃度的升高，浸泡后龍馬溪組巖樣ζ電位絕對值逐漸降低，巖樣逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)NAPG 濃度超過5%，ζ電位大于－10 mV，再增加濃度，ζ電位絕對值降低較少，單用NAPG 為頁巖抑制劑的濃度為4%～5%較為合理。測試不同濃度NAPG 溶液浸泡龍馬溪組鉆屑24 h 的ζ電位變化如圖2 所示。

圖1 泥頁巖巖屑在不同介質(zhì)中熱滾烘干后的形貌圖

圖2 不同NAPG 濃度浸泡巖樣的ζ 電位圖

1.1.3 阻隔壓力傳遞

川南頁巖地層（黃金壩和長寧區(qū)塊）含大量微孔縫，縫寬和孔徑集中在0.05 ～15.7 μm，常規(guī)封堵劑粒徑在5 ～100 μm，不能滿足微孔縫的封堵需求。級配粒徑0.03 ～100 μm 的納米—微米級封堵材料，可通過剛性粒子架橋、填充作用和球狀、片狀柔性材料的韌性變形，以及APD 小分子增稠機(jī)理，形成快速、致密、高強(qiáng)度封堵層，降低濾液滲流能力。封堵材料掃描電鏡圖片如圖3 所示。

1.2 潤滑機(jī)理

1.2.1 降低鉆具與井壁之間的摩擦

APG 由于其分子結(jié)構(gòu)上的多羥基和一個烷基基團(tuán)，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產(chǎn)生強(qiáng)力吸附，烷基作為親油基則朝外規(guī)則排列，形成非常穩(wěn)定且具有一定強(qiáng)度的潤滑膜；CAPG 除了具有APG 的多羥基吸附特性外，陽離子結(jié)構(gòu)的季銨基團(tuán)具有強(qiáng)吸附性，NAPG 具有胺基等強(qiáng)吸附基團(tuán)，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產(chǎn)生強(qiáng)力吸附，形成更為穩(wěn)定且具有一定強(qiáng)度的潤滑膜，并可將鉆具和井筒之間的干摩擦轉(zhuǎn)換為邊界摩擦，從而大幅度降低鉆具與井壁及套管壁之間的摩擦力，降低鉆具的旋轉(zhuǎn)扭矩和起下鉆阻力。

1.2.2 降低重晶石顆粒間的內(nèi)摩擦

隨著鉆井液密度的升高，重晶石等加重材料的含量逐漸升高，高重晶石含量下的流體摩擦成為不容忽視的因素之一。而APD 多羥基結(jié)構(gòu)，可優(yōu)先吸附在重晶石表面，吸附成膜，降低重晶石顆粒間的內(nèi)摩擦，改善流動性，提高鉆井液的固相容量限。

圖3 封堵材料的掃描電鏡圖

表1 ZY-APD 高性能水基鉆井液基本性能

1.2.3 改善濾餅質(zhì)量

APD 可直接參與濾餅的形成，使濾餅具有較好的潤滑性，有效避免或減少壓差卡鉆或黏附卡鉆的發(fā)生。CAPG 可通過羥基的氫鍵吸附和季銨基團(tuán)的靜電吸附而牢牢吸附在黏土顆粒表面，使水化層加厚，糖苷結(jié)構(gòu)的存在，使黏土表面的位阻增加，提高黏土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，使黏土顆粒保持較小的粒度并有合理的粒度大小分布，可產(chǎn)生薄而韌、結(jié)構(gòu)致密的濾餅，降低濾餅的滲透率。對加入5%APD的鉆井液濾餅表面掃描電鏡分析，可看出濾餅質(zhì)量得到明顯改善，濾餅表面更加光滑（圖4）。

圖4 APD 鉆井液濾餅掃描電鏡圖

2 配方及性能

2.1 鉆井液配方

通過對處理劑的優(yōu)選及配伍性研究，得到優(yōu)化ZY-APD 高性能水基鉆井液配方，當(dāng)井斜大于45°時，少量補(bǔ)充極壓潤滑劑，進(jìn)入水平段后逐漸提高至配方加量。鉆井液配方如下：

4%～7%APD+1%～2%膨潤土＋0.1%～0.3%XC＋7%～8%級配納米—微米級封堵劑＋0.5%～1 %降濾失劑＋5%～6%KCl ＋2%～3%極壓潤滑劑＋0.1%～0.2% pH 值調(diào)節(jié)劑+重晶石

2.2 鉆井液性能

2.2.1 基本性能

ZY-APD 鉆井液流變參數(shù)合理，API 濾失量為0 mL，HTHP濾失量≤5 mL，能夠滿足川南（黃金壩和長寧）區(qū)塊地層溫度和壓力的需要（表1）。

2.2.2 綜合性能

ZY-APD 鉆井液對川南龍馬溪組頁巖井壁穩(wěn)定周期較長；潤滑性與同密度油基鉆井液相當(dāng)；長期穩(wěn)定性良好，便于維護(hù)與回收利用；環(huán)保性能優(yōu)異，地層適應(yīng)性良好。綜合性能評價如表2 所示。

表2 ZY-APD 高性能水基鉆井液綜合性能

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 技術(shù)難點

1）頁巖地質(zhì)特性，導(dǎo)致地層穩(wěn)定難度大

黃金壩和長寧地區(qū)頁巖地層黏土礦物含量為20.8%～37.6%，ζ 電位為－30 ～－45 mV，分散特性較強(qiáng)。地層以微孔縫結(jié)構(gòu)為主，縫寬和孔徑集中在0.05 ～15.7 μm，與流體接觸后產(chǎn)生自吸，形成宏觀裂縫[15-17]。該井段鉆完井周期為31 ～38 d，鉆井過程中的機(jī)械破壞和鉆井液長時間浸泡地層，超過坍塌周期，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)發(fā)生。

2）頁巖氣井多為三維定向水平井，水平段較長，潤滑防卡難度大

統(tǒng)計10 余口黃金壩和長寧地區(qū)頁巖氣水平井，三開裸眼段長2 424 ～2 750 m，水平段長1 214 ～1 700 m，三維定向井斜方位變化大，井眼曲率大，摩阻大。

3）高密度水基鉆井液流型控制難度大

該區(qū)塊水平段鉆井液最高密度為2.07 g/cm3，隨著鉆井過程的進(jìn)行，低密度固相含量升高，鉆井液流型控制難度大。

3.2 應(yīng)用概況

ZY-APD 鉆井液體系先后在川南黃金壩YS108-X、YS108-Y 和 長 寧H26-X 井 現(xiàn) 場 應(yīng) 用3 口井，水平段長1 500 ～1 700 m，地層溫度100 ～110℃，鉆完井施工順利，未出現(xiàn)井下復(fù)雜。具體鉆井液應(yīng)用情況如表3 和表4 所示。

表3 ZY-APD 鉆井液應(yīng)用井情況

表4 應(yīng)用井鉆井液性能

3.3 效果分析

ZY-APD 與川南地區(qū)其他公司高性能水基鉆井液相比，在鉆井速度、井壁穩(wěn)定、潤滑、井下安全、鉆井液費用及回收利用方面具有明顯的優(yōu)勢[18]。

1）在鉆井速度方面

ZY-APD 水基鉆井液潤滑性能良好，定向施工中無托壓現(xiàn)象，鉆井和完井過程中無復(fù)雜情況，有利于提高機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期，降低整體鉆井費用。應(yīng)用井平均機(jī)械鉆速為5.87 ～7.43 m/h，同比鄰井（其他公司高性能水基鉆井液）提高12.4%～31.3%。

2）在防塌、潤滑及井下安全方面

ZY-APD 水基鉆井液具有強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵特點和優(yōu)良的潤滑能力，有利于防止頁巖地層井壁失穩(wěn)，保證鉆井完井安全順利施工，避免了鄰井施工中多次出現(xiàn)的鉆進(jìn)過程中井壁失穩(wěn)、憋停頂驅(qū)、劃眼困難等復(fù)雜以及完井作業(yè)摩阻過大，被迫轉(zhuǎn)換為油基鉆井液等問題。已測應(yīng)用井段長寧H26-X 井井徑擴(kuò)大率為2.05%，鄰井對應(yīng)井段井徑擴(kuò)大率為20.09%，證明了該鉆井液優(yōu)良的井壁穩(wěn)定能力。

3）鉆井液費用及回收利用

對比該區(qū)塊及相鄰區(qū)塊其他公司應(yīng)用的高性能水基鉆井液，鉆井液費用均高于ZY-APD 水基鉆井液費用，應(yīng)用井回收利用率大于80%，避免了老漿處理的環(huán)保費用。

ZY-APD 鉆井液應(yīng)用井與采用其他高性能水基鉆井液的鄰井對比情況如表5 所示。

表5 應(yīng)用井與鄰井對比情況

4 結(jié)論

1）APD 可拉緊黏土晶層，吸附成膜，降低巖屑活性，滿足頁巖地層強(qiáng)抑制需求；通過粒徑級配，可快速形成致密、高強(qiáng)度封堵層，滿足頁巖地層封堵需求；APD 可降低鉆具與井壁之間摩擦、重晶石顆粒間內(nèi)摩擦并改善濾餅質(zhì)量，解決高密度鉆井液的潤滑防卡難題。

2）ZY-APD 高性能水基鉆井液為強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵和高效潤滑的高性能水基鉆井液，有利于解決頁巖地層易掉塊垮塌和長水平段摩阻大等技術(shù)難題。

3）ZY-APD 高性能水基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用過程中井壁穩(wěn)定、潤滑防卡和攜巖帶砂效果良好，鉆完井作業(yè)順利；并實現(xiàn)了循環(huán)再利用，大幅降低了鉆井液成本，避免了同類井應(yīng)用水基鉆井液鉆完井出現(xiàn)的復(fù)雜情況，證明水基鉆井液可以在川南及類似區(qū)塊頁巖氣水平井推廣應(yīng)用。