朱勝，佘運(yùn)虎，楊洋，張杰，杜佳琪

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部上海作業(yè)公司，上海 200335；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434100）

鉆井工程中，當(dāng)水敏性頁(yè)巖暴露在水溶液中時(shí)會(huì)吸水膨脹、水化分散，而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、鉆頭泥包、扭矩增大、鉆具受卡[1-4]。為解決上述問(wèn)題所采用的方法通常有兩種：一是對(duì)水基鉆井液進(jìn)行改性，增強(qiáng)對(duì)頁(yè)巖的抑制作用；二是采用油基鉆井液。雖然油基鉆井液體系在解決井壁穩(wěn)定方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是其成本高，環(huán)保性能差，維護(hù)困難。目前，胺基類水基鉆井液體系由于其優(yōu)異的抑制性能，在全球范圍內(nèi)得到應(yīng)用，并有多次成功取代油基鉆井液的使用案例[5-8]。本文優(yōu)選出了一種高性能新型小分子胺基抑制劑HEG，并對(duì)其抑制性能和在水基鉆井液體系中的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 新型小分子胺基抑制劑HEG的合成和作用機(jī)理

基于鉆遇泥頁(yè)巖地層過(guò)程中對(duì)鉆井液抑制性的需求，室內(nèi)以多乙烯多胺、氨基磺酸、環(huán)氧氯丙烷、去離子水為主要試劑，在80 ℃下合成了一種抑制劑，并將該抑制劑通過(guò)30 min的超聲分散得到新型小分子胺基抑制劑HEG[9-12]。HEG主要作用機(jī)理如下：

1）自由擴(kuò)散：由于地層中沒(méi)有胺類分子，所以胺類分子也會(huì)在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)中向地層運(yùn)移，進(jìn)入地層孔隙后，胺類分子會(huì)起到屏障作用，使擴(kuò)散離子運(yùn)移受阻，在一定程度上減小擴(kuò)散交換量。

2）吸附作用：胺基分子吸附到井壁上，會(huì)把其結(jié)構(gòu)中的甲基和碳環(huán)中的碳暴露在外。甲基為非極性基團(tuán)，因此被吸附的分子層可以近似看作是憎水性的分子膜。這層膜將會(huì)抑制鉆井液中的水向地層中運(yùn)移，減小由于水運(yùn)移進(jìn)地層孔隙而引起井眼復(fù)雜問(wèn)題發(fā)生的可能性。

3）滲透作用：隨著擴(kuò)散和吸附作用的進(jìn)行，黏土和各種處理劑逐漸在環(huán)井眼一定范圍的地層內(nèi)和井壁上堆集，直至最后形成泥餅。泥餅形成后，其滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層，因而可以有效阻止鉆井液中固相顆粒繼續(xù)侵入地層。

2 新型小分子胺基抑制劑HEG的對(duì)比評(píng)價(jià)

2.1 防膨率評(píng)價(jià)

地層膨脹是地層中所含的黏土礦物水化的結(jié)果，通常采用測(cè)定巖樣線性膨脹百分?jǐn)?shù)（俗稱膨脹率）或巖樣吸水量來(lái)表示地層的膨脹性能。室內(nèi)將HEG和其他幾種性能優(yōu)異的抑制劑進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法參考標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5971—2016油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》中7.5防膨率測(cè)定-離心法。

從表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，幾種抑制劑溶液的防膨率都可以達(dá)到85%以上，具有很好的防膨效果。

表1 防膨率評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 抑制黏土水化能力評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)配方：400 mL去離子水+8.0 g抑制劑+80 g普通鈉搬土，加入搬土后在6 000 r·min-1下高速攪拌5 min，然后在40 ℃下測(cè)定其流變性能。

實(shí)驗(yàn)條件：100 ℃滾動(dòng)老化16 h，6 000 r·min-1下高速攪拌5 min，然后在40 ℃下測(cè)定其流變性能。

從表2數(shù)據(jù)，對(duì)比六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的讀值可以看出UHIB和HEG都有很好的抑制黏土水化的能力，KCl、CPI、HCS和WEIGH老化后增稠，抑制黏土水化能力差。

表2 不同抑制劑抑制黏土水化能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 抑制分散性評(píng)價(jià)-滾動(dòng)回收率

滾動(dòng)回收率是通過(guò)抑制露頭土顆粒的水化分散性能來(lái)表現(xiàn)抑制性的，抑制劑的抑制能力越好，露頭土顆粒的水化分散越差，顆粒完整性保持得越好，滾動(dòng)回收率越高。

本實(shí)驗(yàn)中向400 mL 2.0%的去離子水抑制劑溶液中加入50 g烘干的6～10目（3 350～1 700 μm）露頭土，100 ℃熱滾16 h后過(guò)40目（380 μm）篩，烘干回收的露頭土，計(jì)算回收率。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，幾種抑制劑的滾動(dòng)回收率只有HEG達(dá)到了90%以上，抑制性最好。

表3 不同抑制劑的滾動(dòng)回收率

通過(guò)以上三個(gè)抑制性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得出，HEG具有很好的抑制性能，可以有效抑制黏土水化分散。

3 對(duì)PLUS/KCL鉆井液體系性能的影響評(píng)價(jià)

胺基類抑制劑的加入可能會(huì)對(duì)聚合物鉆井液的性能產(chǎn)生較大的影響，室內(nèi)評(píng)價(jià)了HEG對(duì)聚合物鉆井液體系PLUS/KCL性能的影響。

PLUS/KCL體系基本配方: 3.0%海水般土漿+0.1%NaOH+0.5%PLUS+2%GJC+0.5%PAC-LV+0.1%XC+5%KCl+1.5%LUBE-F+2%GBL+2%CMJ+重晶石加重至密度為1.2 g·cm-3。

3.1 HEG對(duì)PLUS/KCL體系流變性能和濾失性能的影響

實(shí)驗(yàn)條件：100 ℃熱滾16 h，40 ℃測(cè)試性能。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，隨著HEG加量的增加，PLUS/KCL體系的表觀黏度、塑性黏度略有增加，濾失性能變好，濾失量降低?？傮w來(lái)說(shuō)，HEG對(duì)PLUS/KCL體系流變性能影響較小。

表4 HEG對(duì)PLUS/KCL體系流變性和濾失性的影響

3.2 HEG對(duì)PLUS/KCL體系濾液防膨率的影響

評(píng)價(jià)方法參考標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5971—2016油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》中7.5防膨率測(cè)定-離心法。

濾液為體系熱滾后的API濾液。

從表5數(shù)據(jù)可以看出，隨著HEG加量的增加，體系濾液的防膨率增加。未加HEG時(shí)，體系濾液的防膨率為82.35%，當(dāng)HEG加量為1%時(shí)，體系濾液的防膨率為93.15%，HEG可以明顯提高PLUS/KCL體系的抑制性能。

表5 HEG對(duì)PLUS/KCL體系濾液防膨性能的影響

3.3 HEG對(duì)PLUS/KCL體系抑制分散性能的影響

本實(shí)驗(yàn)中向400 mL加入不同加量HEG的PLUS/KCL鉆井液體系中加入50 g烘干的6～10目（3 350～1 700 μm）露頭土，100 ℃熱滾16 h后過(guò)40目（380 μm）篩，烘干回收的露頭土，計(jì)算回收率。

從表6數(shù)據(jù)可以看出，隨著HEG加量的增加，體系的滾動(dòng)回收率增加。未加HEG時(shí)，體系的滾動(dòng)回收率為82.6%，當(dāng)HEG加量為1%時(shí)，體系的滾動(dòng)回收率為96.5%，HEG可以明顯提高PLUS/KCL體系的抑制性能。

表6 HEG對(duì)PLUS/KCL體系抑制分散性能的影響

3.4 HEG在PLUS/KCL體系中抑制黏土水化造漿性能的影響

本實(shí)驗(yàn)向400 mL HEG加量為1%的PLUS/KCL鉆井液體系中加入不同加量的納膨潤(rùn)土，觀察老化前后體系流變性能以及濾失性能的變化。

實(shí)驗(yàn)條件：100 ℃熱滾16 h，40 ℃測(cè)試性能。

從下表數(shù)據(jù)可以看出，HEG 具有很好的抑制黏土水化造漿的能力。當(dāng)鈉膨潤(rùn)土的加量在15%以內(nèi)時(shí)，PLUS/KCL體系的表觀黏度、塑性黏度略有增加，濾失性能變好，濾失量降低?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)HEG的加量為1%時(shí)，PLUS/KCL體系可以承受15%加量的鈉膨潤(rùn)土的污染。

表7 膨潤(rùn)土污染對(duì)PLUS/KCL體系的影響

3.5 HEG對(duì)PLUS/KCL體系儲(chǔ)層保護(hù)性能的影響

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》, 評(píng)價(jià)HEG對(duì)PLUS/KCL鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果的影響。動(dòng)態(tài)污染試驗(yàn)條件: 驅(qū)替壓力為3.5 MPa , 圍壓為6 MPa , 污染溫度為100 ℃，測(cè)滲透率時(shí)泵流量0.5 mL·min-1。

從表8可以看出，在滲透率為10 mD以上儲(chǔ)層，PLUS/KCL鉆井液體系中加入新型小分子胺基抑制劑HEG后，能夠明顯提高巖心的滲透率恢復(fù)值，具有較好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

表8 HEG對(duì)PLUS/KCL體系儲(chǔ)層保護(hù)效果的影響

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型小分子胺基抑制劑HEG在渤海南部海域進(jìn)行了應(yīng)用，該區(qū)塊鉆井揭示的地層巖性主要為黃褐色黏土與灰色粉砂巖互層，褐色泥巖與灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，其中明化鎮(zhèn)組中黏土含量較高，黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，高嶺石和綠泥石較少，混層中蒙脫石含量較高，屬于強(qiáng)水敏巖性，具有易水化膨脹，易分散和易粘結(jié)成塊強(qiáng)等特點(diǎn)。前期鉆井液主要技術(shù)難點(diǎn)：

①鉆進(jìn)過(guò)程中鉆屑水化膨脹嚴(yán)重，且結(jié)塊起球，造成堵返出口等現(xiàn)象。

②泵壓上升、扭矩增大、嚴(yán)重時(shí)還會(huì)憋漏地層或卡鉆。

③鉆進(jìn)過(guò)程造漿情況嚴(yán)重，黏度上升較快，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能維護(hù)困難。

為解決上述問(wèn)題，決定對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)化，體系中加入了新型小分子胺基抑制劑HEG，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了5口井，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況來(lái)看，原有的問(wèn)題很大程度上都得到了解決，此五口平均最大井斜超過(guò)50°，但鉆進(jìn)過(guò)程均比較順利，滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度較快，基本沒(méi)有出現(xiàn)鉆屑結(jié)塊的現(xiàn)象，而且攜砂效果好，鉆井液性能穩(wěn)定，并且起鉆效率比前期有了大幅提高，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液維護(hù)性能見(jiàn)表9。

表9 現(xiàn)場(chǎng)加入HEG后鉆井液的基本性能范圍

圖1 未加HEG返出的巖屑狀態(tài)

圖2 加入HEG后返出的巖屑狀態(tài)

5 結(jié) 論

1）新型小分子胺基抑制劑HEG與其他性能優(yōu)異的抑制性相比，具有更好的防膨性能、抑制黏土水化分散能力和抑制分散性能；

2）新型小分子胺基抑制劑HEG對(duì)PLUS/KCL聚合物鉆井液體系流變性沒(méi)有影響，可以改善體系的API濾失性能；

3）在PLUS/KCL體系中加入1%的新型小分子胺基抑制劑HEG就可以大大提高濾液防膨性能、體系抑制分散性能、體系抗鈉膨潤(rùn)土污染性能和體系的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

4）從新型小分子胺基抑制劑HEG在渤海南部海域油田的應(yīng)用情況來(lái)看，可以將該抑制劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。