超低渗透钻井液成膜剂PF－LHW的室内评价及其在渤海SZ36－1的应用

郝彬彬，王冲敏，刘雪婧，刘慧明，彭胜玉

（1.天津中海油服化学有限公司，天津300301；2.中海油服油田化学事业部，河北 燕郊065201）

随着油气勘探开发领域的不断拓展，钻井过程中遇到的地层越来越复杂，而且在常规钻井过程中，外来流体始终与井内不同地层和流体接触，很容易对油气层造成伤害，不但影响油井的初期产量，而且影响后续作业的损害程度和作业效果。为此，近年来国外学者开发出了超低渗透钻井液体系，该钻井液体系能够在很短时间内，在岩石表面形成一层超低渗透膜，降低侵入地层的钻井液及其滤失量[1］。由于国外超低渗透钻井液体系成本太高，难以推广应用，国内研究机构相继开展了该领域的研究，但效果不是很理想，主要表现在处理剂使钻井液增稠、封堵效率低、封堵层抗压强度低[2］，还存在一定程度的滤失。因此，对超低渗透钻井液成膜剂的研究具有重要的理论和实际意义。

作者在此对超低渗透钻井液成膜剂PF－LHW的作用机理进行分析，通过一系列室内评价实验对其性能进行研究，并将其应用于渤海SZ36－1，考察其应用效果并和同类产品进行了比较。

1 PF－LHW成膜剂的组成与作用机理

1.1 PF－LHW 成膜剂的组成

PF－LHW由植物衍生物形成的混合物、部分水溶和油溶的有机高分子聚合物、不溶的金属氧化物等组成，原料来源广泛、价格低廉，制备工艺简单易行，便于推广应用。其中利用废弃植物制得的高强度植物纤维是PF－LHW成膜剂主要的原材料，纤维粗且长，韧性大；不溶的金属氧化物可以增加隔离膜的刚性桥接，更进一步增强膜的致密性；为了进一步改善PF－LHW成膜剂在短时间内的物理作用效果，加入了室内筛选的具有不影响钻井液流变性能的部分水溶和油溶的有机高分子聚合物，在桥塞的基础上，吸附在地层孔隙和惰性材料所形成的缝隙中并膨胀，从而增强屏蔽层的致密性，提高地层承压能力。

1.2 PF－LHW成膜剂的作用机理

1.2.1 功能分子的吸附

聚合物以碳链为主，侧链含有众多的吡咯烷酮基、丙烯酰胺基或羟基，可以增大空间位阻，对外界离子的进攻不敏感，使主链的刚性增强，有利于抗温能力的提高。再加上成膜剂中含有一定量的金属键，更加保证了隔离膜的刚性桥接，进一步增强了膜的致密性和承压能力，阻止滤液向地层渗透[3，4］。

1.2.2 形成结构网

PF－LHW中含有的阳离子基团以静电方式吸附在粘土颗粒表面，中和粘土表面部分负电荷。聚合物长链与粘土颗粒间存在着错综复杂、相互交错的多点吸附，形成了聚合物－粘粒结构网，阻止了粘土颗粒间因热运动相互碰撞而合并变大的可能，提高了粘土颗粒的聚集稳定性。

1.2.3 胶束封堵作用

PF－LHW是由一系列可溶于油和水的改性纤维和聚合物等物质复配而成的，可进一步变形为胶束、聚集体或胶团。在井内过平衡压力驱动下，钻井液开始浸入渗透性岩层，PF－LHW因聚合物胶束团（其中桥接有金属键刚性物质）的界面吸附力及可变形性，能自适应封堵岩层表面较大范围的渗漏与裂缝，快速形成成膜低渗透阻挡层，在较宽的微裂缝范围内起到低渗透作用，有效降低不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层滤失量，实现低滤失钻井，有效保护油气层[5，6］。

2 PF－LHW成膜剂的室内评价实验

2.1 荧光测试

利用OFA－3DI型石油荧光分析仪分析超低渗透钻井液成膜剂PF－LHW的荧光光谱。向20mL正己烷溶剂中加入0.02g超低渗透钻井液成膜剂PFLHW，得0.1%超低渗透钻井液成膜剂溶液。磁力搅拌20min至完全溶解。将其放入三维荧光仪中测试三维荧光图谱，结果见图1。

图1 超低渗透钻井液成膜剂PF－LHW的荧光图谱Fig.1 The fluorescence spectrum of ultra－low permeability drilling fluid membrane－forming agent PF－LHW

将三维荧光图谱与标准图谱对照，结果表明荧光级别均＜3级，满足了地质录井的要求。

2.2 渗滤性实验

2.2.1 可视中压砂床渗透实验

将配制好的6%膨润土浆和PEM基浆放置16～24h后，分别取3份加入一定量成膜剂作为实验浆。将基浆和实验浆在11 000r·min－1转速下高速搅拌20min后，装入老化罐于120℃热滚16h，取出，冷却。称取350mL石英砂装入可视中压砂床实验筒中铺平，缓慢加入500mL基浆或实验浆，调整压力至0.69MPa，打开阀门开始计时，记录30min泥浆滤失量并测量泥浆下渗刻度，之后缓慢倒出泥浆装入清水重复上述操作，记录清水滤失量并测量清水下渗刻度。结果见表1 。

表1 不同钻井液体系的可视中压砂床渗透实验结果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%膨润土浆和PEM基浆的下渗刻度明显减小且效果好于国外产品。

2.2.2 高温高压砂床滤失实验

将PEM基浆放置16～24h后，取出400mL或为基浆或加入成膜剂，在11 000r·min－1转速下高速搅拌20min后，装入老化罐于120℃热滚16h，取出，冷却。称取石英砂装入71型高温高压砂床实验筒中铺平，缓慢倒入320mL老化后的基浆或实验浆，按照GB／T 16783.1－2006中水基钻井液推荐测试标准方法测定高温高压砂床滤失量（FLHTHP）和清水滤失量（FL清水），结果见表2 。

表2 不同钻井液体系的高温高压滤失量Tab.2 The HTHP filtration of different drilling fluid systems

由表2 可以看出，加入PF－LHW后，PEM基浆的FLHTHP和FL清水均显著下降，且效果好于国外产品。

2.3 配伍性实验（表3 ）

表3 不同温度下PF－LHW与钻井液体系的配伍性实验结果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 在不同温度下与PEM钻井液体系具有良好的配伍性，对钻井液的流变性基本无影响，并能显著降低FLAPI和FLHTHP，这也是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钻井液泥饼的摩阻系数，提高泥饼质量。

2.4 承压能力实验

分别配制6%海水搬土浆和PEM基浆，加入不同成膜剂，高速搅拌，于120℃热滚16h，取出，冷却。称取200g石英砂装入71型高温高压实验筒中铺平，缓慢倒入老化后基浆或实验浆，先在前30min内加压0.69MPa，然后依次每10min在原来压力的基础上再加压0.7MPa至5.0MPa，测定砂床滤失量，结果见表4。

表4 室温下，不同钻井液体系的滤失量／mLTab.4 The filtration of different drilling fluid systems at room temperature／mL

由表4可以看出，6%海水搬土浆和PEM基浆在5.0MPa压力下的滤失量分别为1min全失和68mL，而加入PF－LHW后分别为13mL和2mL，证明PF－LHW的相对承压能力较强，且其承压能力好于国外产品。

2.5 油层保护性实验

渗透率恢复实验是通过测定钻井液侵入油藏岩石前后渗透率的变化来评价工作液对油气层的损害程度，判断其与油气层之间的配伍性。

应用人造岩心，按照中国石油天然气行业标准SY／T 6540－2002《钻井液完井液损害油层室内评价方法》，用CLDⅡ型岩心流动试验仪测定受钻井液伤害后岩心渗透率的恢复率，以评价其保护储层的性能。步骤如下：（1）选用BZ19－4地层水饱和岩样，将岩心干燥，抽空饱和模拟地层水，老化40h，待用；（2）正向测定岩心的脱色中性煤油渗透率KO1；（3）在静态条件下，钻井液反向污染岩心（模拟条件：反向压力2.5 MPa、60℃、120min、环压4.0～4.5MPa）；（4）80℃下用煤油正向测定岩心的油相渗透率KO2，计算岩心渗透率恢复值KO2／KO1，结果见表5 。

表5 岩心渗透率恢复值实验结果Tab.5 Results of recovery permeability of cores

由表5 可以看出，PEM基浆的渗透率恢复值为89.51%，PEM基浆＋2%PF－LHW 的渗透率恢复值为87.33%。说明加入超低渗透钻井液成膜剂PFLHW对PEM基浆渗透率恢复值影响不大，钻井液对油层污染较小，有利于油气层保护。

3 PF－LHW成膜剂在渤海SZ36－1的应用

3.1 试验井段的选择

绥中地区泥页岩成岩作用差、水敏性强、裂隙发育、含砾石、胶结性差、胶结物水敏性强、极易水化剥落。该区SZ36－1－K29井的2800～3900m井段井塌极为严重，返屑较为混杂，每次下钻均不能顺利到底。尤其在下钻至3160.7m处即严重遇阻，随后开泵划眼到底，历时31h，最严重时8h仅划眼进尺一个单根。基于以上情况，经研究决定，实施了以PF－LHW为主剂的井壁成膜封固试验。

3.2 现场维护处理情况

根据室内实验和现场配伍性实验结果，并考虑到两除使用不当，井浆固相污染严重，搬土含量较高，为降低固含和板含，放掉部分被污染的旧浆，然后向套管内循环的钻井液中直接加入PF－LHW 胶液（15%）10t，配合加入其它处理剂循环均匀后，钻井液液面油亮、手感光滑、泥饼致密且紧韧，钻井液性能为：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。在以后的钻进中，每天只需补充适量的PF－LHW和少量的其它处理剂即可。使用PFLHW后，钻井液性能稳定、易于维护处理，具有较高的动塑比、易于携岩洗井，起下钻、短程起下钻和接单根比较畅通。

3.3 应用结果

从实钻地层返屑和取心情况来看，试验前后地层岩性变化不大，有很强的可比性，由测井曲线可知，使用PF－LHW钻井液后，井径扩大率比使用前降低了23.3%，取得了明显的防塌护壁效果。PF－LHW钻井液体系流变性能好，日常维护处理简单，钻井液返屑棱角分明、成型度高、软化度低、基本上没有混杂现象，试验井段阻卡和划眼现象明显减少，节省了大量的其它处理剂。

4 结论

（1）超低渗透钻井液成膜剂PF－LHW由两性离子成膜聚合物与部分活性纤维和非活性物质组成，其成膜效果较好，且荧光较低，能满足录井要求。

（2）用砂床滤失仪测得的滤失量不同于常规的API滤失量，由于其隔离介质为砂子，更接近地层实际情况，因而砂床滤失量更能真实地反映钻井液在井下的实际情况。

（3）超低渗透钻井液成膜剂PF－LHW与多种钻井液体系的配伍性较好，能大幅度地降低钻井液的滤失量及泥饼摩阻系数，提高泥饼质量。

（4）PF－LHW能够很好地封堵油层，降低钻井液侵入地层量，能够有效保护油气层。

（5）试验井段的井身质量较使用前显著提高。

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