阳离子烷基糖苷钻井液在长南水平井的应用

赵 虎，司西强，雷祖猛，王忠瑾

(中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001)

陕北长南地区水平井为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的丛式水平开发井，目的层为二叠系—奥陶系，为低渗致密储藏，岩性复杂。选用阳离子烷基糖苷(CAPG)钻井液进行试验，可发挥其优良的抑制和润滑性能，解决造斜段和水平段易井壁失稳、托压和卡钻等井下复杂问题，并利用其低水活度和成膜封固作用，降低储层的水锁效应，保护致密储藏。

1 CAPG钻井液体系

烷基糖苷(APG)与水有良好的互溶性，其水溶液几乎不受无机盐的影响，因分子链的长短差异抗温150～180℃。将APG加入钻井液中:可增大钻井液的屈服值和凝胶强度，提高钻井液的携岩能力;可降低钻井液的摩擦系数，提高钻井液的润滑性;可有效降低钻井液的水活度，阻止与钻井液接触的页岩水化和膨胀，降低储层的水锁效应［1－3］。APG钻井液在中原油田的非常规水平井的应用结果表明，该钻井液具有较好的携岩带砂、润滑防卡和抗温抗污染能力，可满足长水平段钻井的施工需要［4］，但抑制性能有待提高，不能有效解决长段泥页岩的井壁掉块问题，且加量大，成本较高。

CAPG在秉承了APG较好润滑性的基础上，抑制性能显著提高，能够有效解决泥页岩及砂泥岩等易坍塌地层的井壁失稳问题。CAPG分子本身带正电荷，含有1个亲油的烷基、3个亲水的羟基(—OH)、1个亲水的醚键(C—O—C)和1个强吸附的季铵阳离子(R1R2R3R4N+Cl－)。其抑制机理是多种化学和物理作用的共同体现［5－11］，主要包括:1)静电吸附成膜及拉紧晶层;2)羟基吸附成膜;3)季铵基团吸附成膜及嵌入去水;4)降低水活度;5)形成封固层。这些作用大大增强了CAPG的抑制能力，且仍保留了APG的润滑和抗温抗污染能力，加量显著降低。同时通过优选封堵材料，优化体系配方，可协同作用解决水平段泥页岩的井壁稳定问题。

2 陕北长南地区地质与工程概况

现场试验井目的层为低渗致密储藏，岩性复杂，具体地质参数如表1所示。

试验井位根据地质特点有2种井深结构，即三开(二开为 φ241.3 m钻头钻至造斜点前，φ215.9 mm钻头钻至A靶点，下技套)和四开(三开φ244.5 mm钻头钻至A靶点)结构。完井方式有2种，即分段压裂管柱和套管完井。具体工程参数如表2所示，靖南72－13H1井和高桥26－126H井均因地质出层而悬空侧钻，部分水平井段未计入水平段长。

表1 试验井地质概况

表2 试验井工程参数

3 钻井液技术难点与技术思路

3.1 技术难点

3.1.1 井眼清洁难度大

三口井设计水平段长均超过1 000 m，井身，距结构为多级套管组合，尤其是靖南72－13H1井地面2 928 m套管直径为244.5 mm，环空较大;2 728～3 770 m套管直径为177.8 mm，环空较小;四开水平段钻头直径为152.4 mm，井眼较小。因此钻井液既要满足上部大环空低返速下的带砂能力，又要满足水平段小井眼排量受限下的携砂和悬浮固相能力。必须选用合理的钻井液流变参数和合适的排量，尽可能降低循环压耗，并保持良好的携砂和悬浮能力，满足钻井工程的需要。

3.1.2 地层岩性交错，井壁稳定要求高

高桥26－126H井造斜段地层泥岩含量较高兼有煤层，高桥46－118H1井造斜段地层泥岩含量较高，需要提高钻井液密度以有效支撑井壁，但未封固上部刘家沟组易漏地层，安全密度窗口较窄。水平段地层不同层位含有砂质泥岩、灰色泥岩、炭质泥岩、煤层和白云岩等，岩性变换交错。地层中的泥岩和煤层易坍塌掉块，对钻井液的防塌能力要求较高。

3.1.3 水平井段长，润滑性能要求高

钻进过程中大部分的扭矩增大以及阻卡问题均是由井眼清洁差而形成的岩屑床、井壁不稳定、键槽和压差过大等因素引起的，长水平段对钻井液的润滑性能要求更高。

3.2 技术思路

3.2.1 井眼清洁

根据多级套管组合和长水平井段钻井需求，采用合理的钻井液流变参数和合适的排量，将钻井液黏度控制在50～70 s，钻井液排量14～19 L/s。实钻过程中会因膨润土含量偏低造成钻井液切力下降，可适当补充黄原胶(XC)以改善钻井液的流型，提高携岩带砂能力。

3.2.2 井壁稳定

选用合理密度的钻井液，以有效支撑井壁，造斜段钻遇大段泥岩或煤层时，及时提高钻井液密度，但应补充一定浓度的封堵材料，如无渗透处理剂等。保持一定浓度的CAPG，通过多羟基吸附拉近黏土和岩石晶片的结构，限制黏土分散，根据各井情况可复合使用KCl，以保持钻井液的强抑制能力，或采用硅钾基防塌剂、超细凝胶等，以提高钻井液的固壁作用或封堵能力，达到稳定井壁的目的。

3.2.3 润滑防卡

CAPG与APG配合使用，能兼顾润滑、防塌效果，有利于降低成本，在钻进过程中应根据地层岩性变化和水平位移的增加而及时补充，保持钻井液的润滑性。

4 CAPG钻井液现场应用

CAPG钻井液试验井段含造斜段和水平段，具体应用情况如表3所示。

表3 试验井钻井液应用概况

4.1 钻井液的配制

充分利用现场钻井液，通过固控设备尽可能清除老浆固相，配制40～60 m3胶液，钻井液的配方如下:30～50 kg/m3CAPG+40 kg/m3APG+聚合物增黏降滤失剂(COP－HFL)+聚合物降滤失剂(COP－LFL)+低黏羧甲基纤维素钠(LVCMC)+60～80 kg/m3KCl(或60～80 kg/m3)硅甲基防塌剂)+10～20 kg/m3沥青类 +适量NaOH。根据各井情况调整聚合物加量，充分循环均匀后，实现钻井液的平稳转换。

4.2 钻井液的维护处理

4.2.1 流变性控制和井眼清洁

为了同时满足水平段的冲刷带砂和上部环空的悬浮带砂需求，钻井液应保持合理的流变性，钻井液的黏度为50～70 s、动切力为5～10 Pa、静切力为1～3 Pa/4～6 Pa时较为合理。使用高黏聚合物乳液(HP)、COP－HFL和高黏羧甲基纤维素钠(HV－CMC)等均可提高钻井液的黏度;在膨润土含量较低的情况下可用XC提高动切力和静切力;若需要降低钻井液的黏切，用1 kg/m3LV－CMC+1 kg/m3低黏聚合物(PL)稀胶液稀释即可，若下钻划眼较多，可用高XC或HP配置稠塞液清砂。

4.2.2 滤失量和泥饼质量控制

适当补充LV－CMC、COP－HFL和PL等聚合物可降低钻井液的滤失量;补充沥青类、超细凝胶、乳化石蜡等可提高封堵降滤失效果，提高泥饼质量;补充APG和CAPG亦可改善泥饼质量。

4.2.3 防塌措施

选用合理密度的钻井液，以有效支撑井壁，是保持井壁稳定的前提。如靖南72－13H1井，四开钻井液密度为1.20 g/cm3，4 100 m后密度提高到1.25 g/cm3，侧钻后4 495 m，γ ＞200，泥质含量升高，钻井液密度提高到1.30 g/cm3。高桥26－126H井造斜段转换钻井液，密度为 1.21 g/cm3，钻遇泥岩地层时，逐步提高钻井液密度至中完1.25 g/cm3，考虑到上部刘家沟易漏地层密度不宜过高。保持CAPG的质量浓度≥30 kg/m3可有效保障钻井液的抑制性，在泥岩含量较高的井段补充沥青等可提高钻井液的封堵能力。

4.2.4 润滑防卡措施

APG类产品润滑能力强，保持APG和CAPG的总量≥70 kg/m3，随着水平段的加长，适当提高其用量，可有效降低钻井液的摩阻;同时必须加强固相控制，使钻井液含砂量≤3 kg/m3，满足长水平段钻井工程的需要。

4.3 钻井液的应用效果

在整个钻进过程中，钻井液性能稳定，井下安全，起下钻畅通无阻，电测及完井作业均一次成功，未出现井下复杂情况，达到了稳定井壁、保护储层及井下安全的目的，为地质资料的完整录取和钻井施工的顺利进行提供了技术保障。具体应用效果如下:

1)抑制性强，保障了井壁稳定，提高了固控效果。保持CAPG用量≥30 kg/m3，并辅助使用KCl(用量≥60 kg/m3)或硅钾基防塌剂，有效保障钻井液的抑制性，同时加强封堵和降低滤液浸入措施，3口试验井均在设计密度范围内保持了井壁稳定。其中靖南72－13H1井在完井作业期间由于天气等原因停达44 d，在此期间通井拉井壁井下正常，下完井管柱顺利。高桥26－126H井和高桥46－118H1井在泥岩含量较高的双石组(石千峰组和石盒子组)及含煤层的山西组未出现掉块现象，钻完井作业顺利。分段钻井液性能如表4所示。

表4 试验井分段钻井液性能

2)润滑性好，满足定向施工需要，利于降低循环压耗、提高机械钻速。APG类产品润滑能力强，可改善钻井液的泥饼质量;同时加强固相控制，控制钻井液含砂量≤3 kg/m3，可保障长水平段钻井工程的需要。靖南72－13H1井的机械钻速较同等岩性和工程措施的临井靖南70－6H1井水平段提高72%;高桥26－126H井造斜段转换为CAPG钻井液后，解决了定向托压和钻头泥包等问题。水平段机械钻速与摩阻如表5所示。

表5 试验井的机械钻速和摩阻

3)剪切稀释性好，携岩能力强，保证了井眼清洁及岩屑床的清除。在钻进过程中，通过补充XC、HV－CMC或HP胶液以保持钻井液的携砂能力，及时将钻屑带出。一方面减少了钻屑的重复切削或研磨，有利于控制钻井液的固相含量;另一方面保持了井眼清洁，减少了岩屑床的形成，保证了井下钻井的安全施工。

4)有利于油气层保护和环境保护。CAPG与APG可有效降低钻井液的水活度，形成理想隔离膜，阻止与钻井液接触的泥页岩水化和膨胀，有效维持井眼的稳定，降低储层的水锁效应，实现对储层的保护;钻井液中膨润土含量低，亚微米固相颗粒含量少，使用的加重材料为石灰石，有利于酸化解堵，保护储层;APG及配伍处理剂的生物毒性低，可自然降解，环境保护压力低。

5 结论

1)APG钻井液体系的携岩带砂能力、润滑能力、滤失造壁性等较好，抗温稳定性较高;CAPG钻井液体系可提高钻井液的抑制性能，满足更多地层长水平段钻井的需要。

2)应根据相应井段情况控制钻井液密度，遇泥岩或煤层时适当提高钻井液的密度，及时补充CAPG、KCl或硅甲基防塌剂，复合使用沥青类等材料，保障井壁稳定。

3)应优化钻井液配方，在满足钻井工程需要的前提下，降低钻井液的成本，如:高桥46－118H1井的钻井液未使用KCl，改用少量硅甲基防塌剂协同CAPG，钻井液仍保持良好的抑制能力。

4)应进一步加强固相控制，选择合理的振动筛目数，及时清除钻井液中的有害固相，进一步提高机械钻速。

［1］丁彤伟，鄢捷年.新型MEG钻井液体系的研究［J］.石油天然气学报，2005，27(6):750－752.

［2］窦红梅，许承阳.甲基葡萄糖苷－超低渗透钻井液性能评价［J］.钻井液与完井液，2006，23(6):36 －38.

［3］刘岭，高锦屏，郭东客.甲基葡萄糖苷及其钻井液［J］.石油钻探技术，1999，27(1):49 －51.

［4］赵虎，甄剑武，王中华，等.烷基糖苷无土相钻井液在卫383－FP1井的应用［J］.石油化工应用，2012，31(8):6－9.

［5］司西强，王中华，魏军，等.阳离子烷基糖昔的合成及应用［J］.精细石油化工进展，2011，12(11):27 －30.

［6］司西强，王中华，魏军，等.钻井液用阳离子甲基葡萄糖苷［J］.钻井液与完井液，2012，29(2):21 －23.

［7］Si X Q，Wang Z H，Wei J，et al.Study on synthesis of cationic methyl glucoside which was used in drilling fluid［J］.Prepr Pap－Am Chem Soc，Div Pet Chem，2012，57(1):102－103.

［8］司西强，王中华，魏军，等.钻井液用阳离子烷基糖苷的合成研究［J］.应用化工，2012，41(1):56 －60.

［9］司西强，王中华，魏军，等.阳离子烷基糖苷的绿色合成及性能评价［J］.应用化工，2012，41(9):1526 －1530.

［10］Si X Q，Wang Z H，Wei J，et al.Performance test for cationic methyl polyglucoside which was used in drilling fluid［J］.Prepr Pap－ Am Chem Soc，Div Pet Chem，2012，57(1):86－87.

［11］王中华.2011～2012年国内钻井液处理剂进展评述［J］.中外能源，2013，18(4):28 －35.