强抑制性水基钻井液的室内实验研究

付世豪，许明标，桑文镜，胡棚杰，吴亚迪



强抑制性水基钻井液的室内实验研究

付世豪1，许明标2，3，桑文镜1，胡棚杰1，吴亚迪1

（1. 长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100； 2. 长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100； 3. 油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430100）

由于页岩地层水化作用较强，地层极易水化膨胀导致井壁不稳定，大量岩屑分散在钻井液中，引起钻井液流变性能的剧烈变化，井段容易发生井漏、垮塌、缩径等问题。针对这种情况，研发出一种抗高温抗污染的强抑制性水基钻井液体系。通过评价胺类页岩抑制剂UHIB-B和硅酸盐抑制剂Y1，两者的协同作用提高钻井液的抑制性能，并保持着较好的流变性能。该体系抗温达到了120 ℃，API滤失量小于3 mL，HTHP滤失量小于9 mL，测试其封堵性能时测得钻井液体系侵入沙床深度为1.8 cm，在膨润土以及无机盐的污染下，仍然保持着较好的流变性能，钻井液体系的岩屑回收率达98%，钻井液的防膨率达85%。试验表明，该套体系具有良好的流变性、抑制性及封堵性，抗温性能和抗侵能力优良，适宜在高水敏和易污染等复杂地层中使用。

水化作用；水基钻井液；强抑制性；岩屑回收率；性能评价

近年来，随着石油工业的进步和对石油需求的不断增加，油气勘探开发对象由常规能源发展到非常规能源。由于泥页岩地层特性以及页岩气钻井工艺技术特点，目前页岩气井多采用成本较高、易污染环境的油基钻井液，也有少部分使用水基钻井液。但油基钻井液具有成本高、地层以及环境污染等问题。根据泥页岩井壁水化失稳机理，评价胺类页岩抑制剂UHIB-B和硅酸盐抑制剂Y1的协同作用。以此作为基础添加封堵剂，降失水剂以及流变助剂等等，研制出一种环保、成本低、抑制性能强，综合性能优良的水基钻井液体系，配方为淡水+0.3%NaOH+0.3%CMC+0.15%TQ+3%Y1+3%UHIB-B+2%K-1+3%QS+3%FD+3%NA+4%RT +2.5%LZ +重晶石（=1.50 g/cm3）。

1 研究思路

为了解决泥页岩钻井中遇到的井壁稳定，降低摩阻以及钻井液性能稳定等问题，笔者提出了基于胺类页岩抑制剂和硅酸盐抑制剂材料的水基钻井液[1-4]。评价UHIB-B和Y1作为抑制剂组合抑制黏土膨胀并维持井壁的稳定的效果，抑制剂组合而且能与钻井液中的有机增黏剂相互作用，改善和提高流变性能和温度稳定性。在受到黏土、盐钙的污染的情况下，仍然可以保持良好的滤失性以及润滑性。通过进行钻井液流变性分析、钻井液滤失性能分析、泥页岩膨胀性测试及泥页岩滚动回收率评价和钻井液润滑性评价,优选出一种强抑制性水基钻井液配方[5]。

2 Y1和UHIB-B处理剂作用机理分析

2.1 Y1作用机理分析

Y1的主要成分是硅酸钠，硅酸钠的抑制作用来源于三个方面。第一，硅酸钠在钻井液中本身可以形成不同尺寸的胶体和纳米级粒子，这些低聚的硅酸盐粒子通过吸附、扩散或在压差作用下渗透到岩层孔隙和微裂缝中，阻止滤液进入地层的同时又减小了压力穿透。第二，通过与地层中岩屑表面作用产生凝胶，并与其中矿物等发生胶结作用封固岩屑而改善提高岩屑的膜效率。硅酸钠能与地层中的二价离子发生沉淀作用可以生成不溶沉淀物，覆盖在岩石表面起到封堵作用,避免了黏土的水化膨胀和分散。第三，硅酸钠会形成一种复杂的无机聚合物结构，相当于一层屏障或膜来阻止粒子的运动，吸附在岩层以及岩屑表面起到保护作用[6,7]（作用机理如图1）。

图1 盐酸盐与岩屑颗粒的反应机理示意图

2.2 UHIB-B作用机理分析

UHIB-B抑制剂属于聚胺类抑制剂，UHIB-B聚胺与水反应部分会产生离解或化合而以离子形式或者化合形式存在。离子形式是一类能有效的吸附在岩屑的负电性颗粒，使膨润土表面负电荷增加，ζ电位升高。另一方面，化合形式吸附在岩屑表面使得水化膜增厚，两者的共同作用很大程度上增加了岩屑的聚结稳定性。此外，胺的总浓度处于活跃状态的离解胺浓度不高，但是能够抑制地层空隙表面的黏土中最活跃的易水化基团，并且强有力的吸附在黏土表面，抗冲刷能力强，因此UHIB-B能够长效性地抑制岩屑和黏土的水化分散[8-10]（作用机理如图2）。

图2 胺类页岩抑制剂的抑制机理示意图

3 两种强抑制剂的评价

配制3%预水化膨润土，加入不同抑制剂进行岩屑滚动回收实验，从而评价其抑制性能，结果见表1。在此基础上将抑制剂UHIB-B与其他抑制剂进行配伍性试验，所得结果见表2。

表1 各抑制剂的抑制性能

注：热滚条件为90 ℃×16 h，户外露头岩屑6～10目，热滚后过40目筛。

表2 UHIB-B抑制剂与其他抑制剂的配伍效果

注：热滚条件为90 ℃×16 h，户外露头岩屑6～10目，热滚后过40目筛。

从实验结果可以看出，在相同的条件下，UHIB-B和Y1的抑制性能明显好于传统无机盐抑制剂KCl和CaCl2，其中Y1的抑制性能最为显著，而后的配伍性试验中，UHIB-B能和其它抑制剂配合使用，相比之下与Y1的协同效果最好。

4 强抑制性水基钻井液的配方及性能

4.1 UHIB-B加量确定

在使用以上实验评价的抑制剂组合、增黏剂TQ和降滤失剂QS的情况下，根据钻井作业对钻井液流变性能以及滤失性能的要求，通过控制UHIB-B的加量为空白、1%、2%、3%测试钻井液体系流变参数和滤失量。实验结果见表3。

表3 UHIB-B加量对钻井液性能的影响

注：热滚条件为90 ℃×16 h，户外露头岩屑6～10目，热滚后过40目筛。

由表3的实验数据可以看出,经过热滚老化后，流变参数基本保持不变, 说明UHIB-B的加量对于钻井液体系的流变性能基本没有影响，4组对比实验的API滤失量结果都小于5 mL,符合现场钻井作业的要求。但由于前三组试验的HTHP滤失量均大于第四组钻井液体系，因此最终优选出加量为3%的UHIB-B的水基钻井液体系。

4.2 强抑制性水基钻井液的性能

4.2.1 钻井液的抑制性能

当地层黏土含量高、水敏性强时，钻井过程中不但需要对岩屑有较强的抑制作用，对黏土的稳定也有着极高的要求，所以从岩屑回收实验和离心法防膨实验两方面对体系的抑制性能进行评价。离心法防膨实验使用离心管测定膨润土粉在钻井液体系、煤油和去离子水中体积膨胀增量评价防膨率，样品与膨润土溶液在模拟地层温度条件下静止2 h后，调整自平衡离心机转速为1 500 r/min并离心15 min计算膨润土体积增量[11,12]，实验数据见表4和表5。

钻井液体系的岩屑回收率远远大于水和CaCl2溶液，说明该体系具有非常强的抑制岩屑的能力。同时体系的防膨率达到了85%，体系对于黏土的稳定也有较好的能力。

表4 岩屑在不同钻井液中的回收率

注：热滚条件为90 ℃×16 h，户外露头岩屑6～10目，热滚后过40目筛。

表5 强抑制性水基钻井液体系的防膨率

4.2.2 钻井液的抗温性能

温度对钻井液处理剂的性能有较大影响，处理剂在颗粒表面的吸附作用随温度升高而减弱，其原因主要是分子热运动加剧所造成的，高温解吸附会直接影响处理剂的抑制能力，从而使颗粒更加分散。严重时高温高压滤失量剧增，流变性能失去控制，导致钻井液携沙能力急剧下降[13]。因此，考察体系的黏温性能非常重要，室内测量了钻井液体系在热滚前后的流变参数随温度的变化，实验分别将配制好的钻井液在90、100、110、120 ℃的条件下进行热滚老化测试其抗温性能，实验结果如表6。

表6 钻井液体系性能随温度的变化

注：热滚时间为16 h，50 ℃的条件下测量流变性能。

从实验数据可知，体系随着温度升高黏度变化逐渐变小，动切力先下降后上升，表明该体系发生了程度极小的高温分散,总体而言，该体系经过不同温度的老化仍然保持较好的流变性能和滤失性能，具备良好的携带岩屑的能力。

4.2.3 钻井液的抗污染能力

在钻井过程中经常会钻遇一些复杂的地层，像盐岩、泥岩、膏岩等，此时，钻井液不但需要抑制能力突出，还需要抗盐、抗膏等污染的能力，室内采用了10%黏土、5%NaCl和0.5%CaSO4对该体系进行污染评价研究，结果如表7。

表7 钻井液的抗污染性能

注：热滚时间为16 h，50 ℃的条件下测量流变性能。

从实验结果可以发现，无论是被黏土、NaCl或者CaSO4等污染物侵入，相比较未污染钻井液，流变性和滤失性均未发生明显的变化，API滤失量也基本保持稳定，总体来说黏土、盐、钙的污染对体系性能影响不大，表明该体系有较好的抗污染能力。

4.2.4钻井液的封堵性能

评价钻井液滤失性能比较成熟的方法是使用API滤失仪测试法，该方法测试钻井液滤失量的隔离介质是滤纸。但是滤纸的空隙是均匀的，而地层空隙是非均质的，尤其遇到裂隙发育的地层时，API滤失仪测试法往往不能反应真实情况。所以本实验采用非均质空隙沙床法测定钻井液的滤失性能。使用350 mL的60至80目的沙粒倒入压滤装置用于模拟地层，在0.69 MPa的压力下观测30 min后钻井液体系渗入深度[14,15]，实验数据见表8。

表8 钻井液的封堵性能

从实验数据可知，侵入深度：3%基浆＞3%NA＞钻井液体系，纳米封堵剂NA具有良好的封堵性能，体系中加入封堵材料后，泥浆的侵入深度明显下降。

4.2.5 钻井液的润滑性

钻井液配方中加入液态润滑剂2.5%RT，热滚老化之后，在室温的条件下，使用润滑仪测得该体系的摩阻系数为0.18，接近一般油基钻井液的摩阻系数。因此，该水基钻井液体系具有良好的润滑性能。

5 结论

胺类页岩抑制剂和硅酸钠抑制剂的抑制效果突出并且有较好的协同作用，并在一定程度上，提高了钻井液的黏度稳定性和温度稳定性。强抑制性水基钻井液具有良好的流变性能、抗污染能力以及润滑性。体系在受到黏土、无机盐污染的情况下，体系的各项性能稳定，润滑性接近油基钻井液，适宜于在高造浆、高水敏地层、裂缝发育和与易污染地层中使用。

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Indoor Experimental Research on Strong Inhibitory Water-based Drilling Fluid

1,2,3,1,1,1

（1.Earth Science Institute，Yangtze University, HubeiWuhan 430100China；2. Petroleum Engineering Institute，Yangtze UniversityHubeiWuhan 430100China；3.Hubei Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Engineering ,Hubei Wuhan 430100, China）

Due to the strong hydration of the shale formation, the formation is very easy to hydrate and expand to cause the wall instability. A large number of cuttings are scattered in the drilling fluid, causing drastic changes of the rheological properties of the drilling fluid, wells are prone to well leakage, collapse, shrinkage and other issues. In response to this situation, a high temperatureresistance, anti-pollution, strong inhibition water-based drilling fluid system was developed. By evaluating the synergistic effect of the amine shale inhibitor UHIB-B and the silicate inhibitor Y1, the synergistic effect of the drilling fluid was improved and the rheological properties were maintained. The system had a temperature resistance of 120 ℃, API filter vector was less than 3 mL, HTHP filter vector was less than 9 mL. When the sealing performance of the drilling fluid was measured, the invasion depth of the drilling fluid in the sand bed was 1.8 cm, and the rheological performance was still good under the pollution of bentonite and inorganic salt. The recoveries of the drilling fluid system were 98% and drilling fluid anti-expansion rate was 85%. Experiments show that the system has good rheological properties, inhibition and sealing, anti-temperature performance and anti-invasive properties. And it is suitable for high water sensitive and easy pollution and other complex formations.

Hydration; Water-based drilling fluid; Strong inhibition; Cuttings recovery; Performance evaluation

TE 254.3

A

1671-0460（2017）12-2566-04

2017-04-13

付世豪(1995-)，男，湖北黄冈人，研究方向：油田化学。E-mail：13995934824@163.com。

许明标(1962-), 教授, 博士, 1983年毕业于原西南石油学院油田化学专业，从事入井流体研究工作。E-mail：xmb62@163.com。