GSY防塌环保钻井液体系在苏丹六区油田的研究与应用

刘相伟 王丽

(中石油长城钻探工程有限公司对外合作部, 北京 100101) (中石油辽河油田分公司国际事业部，辽宁 盘锦 124010)

GSY防塌环保钻井液体系在苏丹六区油田的研究与应用

刘相伟 王丽

(中石油长城钻探工程有限公司对外合作部, 北京 100101) (中石油辽河油田分公司国际事业部，辽宁 盘锦 124010)

苏丹六区油田的AG地层泥页岩水敏性极强，因井壁失稳造成的井眼事故频繁发生。通过使用多功能絮凝包被抑制剂GWAMAS，替换掉原有体系中的KPAM，解决了原有体系抑制性不足的问题。同时引入高效防塌剂GSY、天然高分子降滤失剂CGS等高效处理剂，构建了满足苏丹六区油田快速、安全、经济的防塌环保钻井液体系。室内试验和现场试验均表明，该钻井液具有良好的流变性、抑制性、抗污染能力、环保性，能有效地解决AG地层井壁失稳问题，具有良好的性价比，推广前景广阔。

井壁失稳；GWAMAS包被抑制剂；防塌环保钻井液；苏丹六区油田

苏丹六区油田的AG地层泥岩、页岩吸水膨胀而导致的坍塌、掉块，井下复杂较多[1～5]。为了解决苏丹六区油田井壁失稳问题，分别用KCl-PHPA、KCl-KPAM、KCl-PAC(低黏)等聚合物体系，但是即使KCl质量分数达到8%～10%，现场应用效果并不理想，井壁失稳问题依然频繁发生[6～8]。为此设计出一套GSY防塌环保钻井液体系，有效解决了苏丹六区油田井壁失稳问题。

1 苏丹六区油田钻井液技术难点分析及对策

1)钻井过程中，地层从上到下存在大段泥岩，泥岩中蒙脱石、高岭石、伊利石含量高，易水化膨胀，导致井壁膨胀缩径，起下钻挂卡、阻划。对已钻38口井的井径状况相关资料进行了收集，其中10口井井径基本规则，占26%；10口井以缩径为主，占26%；12口井缩径并扩径，占32%；6口井扩径，占16%。复杂情况在浅部(1500m以上)以缩径为主，在深部(1750～3000m以下)经常出现掉块坍塌现象，尤其是AG地层掉块严重。从矿物X射线和对所钻过的FN-1、FN-21、FN-68这3口井的岩性进行了分析，黏土类型均以伊-蒙混层为主，而且间层比均不低于40%，同时黏土总量都集中在62.6～66.4之间，属于典型强造浆地层。

2)下部AG地层存在类似页岩地层，容易发生剥落、坍塌，严重时可能造成井壁坍塌卡钻。AG地层则以泥岩成分为主，孔隙度相对偏低，特别是AG(中)地层的平均孔隙度最低，为16.3%，其砂层所占比例也相对较小，为12.8%。因此，钻井液要维持适宜的密度，AG地层的漏失问题才能缓解，AG地层的孔隙度低，井漏的倾向小。

图1 岩样微裂缝高清图

图1为岩样的微裂缝情况，可以看出岩样整体致密，其中有5～10μm的微裂缝，有明显的层理结构。为解决以上问题，确定钻井液技术对策如下：一是提高钻井液的抑制性和封堵性；二是保证适当的钻井液密度；三是替换原有体系核心处理剂，使用公司自己生产的处理剂，提高抑制性同时降低口井每米成本。

2 钻井液用多功能絮凝包被抑制剂GWAMAS优选

2.1GWAMAS作用机理

钻井液用多功能絮凝包被抑制剂GWAMAS是一种液体的增黏包被抑制剂，它是丙烯酰胺和丙烯酸的共聚物，其有效成分HPAM吸附在页岩颗粒边缘和表面上的高聚物连同吸附物形成了一层保护屏障，阻止了水分子的进入，降低了页岩表面的水化效应，阻碍了页岩的崩裂和坍塌。高分子链深入到泥页岩的缝隙中起到固结和防止泥页岩水化膨胀的作用。同时HPAM的—COO—使分子链带负电荷水化，由于静电斥力和水化膜的作用使卷曲的分子得到伸展。对于不同类型的颗粒表现出了不同的吸附、絮凝能力。其分子式及作用机理如图2所示。

图2 HPAM表面上的吸附

2.2GWAMAS包被剂的优选

1)包被剂对井浆性能的影响 在分散井浆中加入质量分数为0.3%的2种包被剂，分别测试分散井浆，分散井浆+0.3%河北崇礼多元包被剂，分散井浆+0.3%GWAMAS乳液包被剂，在常温及90℃时的性能，结果如表1所示。2种包被剂对钻井液性能影响趋势接近，漏斗黏度及液相黏度增大，动塑比降低，静切力降低，GWAMAS乳液包被剂的流变性指标略优于河北崇礼多元包被剂。

表1 包被剂对井浆性能的影响

注1：μf为漏斗黏度；μa为表观黏度；μp为塑性黏度；τi、τf分别为初切力和终切力；τd为动切力；Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100、Nφ6、Nφ3分别为六速旋转黏度计600、300、200、100、6、3r/min对应的读值；VAPI为API滤失量；n为流性指数；K为稠度系数。下同。

注2：配方1#为分散井浆；配方2#为分散井浆+0.3%河北崇礼多元包被剂；配方3#为分散井浆+0.3%GWAMAS乳液包被剂。

2)包被剂具有抑制页岩分散作用 取Abu Gabra Suf N-3井深为3130m的岩屑50g(6～10目)，分别加入清水及含有包被剂的水溶液中，热滚120℃×16h后，用40目筛回收岩屑，烘干，称重，实验结果如表2所示。2种包被剂岩屑回收率均超过90%，但是GWAMAS乳液包被剂抑制岩屑分散能力更强。

表2 岩屑回收实验结果表

图3 岩屑回收照片

3)粒度分析 以分散井浆为基液，分别加入0.3%河北崇礼多元包被剂，0.3%化学公司GWAMAS乳液包被剂，放入粒度分析仪中，测定其微粒含量，测试结果见表3。分散井浆配方：3%膨润土浆+0.2%Na2CO3+0.1%XC；多元包被剂配方：分散井浆+0.3%河北崇礼多元包被剂；乳液包被剂配方：分散井浆+0.3%化学公司乳液包被剂GWAMAS。表3中的测量结果表明，两种包被剂体系的平均粒径略有降低；表4在一定程度上表现出两种包被剂对微粒的絮凝作用(与吸附基团分布有关)的差异，在0.25～0.3μm、0.3～0.35μm、0.35～0.4μm、0.4～0.47μm、0.47～0.55μm等粒径区间内，加入GWAMAS乳液包被剂的体系中微粒质量分数均高于多元包被剂，说明乳液包被剂对微粒的吸附桥连作用相对较弱。

试验结果表明，GWAMAS乳液包被剂具有良好的流变性能和抑制页岩分散作用，同时微粒质量分数较多的吸附桥连作用相对较弱，以上优点使钻井液体系在配浆转化过程中减少了提黏剂的使用，减少了成本。

表3 特征粒径对比

注：D10、D50、D90分别为累计粒度分布数达到10%、50%、90%时所对应的粒径。

表4 粒径区间分布

2.3GSY环保防塌钻井液体系配方及性能评价

2.3.1GSY环保防塌钻井液体系配方

本着安全、经济的原则，配方优选了防塌抑制剂、多功能絮凝包被抑制剂、流型调节剂、防塌降滤失剂、润滑剂等，确定GSY新型环保防塌钻井液体系：2%膨润土浆+6%高效防塌抑制剂GSY(粉末)+0.2%乳液包被剂GWAMAS +3%天然高分子降滤失剂CGS+0.86%低黏聚阴离子纤维素PAC-LV+2%低软化点沥青KH-931+2%抗高温抗盐降滤失剂NFC-1+0.1%黄原胶XC+0.2%NaOH+重晶石。其性能见表5，老化后流变性能适当，高温高压失水量符合预期要求。

表5 最终配方的钻井液性能

注：ρ为密度；Vhthp为高温高压滤失量。热滚条件130℃×16h，滚后50℃测试。

2.3.2热稳定性评价

实验测试GSY环保防塌钻井液体系热稳定性，对比GSY环保防塌钻井液体系中不添加0.2%乳液包被剂GWAMAS配方的热稳定性，测试结果如表6所示。对比4#体系和GSY防塌钻井液体系，GSY防塌钻井液体系在150℃滚动16h后性能变化不太大，而4#体系性能已被完全破坏，表明乳液包被剂GWAMAS可以明显地提高体系的抗温能力，至150℃。

表6 GSY环保防塌钻井液体系抗温性能表

注：4#配方中不添加GWAMAS，配方为2%膨润土浆+6%高效防塌抑制剂GSY(粉末)+3%天然高分子降滤失剂CGS+0.86%低黏聚阴离子纤维素PAC-LV +2%低软化点沥青KH-931+2%抗高温抗盐降滤失剂NFC-1+0.1%黄原胶XC。

2.3.3防塌抑制能力评价

在岩屑回收率试验中，筛取Abu Gabra Suf N-3井中井深为3130m的岩屑40g(8～10目)，分别加入常用抑制防塌体系、有机硅防塌体系、硅氟钻井液体系、KCl钻井液体系、GSY钻井液体系，测试这5种钻井液的抑制性能。在滚子炉120℃下滚动16h后取出，过40目筛网，收集岩屑，测得回收率。GSY钻井液体系对页岩的抑制性最强，高达96%(图4)，明显优于另外4种钻井液体系。

图4 体系抑制性对比图

2.3.4抗土侵污染性能评价

苏丹六区油田上部地层，蒙脱石质量分数较高，极易出现黏土侵入钻井液，致使流变性无法控制，因此，向GSY钻井液体系中分别加入不同质量分数的膨润土测其性能，结果见表7。可以看出，GSY体系钻井液体系的膨润土容量为6%，抗土侵能力较强。

表7 钻井液体系膨润土容量限性能测试表

3 GSY防塌环保钻井液体系现场应用及效果

以苏丹六区油田Sufyan E-3井为例，该井钻井液设计方案如下。二开(600～2980m井段)采用KCl聚合物钻井液体系：3%膨润土浆+0.2%Na2CO3+0.3%低黏聚阴离子纤维素PAC-LV+3%高分子降滤失剂CGS+0.2%乳液包被剂GWAMAS +5%KCl+0.5%抗高温抗盐降滤失剂NFC-1 +3%暂堵剂+重晶石。三开(2980～3600m井段)采用GSY钻井液体系：2%膨润土浆+6%高效防塌抑制剂GSY(粉末)+0.2%乳液包被剂GWAMAS+3%高分子降滤失剂CGS+0.86%低黏聚阴离子纤维素PAC-LV+2%低软化点沥青KH-931 +2%抗高温抗盐降滤失剂NFC-1+0.1%黄原胶XC +0.2%NaOH+重晶石。

GSY防塌环保钻井液体系在苏丹六区油田Sufyan E-3三开井段现场试验中，开泵正常，电测和下套顺利，井径较规则，该钻井液体系满足了安全钻井、录井及测井等各项要求。GSY防塌环保钻井液体系应用效果良好，达到了预期目的。

1)良好的润滑效果 Sufyan E-3井是苏丹六区油田一口区域探井，起下钻、接单根、电测等作业顺利，起钻过程中附加拉力小于7t，在该井段且没有使用其他液体润滑剂。

2)强抑制性 原KCl聚合物体系在该井段每150～200m需要加入处理剂进行钻井液性能的调整，从井深2908～3600m井段使用GSY体系后，该井段没有进行钻井液性能的调整，性能非常稳定。

3)有效解决AG地层井壁失稳 Sufyan E-3井在2908～3600m井段，井径扩大率仅为10%，井径光滑平顺，成本较原KCl聚合物体系相比下降10%，满足了安全钻井、井壁稳定、成本下降等要求，具有明显的口井效益。

4 结论

1) 优选出多功能絮凝包被抑制剂GWAMAS，该包被抑制剂具有良好抑制包被作用。通过优化，形成了GSY体系配方：2%膨润土浆+6%高效防塌抑制剂GSY(粉末)+0.2%乳液包被剂GWAMAS +3%天然高分子降滤失剂CGS+0.86%低黏聚阴离子纤维素PAC-LV+2%低软化点沥青KH-931+2%抗高温抗盐降滤失剂NFC-1+0.1%黄原胶XC+0.2%NaOH+重晶石。

2) GSY防塌环保钻井液有效地解决了苏丹六区油田AG地层井壁稳定问题，在该井段井径扩大率仅为10%，井径光滑平顺，达到了快速、安全、环保钻井目的。

[1]邓金根，张洪生.钻井工程中井壁失稳的力学机理[M].北京：石油工业出版社，1998.

[2]贾利春，陈勉，张伟，等.诱导裂缝性井漏止裂封堵机理分析[J].钻井液与完井液，2013，30(5)：82～85.

[3]丰全会.井壁稳定性研究及其在盐城地区的应用[J].钻采工艺，2000，23(4)：22～26.

[4]肖稳发，向兴金，罗春芝，等.合成基钻井液体系的室内研究[J].钻采工艺，2000，23(3):78～81.

[5]徐同台，赵忠举.21世纪初国外钻井液和完井液技术[M].北京：石油工业出版社，2004.

[6]Jarrett M A. A new polymer/glycol water-based system for stabilizing troublesome water-sensitive shales[J]. SPE29545，2010.

[7]Al-Ammari S M, Phillips J E, Ogunsola A, et a1. Water-free, drilling fluids dramatically improved the producibility of sensitives and stone reservoir [J]. SPE93702，2005.

[8]Davison J M, Jones M. Oil-based muds for reservoir drilling：their performance and clean-up characteristics [J]. SPE72063，2008.

[编辑] 帅群

TE254

A

1673-1409(2017)19-0057-06

2016-11-10

刘相伟(1984-)，男，硕士，工程师，现主要从事钻井液技术服务及管理工作，liuxiangwei2007@163.com。

[引著格式]刘相伟，王丽.GSY防塌环保钻井液体系在苏丹六区油田的研究与应用[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(19):57～62.