临兴区块新型储层保护钻井液技术研究与应用

贾 佳，蒋官澄，冯 雷

1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249

致密砂岩气作为非常规天然气的重要组成部分，在国家非常规气能源结构中的地位和作用日益突出［1］。临兴致密气区块逐步转入“大开发”阶段，因为致密气与常规天然气之间存在差异，所以要求该区块必须走低成本高效开发之路。近年来，随着临兴区块的钻井逐步增多，钻井过程中的储层伤害问题较为突出，影响后期的压裂改造效果。临兴区块地层具有低孔、低渗、低温、低压及非均质性强的敏感特征，给储层保护造成了一定的困难，前期的钻井液体系已经无法满足储层保护的要求，因此有必要开展新型储层保护研究，以形成一套高效的新型储层保护钻井液体系，实现致密气的规模化开发。20世纪70年代，针对聚合物钻井液处理剂少的问题，人们先后研制了丙烯酸盐共聚物系列、聚阴离子纤维素系列、多功能聚合电解质系列钻井液处理剂［2-4］。现场作业表明，以这些处理剂为主导的钻井液体系难以满足安全、高效、经济、环保的钻井要求。因此，人们后续又研发了以阳离子和两性离子聚合物为主要添加剂的聚合物钻井液，但是，随着致密气采收的迅速发展，这种钻井液体系在使用过程中仍存在摩阻高、钻速慢、成本高和储层易污染的问题［5-6］，制约了致密气采收的发展进程。为此，本研究研制刚性和柔性相结合的超双疏剂以及以超双疏剂为主要添加剂的新型储层保护钻井液体系，并在现场应用，以期为新钻井液的开发和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

纳米SiO2、全氟辛基三已氧基硅烷、二甲基二烯丙烯氯化铵（DMDAAC）、液化聚合氯化铝（ETPAC）、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、钠膨润土、无水Na2CO3、NaOH、NaCl、KCl、聚合醇，均为市售分析纯试剂。

ZNN-D6 型六速旋转黏度计、NZ-3A 型黏滞系数测定仪、变频高速搅拌机、中压滤失仪、XGRL-4 型高温滚子加热炉，青岛海通达专用仪器有限公司；Fann21200 型极压润滑仪，美国Fann公司；KMY201-1A 型抗磨试验机，武汉神州机电有限公司。

1.2 实验方法

在温度为20～30 ℃时，将纳米SiO2、全氟辛基三已氧基硅烷、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯反应10～100 min，产生超双疏剂，形成纳米-微米多级粗糙物理结构，经全氟辛基三已氧基硅烷表面改性后，可降低超双疏剂的表面自由能，同时，接触角也会由20°以下增至150°以上，表面润湿性由亲水亲油向超双疏性转变，实现超双疏性能。

1.3 评价方法

参照国家标准GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业中钻井液现场测试（第1 部分：水基钻井液）》、GB/T 29170—2012《石油天然气工业钻井液实验室测试》、SY/T 6335—1997《钻井液用页岩抑制剂评价方法》、SY/T 6094—1994《钻井液用润滑剂评价程序》来测试钻井液各项性能。

2 结果与讨论

2.1 超双疏剂结构

临兴区块储层的孔喉尺寸小，存在大量的“毛细管”，容易因毛细管效应造成水锁伤害，所以，笔者从改变毛细管作用力的角度对钻井液开展研究。热带地区的猪笼草口缘区同时具有疏油疏水的功能［7-10］，其结构如图1 所示。由图1 可知：猪笼草口缘区表面呈大量的乳突形状，这是能够实现疏油疏水的关键。根据这个原理，笔者研制了超双疏剂，它可以使油/水接触角由小于90°反转为大于90°，使储层毛细管吸力反转为毛细管阻力，从而解决低渗储层的损害难题。

图1 猪笼草口缘区微凸结构

2.2 超双疏剂微观形态及特征分析

对超双疏剂进行透射电镜扫描分析，结果见图2。由图2 可知：超双疏剂尺寸均介于50～100 nm，处理剂表面有许多凹凸不平的粗糙结构，同时产物之间存在着互相连接的枝杈。

图2 超双疏剂透射电镜图

考察超双疏剂处理前后的岩心表面，并以扫描电镜分析，结果见图3 和图4。由图3～4 可知：未处理过的岩心表面在纳米-微米尺度是非常光滑的，仅存在少量的层状结构，所以最初的岩心表面表现出亲水亲油的双亲特性。当使用超双疏剂对岩心进行处理后，整体体现出一种微米尺度的物理结构，再加上其本身的纳米结构，形成了纳米-微米结构，从而使表面具有了一定的疏油疏水性质。

图3 超双疏剂处理前的岩心表面

图4 超双疏剂处理后的岩心表面

2.3 超双疏剂对表面接触角的影响

研究不同浓度超双疏剂处理后的岩心表面接触角变化规律，结果如图5 所示。选择的水相测试液为去离子水，油相测试液为正十六烷。由图5 可知：岩心表面未经处理时，水相接触角为34°，油相正十六烷接触角为0°；当岩心被超双疏剂处理后，表面接触角随着超双疏剂质量分数的增加而不断增大，最后保持恒定，水相接触角维持在150°不变，油相接触角大于90°。由此可知，超双疏剂能够改变表面润湿性，使其表面由亲液向疏液转变［11-12］。

图5 超双疏剂处理浓度对岩心表面接触角的影响

2.4 超双疏剂对岩心自然渗吸的影响

测定超双疏剂处理前后岩心对水、油两相的渗吸量，其中水相测试液为去离子水，油相测试液为正十六烷，结果见图6～7。

图6 岩心自然渗吸去离子水的量

图7 岩心自然渗吸正十六烷的量

由图6～7可知：超双疏剂处理前，岩心对去离子水以及正十六烷的自然渗吸量分别达到8.38和4.9 mL；超双疏剂处理后，自然渗吸量分别只有0.025 和0.002 mL，证明岩心内部孔喉表面润湿性由亲水亲油向疏水疏油转变，有效降低了低渗储层发生自吸水锁效应等储层损害的概率。

2.5 超双疏剂对毛细管作用力的影响

由于低渗储层中存在许多微毛细管，易发生水锁效应，从而对储层造成严重伤害［13］，因此考察超双疏剂对毛细管液面高度的影响，结果见图8。

图8 超双疏剂对毛细管液面高度的影响

由图8 可知：当使用质量分数为0.1%的超双疏剂对储层进行处理后，毛细管作用力已经明显减小且方向发生改变，与储层中毛细管作用力方向相比，力的方向发生了反转，使原本堵塞微毛细管孔喉的力转变成促进微毛细管中液相流出的推力。由此证明，超双疏剂可通过改善微毛细管表面的润湿性能，解决储层微毛细管中存在的水堵效应，从而达到保护储层的目的。

2.6 超双疏剂对抑制性的影响

将合成的超双疏剂进行抑制性能评价，线性膨胀结果见图9。

由图9 可知：不同浓度的超双疏剂都能够有效抑制膨润土线性膨胀，同时3%超双疏剂比传统使用的抑制剂KCl、聚醚胺等具有更好的抑制性能。

图9 超双疏剂质量分数及不同种类抑制剂对膨润土线性膨胀高度的影响

将合成的超双疏剂进行抑制性能评价，滚动回收实验结果见图10。

由图10 可知：不同浓度的超双疏剂都能够有效提高页岩滚动回收率，同时3%超双疏剂比传统使用的抑制剂KCl、聚醚胺等具有更高的滚动回收率。

图10 超双疏剂质量分数及不同抑制剂对滚动回收率的影响

2.7 钻井液配方

基于以上研究建立了临兴区块新型储层保护钻井液体系基本配方：1%膨润土浆+0.2%烧碱+2%木质素共聚物+1%超分子降失水剂+1%PAC-LV+0.2%超分子包被剂+1.5%超双疏剂+0.3%弱凝胶+8%KCl，对其进行室内评价试验，结果见表1。

表1 新型储层保护钻井液老化前后性能试验

由表1 可知：钻井液黏度低，切力高，老化前后性能几乎没有变化，性能稳定。

3 现场应用

超双疏剂的现场应用结果见图11～12。由图11～12 可知：添加超双疏剂后的钻井液具有极强的抑制性，能够控制泥岩水化膨胀分散，抑制性达到高效能钻井液水平；在钻进过程中，能够有效控制进入钻井液中的细小颗粒，使其表面疏水疏油，从而使细小颗粒可以被离心机等下一级固控设备清除。

图11 平均机械钻速对比

图12 平均井径扩大率对比

此外，在解决井壁失稳的同时通过表面双疏改性，提高了钻井液的润滑性能，有效地降低了井眼扩大率，提升机械钻速。现场结果表明，相对于普通钻井液体系，机械钻速提高32.33%，井径扩大率降低33.89%。

日产量即为某一油田或气田单日内所开采出的石油或天然气总量，其可以有效验证储层保护效果。图13 为应用新型储层保护钻井液体系后井产量统计情况。由图13 可知：应用新型储层保护钻井液体系，施工井的产量最高可达74 593 m³/d，平均日产气量35 973.5 m³/d，表明储层保护效果良好。

图13 应用新型储层保护钻井液体系后各井产量统计

4 结论

1）超双疏剂尺寸为50～100 nm，表面存在凹凸不平的粗糙结构，使油/水接触角由小于90°反转为大于90°，可以达到疏水疏油的效果。

2）质量分数为3%的超双疏剂比传统使用的抑制剂KCl、聚醚胺等具有更好的抑制性能。

3）形成了适合临兴区块的新型储层保护配方：1%膨润土浆+0.2%烧碱+2%木质素共聚物+1%超分子降失水剂+1%PAC-LV+0.2%超分子包被剂+1.5%超双疏剂+0.3%弱凝胶+8%KCl。

4）现场应用表明，新型储层保护钻井液具有极强的抑制性，能够控制泥岩水化膨胀分散，可以提速32.33%，降低井眼扩大率33.89%，作业井日产量平均在35 973.5 m³/d，表明储层保护效果良好。