PVA1788成膜体系无固相冲洗液在桂柳地1井的应用

苏力才，蒙学礼*，李永卫，王嘉瑶，李明星，付 帆

（1.广西第一地质工程公司，广西 南宁 530031；2.北京探矿工程研究所，北京 100083）

0 引言

广西柳州市鱼峰区雒容镇区块页岩气地层受地质构造的影响，部分地层严重破碎，胶结性差，具有水敏不稳定性。位于该区域的桂柳地1井设计井深2350 m，根据邻井钻遇地层资料，破碎的泥岩层量多、厚度大，伊利石、高岭石和绿泥石等粘土矿物总含量高，水化膨胀性较强。在破碎、水敏不稳定地层深孔钻进，要求冲洗液维持孔壁稳定的能力更强，需要冲洗液能有效封堵裂隙，强化孔壁作用；更低的滤失量，减弱水化作用；更强的成膜抑制效果，能够在孔壁较快速成膜隔水［1-4］。PVA1788体系无固相冲洗液具有粘度低及较高的润滑性能，具有一定的充填裂隙、吸附成膜抑制防塌能力，在固体矿产地质勘查钻探中取得很好的应用效果，因此，在此基础上添加成膜A剂为主的处理剂进行试验研究，应用于桂柳地1井深孔复杂地层。

1 地层简述

1.1 钻遇地层岩性

桂柳地1井位于柳州市鱼峰区雒容镇东塘村东南 约1.2 km处，采 用HXY-8B型 钻 机，JS122、CHD98绳索取心防斜钻具钻进，终孔孔深2004.80 m。钻遇地层如下：

（1）0～67.15 m为罗城组（C1l）地层。其中0～14.90 m为残坡积层；14.90～67.15 m为基岩，灰色石英砂岩夹深灰色泥岩、含生物钙质泥岩。

（2）67.15～1319.83 m为鹿寨组三段（C1lz3）地层。灰黑色泥岩、含粉砂质泥岩夹深灰色石英砂岩，局部为灰色含生物屑灰岩。

（3）1319.83～1943.50 m为 鹿 寨 组 二、一 段（C1lz2、C1lz1）。上部为灰黑色泥晶灰岩、砾块灰岩、生物屑灰岩，局部夹灰黑色钙质泥岩；中部为灰黑色泥岩与深灰色薄－中层状砂岩互层；下部为灰黑色泥晶灰岩夹黑色薄－中层硅质岩、硅质灰岩、薄层碳质泥岩、硅质泥岩，局部为生物屑灰岩。

（4）1943.50～2004.80 m为五指山组（D3w）。扁豆状、疙瘩状、条带状灰岩，微晶灰岩。

钻遇部分地层极破碎，如孔深551.05～556.85 m鹿寨组三段（C1lz3）的黑色泥岩（见图1）。

图1 桂柳地1井取出的破碎地层岩心Fig.1 Cores taken from broken formation in Well Guiliudi-1

1.2 邻井不稳定泥岩成分分析

桂柳地1井与东塘1井直线距离约1.5 km，委托北京探矿工程研究所对相邻的东塘1井鹿寨组三段（C1lz3）破碎不稳定泥岩成分分析，结果见表1。

表1 不稳定泥岩成分分析Table 1 Component analysis of unstable mudstone

伊利石、高岭石和绿泥石总含量≥65%，其中，伊利石总含量10%～15%，粘土矿物含量高，水化膨胀性较强［5］。部分泥岩极破碎，冲洗液滤液很容易渗入地层，使孔壁的机械强度进一步降低；粘土矿物以伊利石、高岭石和绿泥石为主的泥岩，吸水分散，易造浆［6］。

2 PVA1788成膜体系无固相冲洗液试验

2.1 PVA1788成膜体系无固相冲洗液室内试验

在PVA1788体系无固相冲洗液的基础上，委托北京探矿工程研究所，选择、添加成膜抑制防塌类处理剂进行室内对比试验。PVA1788体系无固相冲洗液加入5%成膜A剂、0.5%增粘剂GTQ后，提高了冲洗液与蒸馏水相比的相对膨胀降低率，降低了API滤失量；成膜A剂基本不影响冲洗液的润滑性能。岩样浸泡试验成果表明，加入成膜A剂后，冲洗液的成膜抑制防塌能力更强。结果见表2及图2。

图2 不同配比冲洗液岩样浸泡对比Fig.2 Comparison of immersion of rock samples in different drilling fluid systems

表2 不同配比的PVA1788体系无固相冲洗液室内试验结果Table 2 Laboratory test results of different PVA1788 system solid-free drilling fluid

2.2 PVA1788成膜体系无固相冲洗液现场试验

2.2.1 不同的PVA1788无固相冲洗液对比试验

采用川维120目聚乙烯醇PVA1788、广谱护壁剂GSP、成膜A剂及分子量1000万～1200万、水解度30%～35%的水解聚丙烯酰胺PHP，不同配比的PVA1788体系无固相冲洗液进行对比试验。成膜A剂对冲洗液塑性粘度影响不明显。PHP提粘作用较强，在PVA1788及GSP加量相同时，加入PHP浓度为0.05%～0.08%的冲洗液比加入4%～6%成膜A剂的冲洗液塑性粘度高约3～4 mPa·s。现场使用时应采用加入0.01%～0.03%的PHP包被、絮凝钻屑，控制PHP的用量，必要时，可选择分子量较低的PHP或其他处理剂作包被、絮凝剂。结果见表3。

表3 不同配比的PVA1788体系无固相冲洗液现场对比试验结果Table 3 Comparative test results in field of different PVA1788 system solid-free drilling fluid

2.2.2 在造浆性地层中抗污染对比试验

钻遇伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物含量高的泥岩时，具有一定的造浆性能，使冲洗液粘度升高，密度增大。为了评价造浆性地层对PVA1788体系无固相冲洗液的影响，采用在南宁市采购的PVA1788（川维120目）进行冲洗液对比试验。加入4%人工钠土浆液后，PHP加量0.02%，PVA1788、GSP加量在0.5%～1.0%时，冲洗液塑性粘度在4～5.5 mPa·s之间，升高2～2.5 mPa·s，冲洗液性能维持在较稳定的水平；PHP加量0.03%，PVA1788、GSP加量均为1.5%时，冲洗液塑性粘度高达12.5 mPa·s。根据罗维矿区PVA1788体系无固相冲洗液室内试 验 结 果，PHP、PVA1788加 量 相 同，GSP加 量0.5%～1.5%时，冲洗液的视粘度、塑性粘度变化不明显，因此，冲洗液粘度增高的主要原因是PVA1788加量过大。结果见表4。

表4 粘土对PVA1788体系无固相冲洗液影响对比试验结果Table 4 Comparative test results of influence of clay on PVA1788 system solid-free drilling fluid

2.2.3 不同产地的PVA1788对比试验

采用不同采购渠道的PVA1788配制冲洗液，粘度差别较大。根据多次试验，在南宁市采购的川维120目PVA1788，4%水溶液塑性粘度均为13 mPa·s左右。在桂柳地1井应用PVA1788成膜体系无固相冲洗液过程中，发现在北京采购的PVA1788配制浆液粘度偏高，为此进行了不同采购地点的PVA1788冲洗液对比试验，当PVA1788、GSP加量均为0.75%时，北京采购的PVA1788配制冲洗液塑性粘度高达6.5 mPa·s，与南宁采购的PVA1788相比，塑性粘度增高了3.5 mPa·s。结果见表5。

表5 不同产地的PVA1788无固相冲洗液对比试验结果Table 5 Comparative test results of PVA1788 solid-free drilling fluid from different producing origins

3 冲洗液处理剂机理及作用

聚乙烯醇PVA1788：聚合度为1700，醇解度88%，为部分醇解型，保留了部分醋酸基的憎水基，具有表面活性剂性质，其水溶液具有润滑作用；PVA1788的-OH吸附基类似多元醇的化学性质［7］。PVA1788具有包裹吸附作用和成膜抑制性，分子链上含有大量的-OH侧基吸附基团与孔壁上的泥岩、粘土等强吸附，增大整个分子空间位阻，使分子主链刚性增强；分子链上的醋酸基憎水基团形成一道憎水屏障，防止水和溶质扩散，增强了成膜的理想性［8］。泥岩或粘土吸附表面活性剂后，原来的亲水表面可转化为憎水表面，从而使泥岩或粘土憎水［9］。PVA1788的非离子型-OH极性基团与水在粘土表面发生竞争吸附，优先在粘土表面取代部分水分子，形成一个憎水的膜，破坏和阻止了粘土表面导致泥页岩膨胀分散的结构水层的形成，从而起到抑制作用［10-13］。降失水作用以-OH吸附基为主，PVA1788加量为0.5%～1%时，浆液粘度变化不明显；加量为1.5%、粘土侵入时，浆液粘度较高。

广谱护壁剂GSP：充填裂隙及聚合淀粉长链、网状吸附孔壁，具有抑制、防塌、降失水、润滑等一剂多能的特点［14］。GSP中的植物油脚与具有表面活性的PVA1788联合作用，增强冲洗液的润滑性能。GSP加量0.5%～1.5%时，冲洗液粘度变化不明显。

成膜A剂：成膜隔水、降失水及封堵作用［15］。不影响冲洗液的润滑性能，对粘度影响不明显。

封堵剂GFD-1：裂隙、破碎带封堵作用。

水解聚丙烯酰胺PHP：絮凝作用。

氢氧化钾KOH：调节pH值，利于成膜A剂的溶解。

防塌减阻剂GFT：低温软化变形，粘附性较强，封堵微裂隙，润滑减阻，不增粘［16］。

4 PVA1788成膜体系无固相冲洗液现场应用

4.1 冲洗液配比及性能维护要求

冲洗液配比：1 m3清水+0.5～0.8 kg PHP+7～15 kg PVA1788+7～20 kg GSP+25～50 kg成膜A剂+0～20 kg GFD-1+0～2 kg KOH。

配制新浆及冲洗液性能要求：相对密度1.02～1.04，塑性粘度5～10 mPa·s，API滤失量5～8 mL，pH值8～11。

现场冲洗液配制及性能调节维护：

（1）配制新浆时，基本按冲洗液配比的中值加入处理剂，冲洗液配比：400 L清水+0.26 kg PHP+4.5 kg PVA1788+4.5 kg GSP+15 kg成 膜A剂+4 kg GFD-1+1 kg KOH。

（2）地层相对完整时，置换旧浆，每盘新浆加量：400 L清 水+0.12kg PHP+4 kg PVA1788+4 kg GSP+20 kg成膜A剂+4kg GFD-1。

（3）钻遇破碎地层时，置换旧浆，每盘新浆加量：400 L清水+0.08 kg PHP+5 kg PVA1788+5 kg GSP+20 kg成膜A剂+6 kg GFD-1。

（4）控制API滤失量5～8 mL，每盘调节400 L旧浆加量情况：采用在北京市采购的PVA1788时，先按12.5 kgPVA1788、20.5 kg GSP、25 g成膜A剂的比例配制混合粉，然后，根据旧浆的性能添加混合粉，使400 L旧浆搅拌后的API滤失量在5～8 mL之间。采用在南宁市采购的PVA1788时，混合粉则按20 kg PVA1788、25 kg GSP、25 g成 膜A剂、17 kg GFD-1的比例配制。

（5）钻遇特别破碎、不稳定地层时，酌情加入防塌减阻剂GFT，每搅拌400 L旧浆加入4 kg防塌减阻剂GFT。

4.2 现场冲洗液性能测试统计结果

桂柳地1井孔深0～924.05 m采用在北京市采购的PVA1788配制及维护冲洗液，取孔内返浆测试冲洗液性能，性能参数离散较大，塑性粘度较高。孔深924.05～2004.80 m采用在南宁市采购的PVA1788不再加入KOH提高pH值，性能参数离散较小，API滤失量在5～8 mL范围内，冲洗液相对密度高与排浆受限、长时间积累有关，见表6。

表6 冲洗液现场测试统计结果Table 6 Results of drilling fluid field test

4.3 PVA1788成膜体系无固相冲洗液应用效果

桂柳地1井采用PVA1788成膜体系冲洗液，实现维持孔壁稳定、安全钻进，全孔没有采用水泥护壁堵漏。835.18～868.10 m孔段岩性为破碎—极破碎灰黑色泥岩，局部岩层面扭曲，产状近直立，容易发生孔壁掉块（见图3），裸眼维持孔壁稳定不发生坍塌的时间＞99 d。

图3 不稳定地层岩心Fig.3 Cores from unstable formation

4.4 存在的问题

（1）在破碎水敏不稳定地层深孔钻进，需要根据冲洗液维持孔壁稳定的能力，采用多级套管护壁。由于没有配套S口径绳索取心钻具，采用前导向扩孔钻具扩孔，工作量大，效率低。因扩孔时钻屑沉积于孔底，835.18～868.10 m孔段未能扩孔到位及时下入套管隔离，出现孔壁掉块。

（2）前期冲洗液pH值较高，对抑制泥岩水化膨胀与分散不利。

（3）采用TGLW350-692型离心机分离钻屑，离心机转鼓转速为1500 r/min，离心前后的冲洗液相对密度降幅多在0.01～0.02之间，固控效果不理想，冲洗液密度持续增大。应采用最大转速为2500 r/min的TGLW350型变频型离心机，提高固相分离效果。

（4）孔深1641.90～1646.20 m的灰黑色泥岩地层相对完整，与其他孔段的泥岩不同，层间缝内石膏半充填，泥岩层间的石膏具有较强的渗透性，容易诱发泥岩内部水化膨胀缩径。泥岩遇水膨胀产生钻孔缩径现象，通常在下大钻时才发现，而在钻进过程中，缩径孔段一般逐渐转变为超径孔段，钻遇缩径孔段时，采用加强扫孔处理，快速往下钻进。

5 结语

（1）PVA1788体系无固相冲洗液加入成膜A剂为主的处理剂后，基本不影响冲洗液的润滑性能，提高了冲洗液与蒸馏水相比的相对膨胀降低率，降低了API滤失量。岩样浸泡试验成果表明，加入成膜A剂后，冲洗液的成膜抑制防塌能力更强。在桂柳地1井破碎、水敏复杂地层中应用表明，API滤失量控制在5～8 mL之间，裸眼维持孔壁稳定不发生坍塌时间＞99 d。

（2）根据广西来宾市蒙村页岩气区块桂来地1井应用分析，塑性粘度≤7 mPa·s时，冲洗液的密度变化不明显，固相含量维持在较低的水平。在水敏复杂地层钻进，PVA1788加量＞1%，冲洗液塑性粘度过高，钻屑在地表沉降分离效果差，导致密度持续增大。建议采用聚合度相同、醇解度为66%～80%的PVA，或采用聚合度稍低、醇解度为88%左右的PVA，降低冲洗液的塑性粘度。

（3）钻遇破碎或渗透性较强的水敏不稳定泥岩，冲洗液的封堵、成膜隔水作用相对滞后，避免不了冲洗液渗入地层。后续应开展吸附成膜速度快的硅酸盐、氯化钾等处理剂的研究，以提高冲洗液矿化度，降低冲洗液活度（或化学位），减小或阻止冲洗液中的自由水向地层渗透，减缓泥岩水化膨胀与分散。