DN氣田水平井造斜段鉆井液體系優(yōu)化

黃友亮，劉　興，薛　飛（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢40100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢40100；.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州400056）

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DN氣田水平井造斜段鉆井液體系優(yōu)化

黃友亮1，2，劉興1，2，薛飛3
（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430100；3.中石化華北石油工程有限公司西部分公司，河南鄭州400056）

摘要：近些年，水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。DN氣田開(kāi)發(fā)區(qū)水平井造斜段位于目的層上部，其巖性主要為泥巖，極易水化膨脹，分散，造成地層掉塊、坍塌等井下復(fù)雜事故。本文主要在室內(nèi)展開(kāi)了不同濃度KCl，KPAM、CHM對(duì)鈉蒙脫石礦的膨脹率實(shí)驗(yàn)，并將幾種優(yōu)選出來(lái)的抑制性進(jìn)一步的就行了對(duì)比選出了8%KCl為最佳抑制劑。改進(jìn)后的鉆井液體系在該區(qū)塊的應(yīng)用情況表明，該鉆井液體系能很好的抑制泥頁(yè)巖的膨脹，值得進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水平井；鉆井液；KCl；KPAM；CHM；泥巖

DN氣田開(kāi)發(fā)區(qū)，面積3745.57km，該地區(qū)主要含氣目的層為上古生界和下古生界，儲(chǔ)層具有低壓、低孔、低滲、自產(chǎn)能力低等特點(diǎn)，因水平井具有生產(chǎn)條件優(yōu)越、效益產(chǎn)生顯著、油層較長(zhǎng)、泄油面積較大等優(yōu)勢(shì)［1］，特別是對(duì)于低壓、低孔、低滲儲(chǔ)層，水平井在提高單井產(chǎn)量，延長(zhǎng)開(kāi)采時(shí)間，提高采收率等方面優(yōu)越性更為顯著。

該區(qū)塊水平井的造斜段主要在目的層上部，即石千峰組、石盒子組和山西組。石千峰組的棕褐、灰綠、棕紅色泥巖和石盒子組的棕褐色泥巖極易引起水化膨脹、分散，使地層易剝落、坍塌、掉塊。針對(duì)這一現(xiàn)狀，必須提高該區(qū)塊鉆井液體系對(duì)泥頁(yè)巖地層的抑制性。即提高鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖地層的抑制性，防止地層坍塌是實(shí)現(xiàn)該區(qū)塊安全高效鉆井的前提。

1　室內(nèi)鉆井液體系實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)樣品選取

引起泥頁(yè)巖地層失穩(wěn)的粘土礦物主要是蒙脫石和伊利石［2］。選擇標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)用新疆鈉蒙脫土進(jìn)行線(xiàn)性膨脹率實(shí)驗(yàn)，這是因?yàn)樾陆畬?shí)驗(yàn)用鈉蒙脫土屬于鈉蒙脫石原生礦，是水化膨脹能力最強(qiáng)、也最具代表性的蒙脫石礦物［3］。

DN氣田造斜段的地層特征，決定著該地區(qū)鉆井施工的主要技術(shù)難點(diǎn)是泥巖地層的水化膨脹、分散。通過(guò)對(duì)該地區(qū)近年來(lái)所鉆井的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊在造斜段采用的鉆井液體系主要為天然高分子聚合物鉆井液體系和鉀銨基聚合物鉆井液體系。前者配方為：4%鈉土+0.3%～0.5%IND30+0.5%～1% NAT20+0.5%～1%NFA25+1%～2%PGCS1）；后者配方6%～7%鈉土+0.3%～0.5%K-PAM+0.1%～0.3%NaOH +0.2%～0.3%K-PAN+0.5%～1%NH4-PAN+1.5%～2%防塌劑+1%～2%SMP+1%～2%SPNH+2%～3%超細(xì)碳酸鈣。

常用的頁(yè)巖抑制劑主要有聚合物類(lèi)［4］、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、瀝青類(lèi)和腐植酸類(lèi)［4］。但使用最多，與其它處理劑匹配較好的主要是K+。這是因?yàn)镵+與蒙脫石間層的鑲嵌作用，對(duì)蒙脫石具有良好的抑制作用，其次這類(lèi)處理劑如KCl，價(jià)格較便宜。含有K+的聚丙烯酸鉀，它既具有大分子的包被作用，又具有抑制作用，綜合效益好，在鉆井液處理劑中被廣泛使用。CHM陽(yáng)離子聚丙烯酰胺鈉蒙脫石成分里陰離子的微粒發(fā)生中和作用，絮凝作用很好。筆者將對(duì)這些泥頁(yè)巖抑制劑進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行不同濃度的抑制劑對(duì)樣品的膨脹率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，然后優(yōu)選出合適的濃度進(jìn)行抑制劑的選擇，最終優(yōu)選出最適合該地層的泥頁(yè)巖抑制劑類(lèi)型及添加濃度。

2　不同泥頁(yè)巖抑制劑抑制效果評(píng)價(jià)

2.1不同濃度KCl對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)鈉基膨潤(rùn)土的抑制效果實(shí)驗(yàn)

KCl是使用最廣泛的泥頁(yè)巖抑制劑，在鉆遇泥頁(yè)巖地層，井下出現(xiàn)復(fù)雜時(shí)，KCl是最先想到的一種泥頁(yè)巖抑制劑。通過(guò)室內(nèi)展開(kāi)不同濃度KCl對(duì)鈉膨潤(rùn)土的膨脹率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖1。

圖1　不同濃度KCl對(duì)樣品的膨脹率對(duì)比Fig.1 Comparison of the sample on different concentrations of KCl on the inflation rate

由圖1可知，KCl對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)鈉土的抑制效果與其加量是成正相關(guān)的。當(dāng)所加KCl為3%時(shí)，膨脹率隨著時(shí)間呈現(xiàn)出有一直上升的趨勢(shì)。當(dāng)KCl加量為5%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的增加，膨脹率上升52.3%時(shí)，趨于穩(wěn)定，再隨著浸泡時(shí)間的增加，膨脹率也變化不大。當(dāng)KCl加量達(dá)到8%時(shí)，當(dāng)膨脹率達(dá)到10%以后膨脹率逐漸上升，達(dá)到12.5%后，隨著浸泡時(shí)間的增加，膨脹率上升極緩慢，逐步趨于平衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：KCl對(duì)鈉基膨潤(rùn)土具有良好的抑制作用，這是由于K+與蒙脫土的層間距吻合，恰好起到良好的鑲嵌作用。

2.2不同濃度KPAM（聚丙烯酸鉀）對(duì)鈉膨潤(rùn)土的線(xiàn)性膨脹率實(shí)驗(yàn)

KPAM（聚丙烯酸鉀）對(duì)于鉀銨基鉆井液體系以及鉀銨基聚磺鉆井液體系是必不可少的處理劑，它具有增粘、包被、抑制作用，通過(guò)該處理劑單劑在不同濃度下對(duì)鈉基膨潤(rùn)土的膨脹率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，有助于提高抑制性配方中對(duì)該劑加量的確定。

圖2　不同濃度KPAM對(duì)樣品的膨脹率對(duì)比Fig.2 Comparison of the sample on different concentrations of KPAM on the inflation rate

由圖2可知，隨著KPAM含量的增加，對(duì)鈉膨潤(rùn)土的線(xiàn)性膨脹率呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，說(shuō)明其量越大，抑制性越差。這是由于KPAM（聚丙烯酸鉀）是高分子聚合物，濃度越高時(shí)，粘度越大，更多高分子鏈吸附在粘土表面，使K+不易進(jìn)入到粘土間層的內(nèi)部而起鑲嵌作用，抑制水化膨脹。因而對(duì)高分子聚合物的加量應(yīng)適當(dāng)，在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況提高加量。

2.3不同濃度CHM對(duì)鈉基蒙脫土的線(xiàn)性膨脹率實(shí)驗(yàn)

由于DN氣田所用鉆井液體系中的天然高分子聚合物鉆井液與非離子型鉆井液體系具有相似的特性，筆者通過(guò)展開(kāi)對(duì)CHM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）對(duì)那蒙脫石礦的線(xiàn)性膨脹率實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)，為提高天然高分子聚合物的抑制性打下良好的基礎(chǔ)。通過(guò)室內(nèi)展開(kāi)不同濃度CHM對(duì)鈉蒙脫石的膨脹率實(shí)驗(yàn)繪制出圖3。

圖3　不同濃度CHM對(duì)樣品的膨脹率對(duì)比Fig.3 Comparison of the sample on different concentrations of KCl on the inflation rate

由圖3可知，CHM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）對(duì)鈉蒙脫石礦的膨脹率與濃度的關(guān)系不是線(xiàn)性的。當(dāng)CHM的濃度為0.3%時(shí)對(duì)鈉蒙脫石礦的抑制效果最佳。這是由于CHM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）是高分子聚合物，與鈉蒙脫石成分里陰離子的微粒發(fā)生中和作用才會(huì)發(fā)揮絮凝作用，當(dāng)濃度超過(guò)一定值時(shí)，過(guò)大的陽(yáng)離子濃度反而會(huì)抑制絮凝作用的進(jìn)行，從而不能抑制鈉蒙脫石礦的膨脹。

3　泥頁(yè)巖抑制劑優(yōu)選

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)每種抑制劑濃度優(yōu)選后，筆者分別用以上幾種泥頁(yè)巖抑制劑作為添加劑進(jìn)行不同泥頁(yè)巖抑制劑對(duì)鈉蒙脫石礦線(xiàn)性膨脹率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　不同泥頁(yè)巖抑制劑對(duì)樣品的膨脹率對(duì)比Fig.4 Comparison of the expansion rate of the samples with different shale inhibitor

從圖4可以看出，就從對(duì)蒙脫石的線(xiàn)性膨脹率方面來(lái)看，4種抑制劑對(duì)其抑制效果排序?yàn)?% KCl＞0.2%KPAM＞1%KPAN＞0.3%CHM，說(shuō)明8% KCl對(duì)蒙脫石的晶層間具有良好的鑲嵌效果最佳。將8%KCl加入之前的鉀銨基鉆井液與天然高分子鉆井液中得到改進(jìn)后的鉆井液，進(jìn)行鉆井液基本性能測(cè)試后，將改進(jìn)前后的鉆井液體系對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行滾動(dòng)回收率的對(duì)比如圖，從圖中可以看出改進(jìn)后的鉆井液體系滾動(dòng)回收率有大幅度的增加，說(shuō)明改進(jìn)后的鉆井液體系對(duì)DN氣田泥頁(yè)巖的抑制性很好，值得進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。

圖5　鉆井液體系滾動(dòng)回收率對(duì)比Fig.5 Comparison of the rolling recovery rate of drilling fluid system

4　應(yīng)用情況

DN區(qū)塊石千峰組的棕褐、灰綠、棕紅色泥巖和石盒子組的棕褐色泥巖極易引起水化膨脹、分散，使地層易剝落、坍塌、掉塊。通過(guò)室內(nèi)研究?jī)?yōu)選出來(lái)的鉆井液體系如下：天然高分子聚合物鉆井液體系4%鈉土+0.3%～0.5%IND30+0.5%～1%NAT20+0.5% ～1%NFA25+1～2%PGCS1+8%KCl；鉀銨基聚合物鉆井液配方6%～7%鈉土+8%KCl+0.1%～0.3% NaOH+0.2%～0.3%K-PAN+0.5%～1%NH4-PAN+ 1.5%～2%防塌劑+1%～2%SMP+1%～2%SPNH +2%～3%超細(xì)CaCO3。使用改進(jìn)后的鉆井液體系各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1,其粘度、泥餅質(zhì)量、失水量等指標(biāo)都控制得很好，井徑擴(kuò)大率得到了很好的改善，說(shuō)明改進(jìn)后的鉆井液體系能很好的抑制該區(qū)塊水平段泥頁(yè)巖的膨脹。

表1　鉆井液體系性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of performance indexes of drilling fluid system

5　結(jié)論與建議

筆者通過(guò)大量的室內(nèi)研究以及現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用情況得到了以下結(jié)論：

（1）KCl對(duì)鈉基膨潤(rùn)土具有良好的抑制作用，且隨濃度的增加其抑制作用更好。本次不同濃度KCl對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)鈉基膨潤(rùn)土的抑制效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，8%KCl對(duì)樣品的抑制性最佳。

（2）隨著KPAM（聚丙烯酸鉀）加量的增加，對(duì)鈉基膨潤(rùn)土的膨脹率上升，即抑制性下降。在現(xiàn)場(chǎng)選擇時(shí)候應(yīng)該根據(jù)地層選擇合適的濃度。

（3）CHM（陽(yáng)離子聚丙烯酰胺）對(duì)鈉蒙脫石礦的膨脹率與濃度的關(guān)系不是線(xiàn)性的。當(dāng)濃度超過(guò)一定值時(shí)，過(guò)大的陽(yáng)離子濃度反而會(huì)抑制絮凝作用的進(jìn)行。

（4）通過(guò)室內(nèi)對(duì)優(yōu)選出來(lái)的合適濃度的幾種抑制劑對(duì)蒙脫石的抑制效果表明8%KCl對(duì)蒙脫石的晶層間具有良好的鑲嵌效果最佳。

（5）本實(shí)驗(yàn)只是針對(duì)某一種抑制性的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，建議下一步開(kāi)展幾種抑制劑共同作用的研究，這有利于我們優(yōu)選出更好的泥頁(yè)巖抑制劑。

參考文獻(xiàn)

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導(dǎo)師簡(jiǎn)介：樓一珊（1965-），博士生導(dǎo)師，教授，從事巖石力學(xué)相關(guān)研究。

Horizontal well drilling fluid system optimization of DN field deflecting section

HUANG You-liang1,2，LIU Xing1,2，XUE Fei3
（1. College of Petroleum Engineering in Yangtze University, Wuhan 430100，China；2.The Key Laboratory of Oil and Gas Drilling Engineering in Hubei Province,Wuhan 430100，China；3.Sinopec, the West Branch of North China Petroleum Engineering Co., Zhengzhou 400056，China）

Abstract：In recent years, horizontal well development techniques has been widely used. DN gas field development zone deflecting section of horizontal well is located in the upper layer, Its lithology is mainly mudstone, which is hydration expansion, easily dispersed, formation impellers and collapse caused underground complicated accidents.In this paper, different concentration of KCl, KPAM, CHM to sodium montmorillonite quarry were studid the expansion rate experiment. Several optimization of inhibitory further line compared to select 8%KCl as the best inhibitor.The improved drilling fluid in the on-site application show that the drilling fluid system can restrain the expansion of the mud shale well, worthy of further popularization and application.

Key words：horizontal well；drilling fluid；KCl；KPAM；CHM；mudstone

中圖分類(lèi)號(hào)：TE254

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160416

收稿日期：2015-12-30

作者簡(jiǎn)介：黃友亮（1991-），男，在讀碩士研究生，研究方向：巖石力學(xué)。