高性能聚合醇钻井液体系在水平钻井中应用研究

迟建功

（大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江大庆163000）

随着钻井技术不断发展，水平井钻井技术取得了长足进步，在非常规油气藏开发过程中，水平井钻井技术应用较为频繁，有效提升了油气产量和采收率，水平井钻井工艺复杂，钻井过程中摩阻扭矩较大，润滑防卡要求高，同时水平段地层长期浸泡在钻井液中容易发生垮塌，要求钻井液具有较好抑制性能。聚合醇钻井液防泥包、润滑防卡效果好，且具有较强的抑制泥页岩水化膨胀能力，在水平井钻井中应用越来越广泛[1]，加强对高性能聚合醇钻井液在水平井钻井中应用研究具有重要意义。

1 聚合醇钻井液作用机理及特点

1.1 聚合醇钻井液的作用机理

1.1.1 浊点效应

聚合醇是一种非离子表面活性剂，其水溶液加热时会出现浑浊，降温时可由浑浊状态变为透明液体，透明和浑浊变化的临界温度即为浊点。聚合醇之所以会出现浊点效应，与其特殊的分子结构有关，聚合醇主要由聚乙二醇、聚丙二醇、聚丙三醇、聚乙烯乙二醇等组成，其聚合醇钻井液浊点受到溶液中矿化度、聚合醇分子量和浓度等影响[2]。在钻井液中，聚合醇的作用主要表现在：①在浅井段钻井液温度低于浊点温度，聚合醇溶于钻井液，利用其表面活性，吸附在钻具及固体颗粒表面，形成憎水膜，能够有效阻止钻井液中水分进入泥页岩地层，还能够减少泥饼孔隙，降低泥饼渗透率，使得泥饼滤失量降低，从而防止井壁坍塌。此外，憎水膜还能改善润滑性，降低钻具摩擦阻力，降低扭矩，同时还能减少钻头出现泥包现象；②在深井段，由于钻井温度不断升高，当温度高于浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出来发生相分离，形成乳状浑浊液，能够有效封堵地层孔隙，聚合醇分子吸附在井壁和钻具上，形成隔离膜，能够有效抑制钻井液中滤液进入泥页岩地层，防止地层发生水化膨胀。同时钻井液的润滑性大大增强，从而降低了钻具与井壁的摩擦阻力，防止发生卡钻及钻头泥包等情况出现。此外，当钻井液返出地面时，温度降低，聚合醇又溶于钻井液，避免被振动筛筛除，从而可以反复利用[3]。

1.1.2 聚合醇吸附机制

聚合醇在粘土表面具有较强的吸附性能，无论在纯水还是KCl溶液中，吸附效果均较好，吸附量在浊点温度以下随温度升高而降低，浊点温度以上迅速增加，高于30℃时无明显增加；聚合醇钻井液在浊点温度以下吸附量随浓度增大而增大，浊点温度以上，吸附量与分子浓度呈线性增长关系。聚合醇分子主链多为碳原子，侧链为羧基，能够与粘土颗粒形成氢键，从而抢占粘土矿物表面吸附位置，阻止水分子与粘土反应，达到保护地层效果。

1.2 聚合醇钻井液作用特点

1.2.1 聚合醇钻井液具有较强抑制性

研究表明，通过对一般水基钻井液、油基钻井液及多元醇类水基钻井液进行抑制性试验，利用页岩回收率、岩屑浸泡强度和高温高压动滤失等指标来对比不同钻井液的抑制性能，结果表明，聚合醇类水基钻井液与油基钻井液页岩回收率接近，岩屑强度随浸泡时间延长增强，温度升高动滤失变化不明显，多项指标表明聚合醇钻井液抑制性较强[4]。影响聚合醇抑制性的因素主要有：①无机盐的影响。试验表明无机盐对多元醇抑制作用的影响顺序为 KCl＞CaCl2＞NaCl＞H2O，KCl影响较明显是因为K+与聚乙二醇能够相互作用，压缩粘土表面双电层，聚乙二醇更容易吸附在粘土表面，从而阻止水与粘土颗粒接触，起到较好的抑制页岩水化分散作用；②不同聚合醇的影响。通过岩屑回收试验表明，不同聚合醇抑制性大小顺序表现为聚乙二醇＞乙二醇＞丙三醇，这种抑制性差异是由粘土表面的可交换K+与聚合醇分子中羧基作用的结果，此外，聚合醇分子间作用力也对抑制性产生影响；③聚乙二醇分子量的影响。聚乙二醇分子量范围在200～20000之间，随着其分子量增大，钻井液抑制性增强，小分子量的聚乙二醇可以利用浊点效应，在高温时封堵地层，高分子量的聚乙二醇可以作为降滤失剂，为了达到较理想的使用效果，聚乙二醇的分子量应控制在600～1000之间；④多元醇与聚合物复配。在聚合醇钻井液中加入一定量的聚合物，能够提升聚乙二醇的抑制性能。

1.2.2 润滑性好

在钻井过程中，聚合醇中乙二醇能起到较好的润滑效果，研究表明，当水基钻井液中加入3%聚合醇时，钻井液中的润滑系数能够降低到80%，此外聚合醇与石墨润滑剂、极压润滑剂复配润滑效果更好，在钻大斜度井、水平井时，能够降低扭矩，提升钻速，同时还能防止和消除钻头泥包。

1.2.3 储层保护效果好

聚合醇地层保护作用主要表现在以下几个方面：①聚合醇能够钻井液具有较强的粘度，能够降低钻井液滤失量；②温度升高，聚合醇从钻井液中析出，能够较好地封堵孔隙；③聚合醇分子中的羧基与溶液中钾离子协同作用，能够减弱粘度双电子层，降低粘土矿物水化膨胀能力；④聚合醇能够降低油水界面张力，溶液中无机盐含量增加或者温度升高都能降低界面张力，有利于钻井液返排，起到较好的油气保护效果。

2 聚合醇水基钻井液配方优选

在水平井钻井过程中，为了达到较好地抑制泥页岩水化膨胀效果，提升井壁稳定性，保护钻井安全，需要优选聚合醇钻井液配方，具有较强抑制性、良好的润滑性、钻速快、储层保护效果好、配伍性能好、安全环保等特性，具体配方如下：

5%土浆+3%JHC-G+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被剂+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV

3 高性能聚合醇钻井液在现场应用情况

3.1 Z41-P1井概况

Z41-P1井是Z41区块内的一口采油水平井，设计井深3335.00m，直井段长693.00m，造斜段长403.77m，水平段1461.23m。钻遇地层为嫩江祖、青山口组、姚家组、泉头组。储层上部为绿灰色泥岩段，中下部为灰绿、绿灰色泥岩，灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，棕灰色含油粉砂岩呈不等厚互层。本井技套下深777m，二开裸眼长度为2558m，施工周期长，泥浆固相含量和坂土含量控制难度很大，钻开嫩江组、姚家组、青山口组、泉四段不同岩性地层，泥浆参数调整频繁，易发性能大幅波动。嫩二段地层有大段泥岩，泥岩遇水膨胀，易剥落，钻井施工中易发生井塌和钻具泥包卡钻，同时钻具泥包后可造成抽吸井喷。本井水平位移长达1645m，钻进过程易出现因井轨不断调整造成拖压，甚至卡钻。

3.2 钻井液配制

使用一完井（井深777.00m）内钻井液加水稀释钻掉水泥塞及其附件，钻塞前加入适量纯碱胶液，钻塞过程中开启除砂器和离心机清除劣质固相，钻塞后洗净井筒，放掉污染的钻井液。地面无预留老浆，地面采用水化坂土浆方式配浆，地面使用2、3、4、5号罐参与配浆，配量 152m3，加入土粉 6t，纯碱0.24t，KOH0.05t，磺化沥青 4t，KFT 6t,KOH 0.075t，NW-1 0.75t，复合抑制剂0.3t，包被剂0.5t，铵盐2t，共计13.915t。采取地面循环方式对泥浆充分循环，符合开钻要求。开钻后未出现跑浆现象，返砂良好粘泥多。大分子聚合物要求缓慢加入，边加边观察，严禁发生絮凝，控制地面和全井循环时间，钻井液性能如表1所示。

3.3 造斜段维护

造斜段（井段1470.00～1873.77m）主要为嫩江组和青山口组泥岩，分散性强，要求泥浆润滑性要好、携砂能力强，预防卡钻事故发生，补充钻井液量时应补充抑制剂，控制加入速度，防止发生絮凝。造斜初期井斜25°左右时加入1.02t白油、2t高效润滑剂，施工中显示摩阻不超过4t，在井斜不大于30°时，调整钻井液性能粘度不要超过60s，使动塑比达到0.36～0.6，控制钻井液固相含量及含砂量，为施工大斜度段做好准备工作。0°～45°基本上每个单根钻时在50min左右，施工过程中返砂良好，期间主要使用KFT和磺化沥青胶液防塌，使用聚合醇、包被剂及NW-1胶液控制钻井液抑制能力，返出物成形，颗粒规则。在井深1214m密度加到1.40g/cm3，粘度控制在55s左右。每钻进100m补充聚合醇0.4～0.6t，包被剂0.1～0.2t，NW-1抑制剂0.1～0.15t，润滑剂白油1～1.5t，润滑剂1～2t，提高钻井液润滑性，把摩阻控制在4t以内在控制钻井液流变性合理的前提下，严格按进尺加足药品密切关注钻压、转数、排量、返砂量、摩阻、井轨等钻井参数及工程变化情况，充分发挥固控设备作用，及时高效清除无用固相，防止岩屑进一步分散。

表1 配浆钻井液性能表

3.4 水平段维护

水平段（井段1873.77～3335.00m）为了保护油气层，进入油层前，钻井液以四低两高为控制主线，即低固相含量、低含砂量、低滤失量、低摩阻，高抑制性，高质量泥饼。加入适量W-40，降低钻井液滤液表面张力，减少水锁对地层损害。在保证井眼清洁，净化良好的情况下，水平井段振动筛使用率100%，除砂器每天开启不少于6h，在保证泥浆密度的同时尽量使用离心机及清除泥浆中有害固相。每100m或每24h补加润滑剂和白油，保证钻井液中润滑剂含量不低于6%，并关注提放显示。由于本体系抑制性较强，水平段返出物成形度较好，颗粒规则，没出现原体系返砂不成形的情况。水平段使用聚合醇8.2t，提高体系抑制性，保证井壁稳定，包被剂0.15t，后期包被剂加入后有提粘显示，为控制粘度严格控制包被剂在水平段使用量，NW-1使用0.4t，NW-1加入后对粘切无影响。水平段进尺较慢，井下事故比较多，每钻进100m补充润滑材料2t左右，从钻井液上尽量将施工显示摩阻控制到最低，由于水平段后期发生水侵，KFT加量为2.75t，2t磺化沥青，目的是稳定井壁，防止井壁坍塌，将泥浆中压失水始终控制在4mL以下。

3.5 完井维护

钻进时充分使用固控设备清除劣质固相，改善泥饼质量。钻井液密度尽量控制在下限，适当降低压差，并来保持较低的滤失量，来降低泥饼厚度。钻进尽可能使用较高的转数提高井眼扩大率。钻井后期保持钻井液性能稳定，完钻前应提前50～100m处理好钻井液各项性能。下套管前通井到底要充分清洗井筒，使用降粘剂控制钻井液粘切，处理完粘切后使用石墨和润滑剂配润滑封闭液打入裸眼井段后停泵起钻。通井起下钻要控制速度，特别在曲率变化大的位置，起下至姚家组将速度控制最低；通井到底循环不少于2个循环周，循环时排量要逐步提升，尽量避免薄弱地层因压力波动过大引发失稳，钻具始终保持缓慢活动状态，提放范围要超过5m，严禁定点循环冲蚀井壁。套管到底循环时，要求全井循环2周内控制钻井液性能符合设计中固井指标，开启固控设备充分净化泥浆，保证井筒清洁，为固井做好准备。

4 结束语

配制的高性能水基钻井液性能达到了预期效果。在钻进过程中，钻井液始终保持了较好的流变性和稳定性润滑性，携砂较好，钻井液的密度粘度严格控制在所要求的范围内，保证了水平段施工的顺利进行。本体系中，在全井循环时加入1%～2%适当浊点的聚合醇，每日补加0.8～1t，使得体系控制造浆能力强，岩屑侵入速度较慢，振动筛返出岩屑颗粒分明，棱角明显，后期返砂困难时，及时补充提粘切处理剂，将钻井液流变性调高，处理维护效果明显。

[1]吕开河,高锦屏,孙明波.多元醇钻井液高温流变性研究[J].石油钻探技术,2000,28(6):23-25.

[2]陈乐亮.多元醇水基钻井液体系综述[J].钻井液与完井液,2001,18(3):30-37.

[3]王昌军,岳前声,张岩,等.聚合醇JLX防塌润滑性能研究[J].钻井液与完井液,2001,18(3):6-8.

[4]杨小华，王中华.油田用聚合醇化学剂研究与应用［J].油田化学，2007，24（2）:171-174.