趙 虎，韋 勇，鐘 靈

1.中國(guó)石化石油工程鉆完井液技術(shù)中心，河南濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001；3.中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽(yáng) 457001

井壁穩(wěn)定是制約采用水基鉆井液開(kāi)發(fā)強(qiáng)水敏、裂縫和層理發(fā)育等地層鉆完井作業(yè)的主要難題之一，加入各種防塌劑能夠有效抑制泥頁(yè)巖水化膨脹和分散、封堵裂縫等，實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定［1-3］。應(yīng)對(duì)裂縫和層理發(fā)育及弱膠結(jié)面等易破碎地層，化學(xué)膠結(jié)固壁類(lèi)的處理劑能夠更好地提高地層巖石顆粒之間的聚合力、增強(qiáng)巖石自身強(qiáng)度，使井壁在水浸作用下不易分散。如，硅酸鹽和鋁酸鹽與低pH 值的地層水相遇后，會(huì)產(chǎn)生膠凝或沉淀，在近井壁地帶形成“半透膜”，阻止濾液進(jìn)一步浸入地層，該凝膠在地層條件下固化，與巖石骨架的化學(xué)膠結(jié)等作用達(dá)到穩(wěn)固井壁目的［4-7］。而傳統(tǒng)的硅鋁酸鹽對(duì)鉆井液流變性和濾失量影響大［8］，其應(yīng)用和發(fā)展受到了一定程度的影響。本文將建筑學(xué)中有機(jī)硅固壁劑引入烷基糖苷衍生物鉆井液即ZY-APD 高性能水基鉆井液體系中［9-11］，評(píng)價(jià)其對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)及其對(duì)鉆井液性能的影響，確定最優(yōu)的固壁劑種類(lèi)和加量，從而拓寬水基鉆井液的適用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

1.1 主要材料

巖屑，威遠(yuǎn)區(qū)塊威204H41-5 井等龍馬溪組頁(yè)巖；露頭巖心，威遠(yuǎn)區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖；烷基糖苷衍生物APD、有機(jī)硅固壁劑S1 和S2、降濾失劑ZY-JLS、納米-微米級(jí)封堵劑、聚合鋁AOP-1，中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院自制；膨潤(rùn)土，濮陽(yáng)市金泰化工有限公司，工業(yè)級(jí)；生物聚合物XC，淄博中軒生化有限公司，工業(yè)級(jí)；重晶石，濮陽(yáng)龍澤實(shí)業(yè)有限公司，工業(yè)級(jí)；硅酸鈉、KCl、NaOH等，分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

YAW-300D 型全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，遼寧貝斯瑞德石油裝備制造有限公司；XGRL-4 型高溫滾子加熱爐、ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀、中壓濾失儀、高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器有限公司；電子分析天平，上海上平儀器有限公司。

實(shí)驗(yàn)方法參照GB∕T 16783.1—2014∕ISO 10414-1：2008《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第一部分：水基鉆井液》。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠結(jié)固壁劑對(duì)巖樣抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 龍馬溪巖屑?jí)褐茙r心

將龍馬溪巖屑粉碎后加入少量膠結(jié)劑、膨潤(rùn)土和水，在10 MPa、10 min條件下壓制Φ2.54 cm×2.5 cm 人造頁(yè)巖巖心，分別置于清水、高濃度APD（25%APD，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、5%APD+5%KCl、5%APD+5%硅酸鈉、5%APD+5%有機(jī)硅固壁劑S1、5%APD+5%有機(jī)硅固壁劑S2、5%APD+5%聚合鋁AOP-1 中，85 ℃浸泡巖心3 d，取出后用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試巖心抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：APD與2種有機(jī)硅固壁劑復(fù)配浸泡的巖心抗壓強(qiáng)度較原始巖心略有提高；高濃度APD、APD 與硅酸鈉復(fù)配、APD 與KCl 復(fù)配浸泡的巖心抗壓強(qiáng)度較原始巖心略有降低；APD 與聚合鋁AOP-1復(fù)配、清水浸泡巖心基本失去強(qiáng)度。

圖1 不同介質(zhì)浸泡人造龍馬溪頁(yè)巖巖心的抗壓強(qiáng)度

2.1.2 龍馬溪露頭巖石制巖心

將龍馬溪露頭巖石用鉆孔機(jī)加工成Φ2.54 cm×2.5 cm 巖心，分別置于清水、高濃度APD（25%APD）、5%APD+5%KCl、5%APD+5% 硅 酸鈉、5%APD+5%有機(jī)硅固壁劑S1、5%APD+5%有機(jī)硅固壁劑S2、5%APD+5%聚合鋁AOP-1 中，85 ℃浸泡巖心7 d，取出后用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試巖心抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2 可知：浸泡后巖心的抗壓強(qiáng)度較原始抗壓強(qiáng)度均有不同程度的降低，APD 與有機(jī)硅固壁劑S2 復(fù)配浸泡巖心抗壓強(qiáng)度為17.31 MPa，降低較少，而清水浸泡巖心強(qiáng)度降低40%以上。

由此可以看出：有機(jī)硅固壁劑在穩(wěn)定巖心強(qiáng)度方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 膠結(jié)固壁劑對(duì)鉆井液性能的影響

2.2.1 膠結(jié)固壁劑對(duì)鉆井液性能影響的初步分析

傳統(tǒng)的膠結(jié)固壁劑對(duì)鉆井液流變性和濾失量影響較大，對(duì)高密度鉆井液流變性影響更為嚴(yán)重，配制密度2.30 g∕cm3的烷基糖苷衍生物基鉆井液（ZY-APD 鉆井液），加入2%加量的不同固壁材料，150 ℃老化16 h，測(cè)試不同種類(lèi)的固壁劑對(duì)鉆井液性能的影響，結(jié)果如表1所示。

ZY-APD 鉆井液配方：1.5%預(yù)水化土漿+1.5%降濾失劑ZY-JLS+0.1%生物聚合物XC+6%納米-微米級(jí)封堵劑+5%APD +0.3%NaOH+7%KCl+重晶石。

由表1 可知：不同種類(lèi)的膠結(jié)固壁劑對(duì)鉆井液的流變參數(shù)和濾失量有不同程度的影響，對(duì)鉆井液流變參數(shù)影響程度由大到小為硅酸鈉、聚合鋁、有機(jī)硅固壁劑；對(duì)濾失量影響程度由大到小為硅酸鈉、聚合鋁、有機(jī)硅固壁劑，由此說(shuō)明有機(jī)硅固壁劑對(duì)鉆井液性能影響較小，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

表1 不同膠結(jié)固壁劑對(duì)鉆井液性能的影響

2.2.2 有機(jī)硅固壁劑加量的優(yōu)化

在以上ZY-APD 鉆井液配方基礎(chǔ)上，分別加入1%～10%的有機(jī)硅固壁劑S1和S2，評(píng)價(jià)不同種類(lèi)、含量的有機(jī)硅固壁劑對(duì)鉆井液流變參數(shù)和濾失量的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2 可知：摻入5%以內(nèi)有機(jī)硅固壁劑S1和S2對(duì)鉆井液流變參數(shù)影響較小，含有10%有機(jī)硅固壁劑的鉆井液切力有所降低；隨著固壁劑加量的升高，鉆井液的中壓濾失量和高溫高壓濾失量逐漸升高，但5%以內(nèi)有機(jī)硅固壁劑S2 對(duì)濾失量影響較小，對(duì)鉆井液性能影響較為溫和，5%以上有機(jī)硅固壁劑S1 對(duì)高溫高壓濾失量影響較多?？赡艿脑蚴?，隨著有機(jī)硅固壁劑加量的升高，鉆井液pH 值逐漸升高，其中的XC、ZY-JLS 等處理劑高溫老化后逐漸失效，導(dǎo)致鉆井液黏切值降低、濾失量升高。

表2 不同種類(lèi)、含量有機(jī)硅固壁劑對(duì)鉆井液性能的影響

結(jié)合固壁劑對(duì)巖心抗壓強(qiáng)度的影響，2%～5%有機(jī)硅固壁劑S2 穩(wěn)定頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度較好，對(duì)鉆井液性能影響較小。

2.2.3 不同APD加量對(duì)鉆井液性能的影響

因泥頁(yè)巖地層水敏性不同和現(xiàn)場(chǎng)施工需要不斷調(diào)整APD 的加量，配制密度2.30 g∕cm3的ZYAPD 基礎(chǔ)配方，調(diào)整APD 的加量，150 ℃老化16 h，測(cè)試不同APD 加量對(duì)鉆井液性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同APD加量對(duì)鉆井液性能的影響

基礎(chǔ)配方：1.5%預(yù)水化土漿+1.5%降濾失劑ZY-JLS+0.1%生物聚合物XC+6%納米-微米級(jí)封堵劑+2%有機(jī)硅固壁劑S2+0.3%NaOH+7%KCl+重晶石。

由表3 可知：隨著固壁劑中APD 加量的升高，鉆井液的AV、PV 和YP 逐漸升高，加量達(dá)20%時(shí)，由于自身黏度原因?qū)е裸@井液的AV、PV 和YP 升高較多；隨著固壁劑中APD 加量的升高，鉆井液的Gel 略有降低，分析原因?yàn)锳PD 對(duì)膨潤(rùn)土抑制逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致黏土結(jié)構(gòu)力降低；隨著固壁劑中APD 加量的升高，鉆井液濾失量逐漸降低，10%APD 以上基本無(wú)變化?？傮w來(lái)說(shuō)，較高APD含量下，固壁劑對(duì)鉆井液性能影響更小，甚至無(wú)影響。

2.2.4 不同老化溫度對(duì)鉆井液性能的影響

配制密度2.30 g∕cm3的ZY-APD 鉆井液，測(cè)試100～150 ℃范圍內(nèi)老化16 h 的鉆井液性能，結(jié)果如表4所示。

表4 不同老化溫度對(duì)鉆井液性能的影響

ZY-APD鉆井液配方：1.5%預(yù)水化土漿+1.5%降濾失劑ZY-JLS+0.1%生物聚合物XC+6%納米-微米級(jí)封堵劑+5%APD+2% 有機(jī)硅固壁劑S2+0.3%NaOH+7%KCl+重晶石。

由表4 可知：隨著老化溫度的升高，鉆井液的AV、PV 和YP 逐漸降低，高溫高壓濾失量逐漸升高，Gel 和中壓濾失量變化不大。整體來(lái)說(shuō)，100～150 ℃溫度范圍對(duì)鉆井液性能變化不大，說(shuō)明鉆井液在此溫度范圍敏感性較弱。

2.2.5 不同密度對(duì)鉆井液性能的影響

配制密度1.60～2.30 g∕cm3的ZY-APD 鉆 井液，并且適當(dāng)調(diào)整膨潤(rùn)土（預(yù)水化土漿）和生物聚合物XC 加量，150 ℃老化16 h，測(cè)試不同密度對(duì)鉆井液性能的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 不同密度對(duì)鉆井液性能的影響

ZY-APD 配方：1.5%～3%預(yù)水化土漿+1.5%降濾失劑ZY-JLS+0.05%～0.15% 生物聚合物XC+6%納米-微米級(jí)封堵劑+5%APD+2%有機(jī)硅固壁劑S2+0.3%NaOH+7%KCl+重晶石。

由表5 可知：隨著鉆井液密度的升高，鉆井液的AV、PV、YP 和Gel 無(wú)明顯規(guī)律，因?yàn)檫m當(dāng)降低預(yù)水化土漿和XC 的加量，可以彌補(bǔ)重晶石增多造成的黏度升高；因固相含量逐漸升高，自由水含量逐漸降低，鉆井液濾失量逐漸降低。由此說(shuō)明：1.60～2.30 g∕cm3密度范圍內(nèi)的鉆井液性能穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

1）有機(jī)硅固壁劑具有良好封固性能，高性能水基鉆井液主劑APD 加入有機(jī)硅固壁劑可顯著提高龍馬溪等頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度，性能優(yōu)于其加入無(wú)機(jī)硅酸鹽、鋁鹽、鉀鹽等固壁劑，更有利于易破碎泥頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定。

2）有機(jī)硅固壁劑S2 對(duì)鉆井液流變參數(shù)和濾失量影響較小，比無(wú)機(jī)硅酸鹽、鋁鹽等傳統(tǒng)固壁劑具有優(yōu)勢(shì)，且S2的合理加量為2%～5%。

3）有機(jī)硅固壁劑S2 對(duì)5%～20%APD 含量、100～150 ℃老化溫度和1.60～2.30 g∕cm3密度范圍ZY-APD 與高性能水基鉆井液配伍性良好，由此可以拓寬高性能水基鉆井液的適用范圍。