新型胺基抑制劑FYZ-1在白廟油田的應用

郭建華， 馬文英， 孫東營，鐘 靈

(1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001；2.中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽 457001)

?

新型胺基抑制劑FYZ-1在白廟油田的應用

郭建華1， 馬文英1， 孫東營2，鐘 靈1

(1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001；2.中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽 457001)

針對白廟油田沙三組鉆井過程中泥巖地層井壁易失穩的難題，評價使用了新型胺基抑制劑FYZ-1，加量0.2%，在120 ℃/16 h、150 ℃/16 h老化后的相對抑制率分別達90.6%和93.5%；加量0.3%時，一次回收率達96.0%，相對回收率達99.6%。與白廟油田常用的聚磺和聚磺鉀鹽鉆井液具有良好的配伍性，加入FYZ-1后鉆井液抗溫達130 ℃，110 ℃老化88 h性能穩定，可有效提高鉆井液的抑制能力。在白-平2HF井和白-3HF井進行了現場應用，結果表明，胺基抑制劑FYZ-1具有良好的抑制性，可有效解決坍塌、掉塊等復雜情況的發生。

白廟油田 胺基抑制劑 抑制性 鉆井液 井壁穩定

白廟油田的沙三組地層巖性主要為淺灰色粉砂巖、深灰色泥巖和灰色泥質細砂巖，泥巖中伊蒙混層的含量大于50%，最高達67%，易坍塌掉塊；泥巖與砂巖互層頻繁造成井壁易發生失穩現象，針對此情況，在提高鉆井液封堵能力的基礎上，選用撫順石油化工研究院[1]開發的新型胺基抑制劑FYZ-1提高穩定井壁能力。FYZ-1是含雙主鏈、可形成網狀結構的聚胺類聚合物，運動黏度為500～1 300 mm2/s，陽離子度為1.0～3.0 mmol/g[2-3]，可充填在黏土層間，通過靜電引力、氫鍵作用、錨固作用及疏水作用，將其束縛在一起，有效減少黏土的吸水傾向，同時該類處理劑具有生物毒性小、環境相容性好的特點[4-6]。筆者對FYZ-1進行了性能評價，并與白廟油田常用聚磺和聚磺鉀鹽鉆井液進行了配伍性研究，對FYZ-1的現場應用效果進行了分析。

1 白廟油田沙三組巖樣分析

在白-平2HF井斜井段施工過程中，發生井壁失穩，返出大量掉塊，取其進行巖樣分析。黏土礦物分析結果表明，黏土礦物相對含量為：伊利石12%，高嶺石16%，綠泥石14%，伊/蒙混層58%，間層比25%；將巖樣粉碎過篩，測其陽離子交換容量CEC為7.2 mmol/(100g土)，屬易膨脹中等分散泥頁巖[7]；進行巖心回收率實驗，結果表明，巖樣清水回收率達93.5%，可見其在水中的分散性不是很強；將巖樣進行浸泡實驗，室溫條件下浸泡巖樣無變化，90 ℃條件下浸泡3 d后，巖樣可見明顯紋理裂縫，見圖1(a)，且部分掉塊已經裂開，見圖1(b)。以上實驗結果表明，白廟油田沙三組的巖石有紋理存在。楊坤鵬等[8]指出，此類地層雖是硬脆性但井塌還很嚴重，其原因是鉆井液的封堵性及濾液的抑制能力不足，致使濾液沿紋理發育方向侵入地層，引起膠結物的水化膨脹，造成孔隙壓力升高，經一定時間的累積最終導致井壁坍塌掉塊。

圖1 白-平2HF井掉塊

2 FYZ-1的抑制性評價

2.1 相對抑制率實驗

相對抑制率表征胺基抑制劑FYZ-1對膨潤土水化作用抑制強弱的程度，對FYZ-1在不同老化溫度下進行相對抑制率的評價，準確量取350 mL蒸餾水，加入1.05 g碳酸鈉，加入試樣，高速攪拌5 min；加入35.0 g膨潤土，高速攪拌20 min，高溫養護16 h，測定100 r/min下的讀數，相對抑制率按下式計算。結果見表1。

式中，X為相對抑制率，%；φ1為純水漿的100 r/min下的讀數；φ2為含樣品鉆井液在100 r/min下讀數。

從表1看出，當FYZ-1加量大于0.2%，不同溫度老化后的相對抑制率均大于90%，表現出良好的抑制性；當加量為0.4%時，相對抑制率達最高，再提高加量，相對抑制率沒有變化。同時隨著老化溫度升高，相對抑制率呈升高趨勢，抗溫性良好，說明胺基抑制劑在高溫條件下可更好地吸附在膨潤土上，因此抑制性更好。

表1 不同溫度老化后的相對抑制率

2.2 頁巖滾動回收率實驗

采用清水作為測試基準液，以頁巖回收率實驗考察不同濃度胺基抑制劑FYZ-1水溶液的抑制能力。所用巖心取自馬12井，取樣井深2 708.5～2 715.0 m，巖心粒徑6～8目，巖性為灰色泥巖，實驗條件135 ℃滾動16 h，結果見表2。FYZ-1加量0.3%時，頁巖滾動回收率達96.0%，相對回收率達99.6%，說明FYZ-1具有較好的抑制能力。

表2 抑制劑FYZ-1頁巖回收率

綜上所述，FYZ-1加量以0.2%～0.5%為宜。

2.3 與現場常用頁巖抑制劑比較

白廟油田沙三組地層鉆井施工時常使用硅醇抑制劑DS-302、聚合醇及KCl等處理劑預防井壁坍塌，因此，采用頁巖回收率進行抑制性對比實驗，各處理劑使用其推薦的有效加量，結果見表3。胺基抑制劑FYZ-1較其他3種頁巖抑制劑的回收率大幅提高，復配后具有良好的協同增效作用，可進一步提高抑制能力。

表3 抑制劑頁巖回收率

3 FYZ-1與現場鉆井液配伍性的研究

FYZ-1能改變膨潤土顆粒的電性和分散狀態，進而影響鉆井液性能。因此，通過FYZ-1與白廟油田常用鉆井液進行配伍性研究，確定其在白廟油田的適應性。FYZ-1加量為0.3%進行實驗。

3.1 配伍性

調研白廟油田白21井、白廟平1井、白側24井等8口完鉆井情況，該油田沙三組地層鉆井時使用鉆井液多為聚磺或聚磺鉀鹽鉆井液，密度為1.30～1.80 g/cm3，因此取現場不同密度的實鉆鉆井液，加入0.3%胺基抑制劑FYZ-1，考察其配伍性，結果見表4。加入胺基抑制劑后鉆井液性能變化不大，說明FYZ-1與現場鉆井液配伍性良好。

表4 FYZ-1與不同密度鉆井液配伍性

胡114-1井取樣井深3 37 0m，聚磺鉆井液；文138-側41井取樣井深3 425 m，聚磺鉆井液；白-平2HF井取樣井深3 990m，聚磺鉀鹽鉆井液。FV為漏斗黏度，PV為塑性黏度，YP為動切力，FL為失水量;下同。

3.2 鉆井液抗溫及穩定性能

沙三組埋深約4 000 m，鉆井液循環溫度約100 ℃，因此長期老化溫度為110 ℃，實驗鉆井液為白-平2HF井聚磺鉀鹽鉆井液，根據井深確定實驗溫度，對加入FYZ-1的鉆井液考察抗溫能力和穩定性，結果見表5。加入FYZ-1的鉆井液在不同溫度條件下老化后，鉆井液的黏度、切力、濾失量變化不大。

表5 鉆井液抗溫及穩定性能

3.3 抑制性能

采用白-平2HF井鉆井液，加入0.3%FYZ-1，進行巖心回收率實驗，考察鉆井液的抑制性能，所用巖心取自馬12井，結果見表6。加入胺基抑制劑后，鉆井液抑制能力提高，巖心一次回收率略提高、二次回收率和相對回收率明顯提高，分別從79.5%和79.6%提至95.6%和98.5%。二次回收后的巖心見圖2。

表6 頁巖滾動回收率

圖2 二次回收后的巖心

加入胺基抑制劑后的鉆井液二次回收后的巖心棱角分明，說明胺基抑制劑與氯化鉀的抑制機理不同，聚胺可長期吸附在黏土表面并將黏土片層束縛在一起，阻止水分子進入。

4 現場應用

胺基抑制劑FYZ-1在中原油田白廟油田的白-平2HF和白-3HF井進行了現場應用，結果表明，FYZ-1具有良好的抑制性，與鉆井液配伍性好，有效地解決了坍塌、掉塊等復雜情況，取得了良好的應用效果。

4.1 白-平2HF井的現場應用

4.1.1 基本情況

白-平2HF井位于中原油田東濮凹陷白廟構造主體北部白44塊，井身結構為：鉆頭直徑×井深：一開φ508 mm×350 m;二開φ333.4 mm×2 900 m,三開φ241.3 mm×4 158 m，四開φ152.4 mm×5 363 m；套管尺寸×下深：一開φ406.4 mm×350 m，二開φ273.1 mm×2 900 m，四開114.3 mm×(3 630～5 363 m)；三開尾管尺寸×下深φ193.7 mm×4 158 m。該區塊沙河街組巖性為深灰色泥巖，地層水敏性強，易發生坍塌掉塊，為保證井下安全該井三開鉆井液體系為氯化鉀聚磺防塌鉆井液。

4.1.2 復雜情況及措施

在井斜大于30°后，鉆井液密度需提高0.05 g/cm3才能穩定井壁，抑制垮塌。三開造斜段(井斜75°～86°)在井斜達87°時已在沙三下目的層鉆進，使用聚磺鉀鹽鉆井液，施工過程中泥巖層段井壁穩定性差，垮塌掉塊嚴重，鉆進至井深3 987～3 992 m時井下出現復雜情況，時有遇卡現象。

定向鉆進至井深4 025 m時憋泵，上提鉆具遇卡，經多次上提下放，并且轉動鉆具，提至210 t提開。定向鉆進至井深4 035 m上提鉆具遇卡，提至180 t提開，隨后劃眼3遍正常，無顯示后準備定向，下放至距離井底1 m處憋泵，上提遇卡，反復活動鉆具，最大上提至220 t解卡。解卡后循環過程中有小掉塊返出。鉆至井深4 038 m因井下復雜，起鉆簡化鉆具結構，下牙輪鉆頭通井，下鉆到底循環后返出大量掉塊，掉塊最大尺寸10 cm,見圖3。

圖3 白-平2HF井三開井內返出掉塊

為保證井下安全，鉆井液中KCl加量保持為6%，并加入3 t硅醇抑制劑DS-302，6 t聚合醇PAL和50 t原油。出現井下復雜后先后采取了以下技術措施：鉆井液密度由1.70 g/cm3提高至1.78 g/cm3，加入硅醇抑制劑DS-302和KCl繼續提高鉆井液抑制性，加入磺化瀝青、超鈣等加強封堵提高井壁穩定性能，加入大分子聚合物加強鉆井液包被能力。但效果均不理想，仍有掉塊。因此，決定加入胺基抑制劑提高井壁穩定性能。

4.1.3 現場應用效果

現場從井深4 039 m開始，按循環周期加入1 t胺基抑制劑FYZ-1，加入后鉆井液性能穩定，變化不大，鉆井液性能見表7。

表7 現場加入胺基抑制劑前后鉆井液性能比較

AV為表觀黏度。

隨著胺基抑制劑的加入，掉塊明顯減少且尺寸較小，沒有井下復雜情況發生；定向及復合鉆進均正常，起下鉆暢通，順利鉆至井深4 160 m三開中完。中完通井過程中無阻卡現象，鉆具輸送電測一次成功，下套管及固井作業順利。三開斜井段平均井徑擴大率為4.9%。

4.2 白-3HF井的現場應用

4.2.1 基本情況

白-3HF井是中原油田部署在東濮凹陷黃河南白廟構造主體北部白12塊的1口非常規水平井。鉆探目的是白廟氣田主體調整挖潛，目的層為沙三下組，設計井深5 071.59 m，完井方式采用裸眼完井，完鉆井深5 086.00 m，垂深3 779.40 m，水平位移1 438.13 m，水平段長1 000 m，最大井斜95.8°，水平段垂直落差58.98 m，完井方式采用裸眼完井。白-3HF井地層簡序表見表8，井身結構設計為：鉆頭直徑×井深：一開φ508 mm×350 m，二開φ333.4 mm×3 300 m,三開φ241.3 mm×4 070.33 m，四開φ152.4 mm×5 071.59 m；套管尺寸×下深：一開φ406.4 mm×350 mm，二開φ273.1 mm×3300 m，四開φ114.3 mm×(3 570.00～5 071.59 m)；三開懸掛尾管尺寸×下深：φ193.7 mm×(2 700～3 400 mm)/φ180 mm×(3 400.00～4 070.33 mm),回接套管尺寸×下深：φ193.7 mm×(0～2 700 m)。

表8 白-3HF井地層簡序表

4.2.2 現場技術難點

1)白廟油田沙二下、沙三上、中、下地層，巖性以泥頁巖為主，且對水敏感性較強；受鉆井液濾液侵入的影響，地層吸水后膨脹垮塌，垮塌塊較大，造成井眼穩定性極差。

2)三開泥巖段長，巖屑水化分散性強，對鉆井液污染嚴重，造成鉆井液性能不穩定，膨潤土和固相含量升高，黏切急劇變化，給鉆井施工帶來極大危害。

3)三開段長，需增斜至A靶85.3°，做到定向不脫壓，摩阻小、無黏卡，鉆井液潤滑性是關鍵。

4)鉆井液密度窗口窄，涌、漏、塌同存，給安全鉆井帶來極大不準確性。

4.2.3 現場應用效果

鑒于白-平2HF井斜井段在出現井壁失穩情況后使用胺基抑制劑取得的良好效果，白-3HF井鉆進進入三開斜井段前轉換為聚磺鉀鹽鉆井液，使用胺基抑制劑預防井壁失穩情況的發生。

在三開施工過程中，始終保證全井鉆井液原油含量不低于10%，FYZ-1含量不低于0.2%，減少了井壁掉塊，克服定向脫壓嚴重等問題，遏制了因鉆井液密度過高造成的井漏和井下復雜情況的發生，提高了三開定向井段機械鉆速。

1)三開前徹底清理循環系統，配新漿140 m3，與老漿混合均勻，加重至1.50 g/cm3。3 300 m加入胺基抑制劑600 kg，循環均勻后鉆井液性能：密度1.52 g/cm3，黏度62 s，失水量4 mL，初切/終切1/2 Pa，pH=10，含砂量0.2%，氯離子含量4.3×104mg/L，坂含量21 g/L，高溫高壓失水量14 mL。井深3 445 m再次加入FYZ-1 200 kg，此后每鉆進100 m補充100～200 kg。該井三開斜井段施工中施工井段的分段鉆井液性能見表9。

2)白-3HF井在三開鉆進過程中沒有復雜情況出現，施工正常，基本沒有掉塊出現，井壁穩定，定向順利，起下鉆通暢，每一次下鉆均能順利到底。

3)白-3HF井鉆井液密度小于1.65 g/cm3，而鄰井白-平2HF井鉆井液密度最高達1.78 g/cm3，且多次出現井壁坍塌掉塊現象。三開井段白-3HF井(3 304～4 086 m)鉆井周期同比白-平2HF井(3 300～4 087 m)縮短22 d。

表9 白-3HF井部分井段鉆井液性能

5 結論

1)胺基抑制劑FYZ-1加量0.2%時，相對抑制率超過90%；加量0.3%時，頁巖滾動一次回收率達96.0%，相對回收率達99.6%，在較低加量下即具有良好的長效抑制能力。

2)FYZ-1與白廟油田常用的聚磺、聚磺鉀鹽鉆井液具有良好的適應性，抗溫130 ℃，連續老化88 h性能良好，并可提高鉆井液的抑制性能。

3)在白-平2HF井和白-3HF井的現場應用，說明胺基抑制劑可有效抑制泥巖的剝落掉塊、水化分散，達到井壁穩定作用，減少井下復雜的目的。

4)由于井壁失穩是由多種原因引起的，而DS-302、聚合醇、KCl及FYZ-1等頁巖抑制劑的作用機理不同，建議針對施工地層巖性及井壁失穩機理，對各種頁巖抑制劑進行選擇性配伍使用，以達到更好的防塌效果。

[1] 陳楠,張喜文,王中華,等.新型聚胺抑制劑的實驗室研究[J].當代化工,2012,41(2)：120-122,125.

[2] 魯嬌,陳楠,楊超,等.一種陽離子聚胺類聚合物及其制備方法和應用：中國，2011103138471[P].2013-04-17.

[3] 魯嬌,楊超,陳楠,等.一種高效鉆井液及其制備方法:中國，2012104082092[P].2014-05-07.

[4] 李志軍,李武勝,吳軍,等.新型改性聚胺聚合物鉆井液體系室內研究[J].油氣田地面工程,2010,29(8):7-9.

[5] 馬雷,韓洪偉,李淵.新型改性聚胺聚合物鉆井液體系室內研究[J].石油天然氣學報:江漢石油學院學報,2010,32(4):336-338.

[6] 王中華.關于聚胺和“聚胺”鉆井液的幾點認識[J].中外能源,2012,17(11):36-42.

[7] 鄢捷年.鉆井液工藝學[M].北京:中國石油大學出版社,2006:437.

[8] 楊坤鵬,羅平亞.泥漿工藝原理[M].北京:石油化學工業出版社，1981:157-168.

Application of New Ployamine Shale Inhibitor FYZ-1 in Baimiao Oilfield

Guo Jianhua1,Ma Wenying1,Sun Dongying2,Zhong Ling1

(1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001; 2.No. 2DrillingCompanyofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001)

In view of the problem of sidewall instability during the drilling process in the mudstone formation at No. 3 Tiansha Group in Baimiao Oilfield, a new polyamine inhibitor, i.e. FYZ-1, was used after evaluation. When 0.2% FYZ-1 was added and aged at 120 ℃ and 150 ℃ for 16 h respectively, the relative inhibition percent reached 90.6% and 93.5%. When 0.3% FYZ-1 was added, the once-through recovery percent reached 96.0%, and the relative recovery percent reached 99.6%. FYZ-1 is well compatible with polysulfonate drilling fluid and polysulfonated potassium drilling fluid commonly used in Baimiao Oilfield. The drilling fluid can resist the high temperature up to 130 ℃ after FYZ-1 is added and exhibits stable performance after aged at 110 ℃ for 88 h, and therefore FYZ-1 can enhance the inhibition capacity of drilling fluid effectively. Polyamine inhibitor FYZ-1 has been used in Bai-Ping 2HF Well and Bai-3HF Well. The results of application have shown that Polyamine inhibitor FYZ-1 has good inhibition property, and can be used to solve the problems of collapse and sloughing-off, etc.

Baimiao Oilfield; polyamine inhibitor; inhibition property; drilling fluid; sidewall stability

2014-12-29。

郭建華，高級工程師，碩士，主要從事管理、鉆井液及防漏堵漏技術研究工作。