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烷基糖苷衍生物鉆井液研究及其在頁巖氣井的應(yīng)用

文檔作者：趙虎1 龍大清2 司西強(qiáng)1 王善舉1 史沛謙1 柳杰正2 吳健1 文檔來源： 1．中原石油工程有限公司 2．中原石油工程有限公司西南鉆井分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月26日
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第33卷第6期
2016年11月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUlD
Vbl．33 No．6
Nov．2016
doj：10．3696／j．issn．100l一5620．2016．06．004
烷基糖苷衍生物鉆井液研究及其在頁巖氣井的應(yīng)用
趙虎1， 龍大清2， 司西強(qiáng)1， 王善舉1， 史沛謙1， 柳杰正2， 吳健1
(1．中原石油工程有限公司鉆井+．I：程技術(shù)研究院，河南濮陽45700l；2．中原石油工程有限公司西南鉆井分公司，成都610021)
趑虎等麓鏊糖靜衍哇，物旗勞滾研究覆溪毳愛礱≮_={}姆凌用閉．鈾辯液弩毫羚藏，2俐或33(《|；兒23。2彳，
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莢穗落強(qiáng)鬻長(zhǎng)；jt爭(zhēng)強(qiáng)；勢(shì)整毳寵；壤蕊瓣學(xué)；承拳鎊秀竣
辭l鬻分類鴦：l鼉254．3 文濺揀談鸚：A 文輦編琴：；瓣i，s巷20 f20i鰳06．∞23∞5
Study on AIkyI PolygIucoside DeriVatiVe DriUing Fluid and lts Use In ShaIe Gas Drilling
zHA0 Hul，LONG Daqin92，sI)(iqian91，wANG sh喇u’，sm PeiqiaIll，LIu Jie瘟en礦，wu Ji距1
u．Resenrch l凇titule巧Drilling EHgineerin蛋zhon科udn Petmleum Engineering Ltd．，sinopec．Puynng，He隴n 4”響k
2．勛“z^Ⅵ讎fD一，“愕CD唧口砂礦拗D幗7”a玎心細(xì)胞“卅肌gm口P“略∞．，三以＆，l叩ec，劭e珂g如，研c^“口，l 610021)
Abstract The YSl08 shale gas bJock is 10catcd in Huan翻inba，zhaotong，Yunnan Province，and the pay zone of this block is the
Longma】(i fb咖ation of the lOwer Silurian s州es．r王'he l曲oJogy of the pay zone is mainly盯ay’black shales whjch arc eaSy to sIough
and c01l印se．In hori趵ntal drilling，high銜ction aIld drag，pipe sticking aIld di街culties in hole cle繃ing are problems that have been
f-requently encountered．Tb mitigate these dimculties，an aIkyl polyglucoside(APG)derivative d—lling fluid was fo肌ulated with
NAPG，CAPG卸dAPG as the main additives．NAPG is a polyether aminoAPG made f而m APG by intmducing polye廿1er and amino
黟oups into the APGmolecuIar s仃ucture．NAPG has be骶r inhibitive capacity'high temperaturc stabilily and lubrici哆CAPG is made
f-rom APG by introducing quatemary ammoIlium group into the APG m01ecular structure．CAPG has better inhibitive capacity aIld
high tcmperature stabili夠NAPG and CAPG e覷ctively rcduce the Zeta potential and hence the activi哆of shales．APG was used in
the drilIing nuid as the main Iubricant，pluggiug agents of djffbrent sizes(0．03—1 OO}Im)and low molecular weight aIkyl 91ucoside
viscosifier werc used to satis母the needs of plugging micm fracturcs found in the Longma)‘i shalcs．1．his drilling fluid had 7．5 min APl
6lter 10ss of OTI】L，HTHP nlter loss S 5 mL．The extreme pressure銜ction coemcient was Iess than O．1 O if mud density was less tllan
2．30∥cm3。As a driIling fluid with s仃ong inhibitiVe capacity，good plugging capacity and good lubricity，the APG deriVative drilling
日uid success如lly heIped soIVe the di幣culties previously encountered．1n矗eki印pJication，gauge hole，good hole cleaning and good
lubric毋were obtained．Compared with 6 wells“Iled nearby wjth high perfomance waterbase嘶lIing fluids and wells dril】ed in an
基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助“鉆井液用兩性甲基葡萄糖苷的合成及其作用機(jī)．理”(2012T50641)、中國(guó)博
士后科學(xué)基金面上資助“鉆井液用糖苷基季銨鹽的合成及其抑制機(jī)理研究”(20llM501194)和中石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)
目“頁巖油氣水平井水基鉆井液技術(shù)研究”(JPl4021)聯(lián)合資助。
第一作者簡(jiǎn)介：趙虎，1978年生，高級(jí)工程師，畢業(yè)于河南大學(xué)高分子化工專業(yè)，現(xiàn)在從事鉆井液體系的研究工作。
電話13839307301；E-mail：zhaohuZjy@126．com。
萬方數(shù)據(jù)
24 鉆井液與完井液2016年11月
a(Dacent block，the well drilled with this drjlling nuid had RoP increased by 14．6％一18．8％．The use APG deriVatiVe drilling auid has
satisned the needs fbr horizontal shale gas d“l(fā)ling and wen completion．
Key words Shale gas；Horizontal well；Bofchole stabilization；AIkyl polyglucoside；Water base drilling fluid
近年來，烷基糖菅(APG)鉆井液雖然在潤(rùn)
滑、清砂、降阻方而滿足長(zhǎng)水平井鉆井的需要，但
在應(yīng)對(duì)泥巖或強(qiáng)水敏性頁巖地層井壁穩(wěn)定方面仍存
在問題【l巧】，因此通過分子結(jié)構(gòu)改性，提高其抑制
能力。通過在APG分子上引入季銨鹽陽離子基團(tuán)，
提升抑制性和抗溫性等，研發(fā)出陽離子烷基糖苷
(cAPG)降”；在APG分子上引入聚醚和胺基基團(tuán)，
提升抑制性、抗溫性和潤(rùn)滑性等，研發(fā)出聚醚胺基
烷基糖苷(NAPG)。截至目前，CAPG、NAPG等
產(chǎn)品已在新疆、陜北、內(nèi)蒙、四川和中原等地區(qū)應(yīng)
剛近50井次哺‘9I，滿足了強(qiáng)水敏性泥巖、含泥巖等
易坍塌地層長(zhǎng)段水平井開發(fā)的需要。針對(duì)頁巖氣長(zhǎng)
水平井對(duì)鉆井液井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑防卡和攜巖帶砂等
性能要求高，中原石油工程有限公司自主研發(fā)出以
NAPG、CAPG和APG為核心主劑的烷基糖苷衍
生物鉆井液體系，簡(jiǎn)稱APD(A1】(yl P01y鰣ucoside
Derivative)鉆井液。該鉆井液在昭通YSl08H8．5
井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用并獲得成功【l0’1’】。
l APD鉆井液配方研究思路
1)以聚醚胺基烷基糖苷NAPG、陽離子烷基
糖苷CAPG為主抑制劑，因分子量的差異在不同
的井段適當(dāng)調(diào)攫加量；作用機(jī)理為吸附成膜、嵌入
及拉緊晶層等，可有效降低龍馬溪巖屑的zeta電
位絕對(duì)值．降低巖屑活性。復(fù)配使用Kcl可獲得
更高的抑制能力，并兼有滅菌、增強(qiáng)鉆井液的長(zhǎng)期
穩(wěn)定等作用。
2)以不同粒度級(jí)配(0．03～100岬)納米．
微米封堵材料和烷基糖苷類小分子增稠劑滿足昭通
區(qū)塊龍馬溪頁巖微孔微裂縫(主要縫寬和孔徑為
0．05～15．7 pm)fl叫的封堵需求，實(shí)現(xiàn)快速封堵頁
巖地層微孑L縫，阻斷壓力傳遞。
3)以APG為主潤(rùn)滑劑，作用機(jī)理為分子結(jié)構(gòu)
上的多羥基和一個(gè)烷基基團(tuán)，在鉆具、套管表面及
井壁巖石上形成規(guī)則排列，并可改善泥餅質(zhì)量。復(fù)
配使用極壓潤(rùn)滑劑達(dá)到高密度條件下良好潤(rùn)滑性，
保障鉆壓的有效傳遞，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水平段安全鉆井。
4)利用APG類材料的良好協(xié)同增效性和對(duì)
重晶石的潤(rùn)濕作用可提高降濾失劑的效果，從本質(zhì)
上解決高密度鉆井液流變性控制和穩(wěn)定性控制的矛
盾，形成流變參數(shù)良好的鉆井液配方，同時(shí)滿足造
斜段的懸浮攜砂和水平段的沖刷帶砂T程需求。
通過對(duì)處理劑的優(yōu)選及配伍性研究，得到優(yōu)化
鉆井液配方，當(dāng)井斜不小于45。時(shí)，少量補(bǔ)充極壓
潤(rùn)滑劑，進(jìn)入水平段后逐漸提高至配方加量。
(4％～7％)APD+(1％～2％)膨潤(rùn)土+(0．1％
～0．3％)xC+(7％～8％)級(jí)配納米．微米級(jí)封堵
劑+(O．5％～1．0％)降濾失劑+(5％～6％)KCl+
(0．1％～0．2％)KoH+重晶石+(2％～3％)極壓瀾
滑劑
2 APD鉆井液性能
2．1鉆井液基本性能
表l為優(yōu)化后鉆井液的基本性能。由表1可知，
鉆井液流變參數(shù)合理，API濾失量為0，高溫高壓
濾失量小于5 mL，能夠滿足昭通區(qū)塊地層的需要。
該配方主要采用粒徑級(jí)配、復(fù)合封堵和烷基糖苷類
小分子吸附成膜，形成快速、致密、高強(qiáng)度封堵層。
表1 APD高性能水基鉆井液基本性能
注：100。c老化16h，凡。。測(cè)試溫度為100℃，其他
實(shí)驗(yàn)溫度為50℃。
2．2井壁穩(wěn)定能力
在lOO℃下，采用不同介質(zhì)浸泡長(zhǎng)寧H9—3井
水平段龍馬溪巖樣3 d，掃描電鏡見圖l。由圖l
可知，在APD鉆井液中浸泡的巖屑保持片狀層理
和微孔結(jié)構(gòu)完整，清水浸泡后孔縫結(jié)構(gòu)破壞，孔徑
擴(kuò)大率為70％～100％；在100℃F，巖樣在APD
鉆井液濾液巾浸泡24 h后，室溫測(cè)定zeta電位
為一8．9l mV，清水為_40．48 mV。Fl；{此可見，川
南龍馬溪巖樣水敏性較強(qiáng)，APD鉆井液抑制性良
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第6期趙虎等：烷基糖苷衍生物鉆井液研究及其在頁巖氣井的應(yīng)用25
好，巖樣在其介質(zhì)中浸泡水敏性減弱。
米浸泡APD鉆井液浸泡清水浸泡
I司l長(zhǎng)寧H9．3井龍馬溪組巖樣掃描電鏡圖(5 000×)
2．3潤(rùn)滑性
25℃下不同密度的APD鉆井液極壓潤(rùn)滑系數(shù)
和泥餅黏滯系數(shù)見圖2。由圖2可知，隨著APD
鉆井液密度的提高，其極壓潤(rùn)滑系數(shù)逐漸升高，但
其密度小于2．30∥cm3時(shí)，極壓潤(rùn)滑系數(shù)小于O．10；
泥餅黏滯系數(shù)隨密度變化不大，主要受鉆井液黏度
影響。實(shí)際應(yīng)用過程鉆具摩阻情況受鉆具組合、井
眼軌跡、井眼清潔、泥餅質(zhì)量和流變參數(shù)等多種因
素影響，要綜合考慮。
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圖2不同密度的APD高性能水基鉆_井液潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)
2．4 長(zhǎng)期穩(wěn)定性
對(duì)APD衍生物鉆井液在室溫、100℃下老化
90 d，其鉆井液性能見表2。
表2 APD高性能水基鉆井液老化不同時(shí)間的性能
注：+含15％龍馬溪鉆屑污染。
由表2可知，APD鉆井液在室溫和100℃下
老化90 d后，鉆井液參數(shù)變化較小，表明鉆井液
具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；100℃老化90d(含鉆屑)
后，鉆井液高溫高壓濾失量更低，其他參數(shù)變化較
小，表明鉆井液具有較好的抗長(zhǎng)期污染能力。
3 APD鉆井液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
APD鉆井液在中國(guó)四大頁巖氣示范區(qū)之一的
昭通示范區(qū)黃金壩YSl08H8．5井三三開井段進(jìn)行了
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該井位于四川臺(tái)坳川南低陡褶帶南緣羅
場(chǎng)復(fù)向斜建武向斜西翼。該井目的層為志留系龍馬
溪組(S11)，完鉆井深為4 225 m(垂深為2 539 m)。
水平段長(zhǎng)為1 700m，水平位移為2 140m，應(yīng)用井
段為1 481～4 225 m。設(shè)計(jì)鉆井液密度為1．80～2．10
∥cm3，實(shí)際完鈷密度為1．80∥cm3。鉆井施工順利，
未出現(xiàn)井下復(fù)雜。
3．1鉆井液技術(shù)難點(diǎn)分析
1)頁巖地質(zhì)特性，導(dǎo)致井壁穩(wěn)定難度大。黃
金壩地區(qū)頁巖地層黏土礦物含量為21．5％～31．0％，
zeta電位為_40～一30 mV，分散性較強(qiáng)，易發(fā)生
表面水化，水分子侵入黏土晶層后，導(dǎo)致膠結(jié)強(qiáng)度
降低。石牛欄組及龍馬溪組泥頁巖層理性強(qiáng)、裂
縫發(fā)育，主要縫寬和孔徑為0．5～15．7岬；有機(jī)質(zhì)
微孔隙、黏土礦物層問微孔隙孑L徑分布為O．05～1
岬，致使與流體接觸后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的自吸現(xiàn)象，
使裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通形成宏觀裂縫。鉆井過程
中的機(jī)械破壞和鉆井液長(zhǎng)時(shí)間浸泡地層，超過坍塌
周期，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，多口鄰井及相鄰區(qū)塊井位出
現(xiàn)了鉆具憋停、反復(fù)劃眼等井壁失穩(wěn)問題。
2)頁巖氣井為三維定向水平井，水平段較長(zhǎng)，
潤(rùn)滑防卡難度大。該井三三開段l 475～4 225 m，水
平段長(zhǎng)1 700 m，增斜扭方位段(旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向段)長(zhǎng)
為510 m，最大井斜為85．23。，方位變化為41．5。，
最大狗腿度為9．66。／30 m，井眼軌跡控制難度大。
多口鄰井及相鄰區(qū)塊井出現(xiàn)完井作業(yè)轉(zhuǎn)換為油基鉆
井液，通井遇阻等潤(rùn)滑防卡問題。
3)黃金壩YS l 08區(qū)塊水基鉆井液長(zhǎng)期穩(wěn)定難
度大，井眼清潔要求離。參照鄰井水平段鉆井液
密度約為1．79～l。85∥cm3，泵排量為28～32 L／s。
該條件下隨著鉆井周期的增長(zhǎng)，鉆井液流變參數(shù)和
濾失量兼顧表現(xiàn)突出，中低分子量的聚合物降濾失
劑亦可引起鉆井液黏度和切力值升高，鉆井液在高
黏度層流狀態(tài)下攜巖帶砂效果差，井眼清潔困難，
萬方數(shù)據(jù)
26 鉆井液與完井液2016年H月
后期維護(hù)處理采取大量置換鉆井液，造成鉆井液處
理劑的大量浪費(fèi)。
3．2鉆井液的配制與維護(hù)
3．2．1鉆井液配制
確定現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配方如下。
(4％～7％)APD+(1％～2％)膨潤(rùn)土+(0．】％～
0．3％)XC+(3％～4％)級(jí)配納米一微米級(jí)封堵劑+
(O．5％～l％)降濾失劑+(5％～6％)KCl+(0．1％～
0．2％)KOH+重晶石
使用二開老漿鉆完塞后，鉆進(jìn)至井深1 48l m
完成地破試驗(yàn)后，轉(zhuǎn)換APD水基鉆井液，鉆井液
性能見表3。由表3可知，轉(zhuǎn)換完鉆井液的性能良
好。在1 580～】780 m進(jìn)入石牛欄破碎帶前期補(bǔ)
加封堵劑至7％～8％，并提高密度至1．78∥cm3，
API濾失量為O，高溫高壓濾失量為5 mL。鉆進(jìn)過
程中無掉塊，解決了該井段破碎帶易坍塌問題。
表3 YS 1 08H8—5轉(zhuǎn)換完APD高性能水基鉆井液性錢
p|Fy|P礦|YPi Gcll FL| 。。FL目H0 M8T|?《|
g／cm3 s mPa．s Pa P“Pa mL
pH
mL ∥L mg，L
1．5U 52 22 8．5 l／5．5 2．8 lU 15 14．3 32 OOU
注：心。。測(cè)試溫度為100℃，其他實(shí)驗(yàn)溫度為40℃。
3．2．2鉆井液維護(hù)處理
1)流變性控制和井眼清潔。為了同時(shí)滿足造
斜段的懸浮攜砂和水平段的沖刷帶砂，鉆井液應(yīng)保
持合理的流變性，增斜扭方位井段(應(yīng)用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向
井段)鉆井液的黏度控制在65～80 s，動(dòng)切力為
10～20 Pa，靜切力為5～10 P“15～22 Pa；水平
段黏度控制在55～70 s，動(dòng)切力為6～18 Pa，靜
切力為3～6 P“8～20 Pa。使用Hv_cMC等叮提
高鉆井液黏度；若需要降低鉆井液黏度和切力，可
用含APG和cAPG的稀膠液稀釋；若fi鉆劃眼較
多，叮用Hv-cMC配制稠塞液清砂。
2)濾失量和泥餅質(zhì)量控制。適當(dāng)補(bǔ)充降濾失
劑可降低鉆井液的濾失量，補(bǔ)充APG和cAPG可
改善泥餅質(zhì)量，級(jí)配納米一微米級(jí)封堵劑可降低中
溫中壓濾失量和高溫高壓濾失量。
3)鉆井液的防塌措施。遇到泥巖或泥質(zhì)含量
較高的井段，適當(dāng)提高鉆井液密度。開鉆鉆井液密
度為1．50∥cm3，石牛欄段密度為1．60～1．85∥cm3，
龍馬溪段密度為180～1．85 g／cln”。保持抑制劑濃
度：4％APD+5％KCl(K+含量大于30 000 mg幾)；
保持7％～8％納米一微米級(jí)封堵劑含量，當(dāng)出現(xiàn)
井壁掉塊時(shí)可適當(dāng)提高濃度。
4)潤(rùn)滑防卡措施。APG類產(chǎn)品具有良好的潤(rùn)
滑效果，井斜達(dá)到45。前可滿足定向的需要。但隨
著井斜角的增大、井眼軌跡變化較大及水平段的
加長(zhǎng)，斡靠增加APG提高潤(rùn)滑性不經(jīng)濟(jì)，司、補(bǔ)充
2％～3％極壓潤(rùn)滑劑；完井過程中增加1％～3％
塑料小球保證下套管的順利進(jìn)行。
3．3鉆井液的應(yīng)用效果
在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，鉆井液性能穩(wěn)定、井下安
全、起下鉆暢通、下套管作業(yè)?·次成功，未出現(xiàn)井
卜．復(fù)雜情況，達(dá)到了穩(wěn)定井壁及井F安全的目的。
1)解決了石牛欄破碎帶和龍馬溪破碎帶的坍
塌掉塊問題，鉆井過程中井壁穩(wěn)定，起下鉆通暢，
避免了川南同類井出現(xiàn)的鉆具憋停、反復(fù)劃眼問題；
鉆井液的強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵特性，保障了頁巖地層的
穩(wěn)定，施工中鉆井液性能穩(wěn)定，返出鉆屑完整。
2)保證了高密度下(1．85∥cm3)鉆井液的潤(rùn)
滑性能，定向工具面穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯托壓現(xiàn)象，
起下鉆摩阻30～56 t，優(yōu)于同類井。使用原鉆井液
即可滿足完井作業(yè)要求，通井、下套管順利到底，
避免了部分同類井被迫使用油基鉆井液完井(約占
67％)的問題。
3)鉆井液剪切稀釋性好、攜巖能力強(qiáng)，平均
機(jī)械鉆速達(dá)到6．84 mm，鉆井液性能如表4所示。
三開井段平均機(jī)械鉆速較應(yīng)用油基鉆井液的鄰井提
高了34．4％～65．2％；較應(yīng)用高性能水基鉆井液的
鄰井提高14，6％～】8．8％。
表4 Ys 108H8—5井三開井段鉆井液性能
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P胛a mL pH蟣mL
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第6期趙虎等：烷基糖苷衍生物鉆井液研究及其在頁巖氣井的應(yīng)用27
4結(jié)論及認(rèn)識(shí)
1．APD水基鉆井液為強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵和高效潤(rùn)
滑的島性能水基鉆井液，喲有利于解決頁巖氣水平
井頁巖地層易掉塊垮塌，長(zhǎng)水平段摩阻大、易卡鉆，
井眼清潔困難等技術(shù)難題。
2．APD鉆井液抗污染性能強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，
可避免因鉆井液性能突變導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況。
3．YSl 08H8—5井應(yīng)用APD水基鉆井液后井壁
穩(wěn)定，起下鉆、下套管暢通，避免了同類井應(yīng)用水
基鉆井液鉆井出現(xiàn)的復(fù)雜情況，滿足川南及類似區(qū)
塊頁巖油氣水平井鉆井完井施工要求。
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(收稿日期2016．11_8；HGF=1606Cl；編輯王超)
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