常规水基钻井液在钻遇富含黏土矿物的泥页岩地层时，由于泥页岩水化膨胀易导致地层造浆、井壁失稳。钻井液用泥页岩抑制剂JXA-1是一种两亲型的有机阳离子酰胺聚合物，室内证明该抑制剂具有良好的抑制性能和抗盐抗钙性能，JXA-1的加入降低了岩心的线性膨胀率，同时JXA-1与水基钻井液的配伍性良好，介绍了其在2口井的成功应用，为页岩气水基钻井液钻井提供了一种新的抑制剂。 When conventional water-based drilling fluid encounters shale formation rich in clay minerals, it is easy to cause mud formation and wellbore instability due to hydration and expansion of shale. JXA-1, a kind of amphiphilic organic cationic amide polymer, is a shale inhibitor for drilling fluid. It has been proved that JXA-1 has good inhibition performance, salt resistance and calcium resistance. The addition of JXA-1 reduces the linear expansion rate of the core, and the compatibility of jxa-1 with water-based drilling fluid is good. The successful application of JXA-1 in two wells is introduced, which provides a new inhibitor for drilling of shale gas water-based drilling fluid.
张亚萍1，吉永忠2，贺彬2，唐冰1，贺祥峰3，宋波1，宋勋1
1成都西油华巍科技有限公司，四川 成都
2川庆钻探工程有限公司国际工程公司，四川 成都
3天津工业大学，天津
收稿日期：2020年3月30日；录用日期：2020年4月23日；发布日期：2020年4月30日
常规水基钻井液在钻遇富含黏土矿物的泥页岩地层时，由于泥页岩水化膨胀易导致地层造浆、井壁失稳。钻井液用泥页岩抑制剂JXA-1是一种两亲型的有机阳离子酰胺聚合物，室内证明该抑制剂具有良好的抑制性能和抗盐抗钙性能，JXA-1的加入降低了岩心的线性膨胀率，同时JXA-1与水基钻井液的配伍性良好，介绍了其在2口井的成功应用，为页岩气水基钻井液钻井提供了一种新的抑制剂。
关键词 :水基钻井液，抑制剂，配伍性，现场应用
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在油气钻井过程中，泥页岩地层井壁失稳这一世界性难题一直困扰着广大石油工程技术人员。因井壁失稳引起的井塌、缩径不仅会导致起下钻遇阻、卡钻、扭矩增大、憋泵等井下复杂问题，甚至会造成钻具掉落、井眼轨迹偏斜或整口井的报废。随着近年来国家对页岩气资源勘探开发力度的加大，井壁稳定问题面临着更严苛的挑战。尽管目前页岩气钻井通常使用油基钻井液来缓解井壁失稳现象，但是从经济开发效益以及环境保护的角度考虑，具有强抑制性和优良环保性的水基钻井液势必成为今后的发展方向 [
本文评价并成功的应用了一种水基钻井液用泥页岩抑制剂JXA-1，该抑制剂可有效提高井浆抑制性能，钻进期间各项性能保持稳定，井眼通畅，未发生井下复杂问题，具有推广应用价值。
图1. JXA-1作用机理图
如图1，JXA-1是一种不同分子量的有机阳离子型酰胺聚合物的复合物，具有两亲(亲油、亲水)结构。低分子量聚合物利用其氨基吸附和阳离子置换效应，镶嵌在粘土层间阻止表面水化；大分子聚合物利用氨基和酰胺基多点吸附，使疏水链包被在粘土表面，从而降低岩石表面的亲水性，使其变得憎水，形成稳定的疏水微区。该疏水微区能有效地阻止自由水与岩石(粘土)表面接触及向粘土内部渗透，从而有效地抑制粘土水化 [
选择了氯化钠、氯化钙、氯化钾、石膏和甲酸钾等常用的盐类抑制剂，配制以下盐水溶液，对侏罗系沙溪庙组棕红色泥岩岩屑进行滚动回收试验，对比评价蒸馏水和不同盐水溶液中加入2% JXA-1的抑制性变化。实验条件为：120℃滚动加热16 h。其中二次滚动回收试验是将一次回收所获的岩屑烘干后，放入清水中进行第二次滚动加热实验，所获得的烘干岩屑质量除以一次回收前称取的岩屑总质量为二次清水回收率。实验结果见表1。
1#：蒸馏水 + 50 g岩屑；
2#：蒸馏水 + 2.0% JXA-1 + 50 g岩屑；
3#：15% NaCl盐水 + 50 g岩屑；
4#：15% NaCl盐水 + 2.0% JXA-1+50 g岩屑；
5#：2% CaCl2盐水 + 50 g岩屑；
6#：2% CaCl2盐水 + 2.0% JXA-1+50 g岩屑；
7#：7% KCl盐水 + 50 g岩屑；
8#：7% KCl盐水 + 2.0% JXA-1 + 50 g岩屑；
9#：10% HCOOK盐水 + 50 g岩屑；
10#：10% HCOOK盐水 + 2.0% JXA-1 + 50 g岩屑；
11#：1% CaSO4盐水 + 50 g岩屑；
12#：1% CaSO4盐水 + 2.0% JXA-1 + 50 g岩屑。
| 配方 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# | 9# | 10# | 11# | 12# |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一次滚动回收率，% | 17.44 | 98.36 | 25.00 | 99.12 | 16.76 | 97.36 | 18.28 | 97.14 | 21.54 | 99.00 | 19.60 | 98.72 |
| 二次(清水)滚动回收率，% | 12.46 | 96.50 | 14.34 | 88.86 | 12.74 | 92.36 | 13.02 | 94.74 | 13.92 | 95.98 | 13.00 | 88.98 |
表1. JXA-1在单一介质中的回收率
试验结果如表1显示，JXA-1加入淡水和盐水中的岩屑滚动回收率都大幅度提高，且二次清水回收率几乎没有降低。表明该页岩抑制剂不仅抑制性强，还有较强的抗盐抗钙性能，而且吸附能力强，在淡水中不会因解吸引起二次清水回收率降低。
按下述配方配制复合盐水溶液，进行滚动回收试验，评价JXA-1在混合介质中的抑制性。一次滚动回收、二次清水回收的试验条件和试验方法与3.1相同。试验结果见表2。
1#：7% KCl + 10% HCOOK；
2#：7% KCl + 10% HCOOK + 2.0% JXA-1；
3#：1% CaSO4 + 7% KCl；
4#：1% CaSO4 + 7% KCl+2.0% JXA-1；
5#：1% CaSO4 + 10% HCOOK；
6#：1% CaSO4 + 10% HCOOK + 2.0% JXA-1；
7#：1% CaSO4 + 10% HCOOK + 7%KCl；
8#：1% CaSO4 + 10% HCOOK + 7%KCl + 2.0% JXA-1。
| 配方 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 一次滚动回收率，% | 26.58 | 98.34 | 27.20 | 97.38 | 16.87 | 99.80 | 23.40 | 99.08 |
| 二次(清水)滚动回收率，% | 17.24 | 95.90 | 14.66 | 94.74 | 13.00 | 92.74 | 14.00 | 94.76 |
表2. JXA-1在混合介质中的回收率
试验表明，JXA-1在复合盐水仍然能大幅度提高对泥页岩的抑制性，能适应较为复杂的介质环境。
配制密度为1.4 g/cm3聚合物钻井液，考察JXA-1在钻井液中的抑制性效果(表3)。
1#：聚合物钻井液；
2#：聚合物钻井液 + 1.0% JXA-1；
3#：聚合物钻井液 + 2.0% JXA-1；
4#：聚合物钻井液 + 7% KCl；
5#：聚合物钻井液 + 7% KCl +1.0% JXA-1；
6#：聚合物钻井液 + 7% KCl + 2.0% JXA-1。
| 配方 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 一次滚动回收率，% | 88.00 | 87.62 | 94.26 | 82.36 | 92.16 | 99.10 |
| 二次(清水)滚动回收率，% | 8.60 | 53.81 | 61.75 | 13.45 | 52.73 | 67.15 |
表3. JXA-1在聚合物钻井液中的回收率
随JXA-1的加入和加量增大，聚合物钻井液一次回收率有明显提高，二次清水回收率更加显著，表明JXA-1在低固相钻井液中具有良好的抑制性。
采用侏罗系沙溪庙组棕红色泥岩岩粉制岩芯，在淡水和聚合物钻井液中进行线性膨胀试验，见图2。
1#：蒸馏水；
2#：蒸馏水 + 2.0% JXA-1；
3#：聚合物钻井液；
4#：聚合物钻井液 + 2.0% JXA-1。
图2. 线性膨胀量试验
加入JXA-1后岩心膨胀率降低，抑制提高；JXA-1与聚合物钻井液中的包被剂有协同作用，能进一步增强聚合物体系防膨率。
试验方法为：取两块泥岩岩石，将其切成同样的大小，并将表面磨平，热风吹干。其中一块用2.0%的JXA-1溶液浸泡10秒钟，用热风吹干。用滴管分别在两块岩石的表面滴一滴自来水，观察泥岩表面被自来水润湿铺展情况(图3)。
图3. 泥岩表面的润湿性变化效果图
图3显示，未作任何处理的岩石表面表现为强烈的亲水特性，自来水滴在上面很快被浸湿；而用2.0%的JXA-1溶液浸泡过的岩石表面亲水性大大改变，表现出疏水特性，自来水滴能较长时间保持水滴状态，不会浸湿岩石。JXA-1的这种特性，可将亲水的岩石表面变为憎水表面，能有效阻止钻井液润湿岩石表面，防止滤液侵入泥页岩孔隙、裂隙中，引起深部水化膨胀和水化分散，起到稳定井壁作用。
配制两份密度为均2.1 g/cm3的聚合物水基钻井液，其中一份加入2.0%的JXA-1，于120℃下滚动加热16 h，冷却后测试其性能。结果见表4。
| 钻井液配方 | 密度/ g/cm3 | AV/ mPa·s | PV/ mPa·s | G’/G’’/ Pa/Pa | API/ mL | 泥饼厚度/ mm | 一次滚动回收率/ % | 二次滚动回收率/ % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 钻井液 | 2.10 | 41 | 36 | 2/4 | 1.6 | 3.1 | 86.13 | 12.36 |
| 钻井液 + 2.0% JXA-1 | 2.10 | 42 | 36 | 2/4 | 1.7 | 3.0 | 98.12 | 73.01 |
表4. JXA-1与水基钻井液的配伍性试验
试验表明，JXA-1与该聚合物水基钻井液体系配伍性良好，对性能无不良影响。
Jor-101D井是土库曼斯坦阿姆河右岸召拉麦尔根气田的一口定向开发井，设计井深3425 m，最大井斜52.8˚。二开使用444.5 mm钻头钻至井深970 m，层位为谢农阶组，岩性为灰绿色泥岩，水敏性极强。在氯化钾聚合物钻井液中开始进行JXA-1现场试验。第一次加量为钻井液的1.5%共使用4吨。后续钻进中，维持JXA-1的含量为1.5%，使用3.5吨。历时一个月，共使用7.5吨JXA-1顺利钻至完井深1769 m。
在使用JXA-1的过程中，钻井液实钻性能优良稳定，流变性好，粘切适中，滤失量较低(表5)；井眼通畅，返出岩屑清爽、出井的钻头无泥包；钻井中未发生明显的垮塌现象，井眼规则。
| 钻井液配方 | Φ6/ mPa·s | Φ3/ mPa·s | AV/ mPa·s | PV/ mPa·s | G’/G’’/ Pa/Pa | API/ mL | 泥饼厚度 /mm | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Jor-101D井井浆 | 1 | 0.5 | 19 | 16 | 0.5/5.0 | 4.7 | 6.2 | 7.5 |
| Jor-101D井井浆 + 1.5% JXA-1 | 2 | 1 | 21 | 17 | 1.0/6.0 | 4.5 | 6.2 | 7.5 |
表5. JXA-1与Jor-101D井井浆的配伍性实验
Hojg-101D井处在地质情况更加复杂的C区块霍贾古尔卢克气田。二开钻入地层谢农阶组中下部，在上水罐直接补充JXA-1达到循环总量的1.5%，提高聚合物钻井液密度至 1.35 g/cm3。后续的钻进过程中，根据日常消耗按量补充JXA-1。
使用JXA-1后，返出岩屑PDC钻头切屑痕迹明显，棱角分明，无水化现象。取谢农阶钻屑，长时间用井场水浸泡后，切屑痕迹依然清晰可见，不松散。随着井深的增加，马氏漏斗粘度逐步上提，但是钻井液始终保持了低切力，且稳定，确保了优良的携砂和井筒清洁能力。二开井段性能参数见表6。
| 性能 | ρ g/cm3 | FV/s | YP/Pa | G’/G’’/ Pa/Pa | API/mL |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 1.15~1.35 | 45~72 | 3.5~7 | 0.5~1.5/1.5~4 | 2.2~5 |
表6. Hojg-101D井二开井段性能参数
现场应用表明，钻井液用泥页岩抑制剂JXA-1与聚合物钻井液配伍性好，对钻井液流变性能影响小，对滤失量无明显的影响；加入JXA-1后，钻井液抑制性更强，能有效控制泥岩水化膨胀缩径、水化分散造浆和井壁失稳垮塌。
1) 钻井液用泥页岩抑制剂JXA-1是一种具有强抑制性的有机胺类页岩抑制剂，具有双亲的特性，能使亲水的岩石表面润湿反转，在岩石表面形成一层疏水膜，阻止自由水侵入，实现抑制作用，能降低由于泥岩段水化膨胀、分散造浆或垮塌引起的阻卡问题。
2) 室内试验评价表明，JXA-1在清水、盐水以及聚合物钻井液中均具有良好的抑制性，可将岩屑表面由亲水转变成疏水，体现出良好的疏水抑制性能。
3) 现场应用2口井。钻进期间，钻井液性能稳定，抑制效果突出，保证了井壁稳定，携砂作用明显，保证了井眼清洁，可推广使用。
张亚萍,吉永忠,贺 彬,唐 冰,贺祥峰,宋 波,宋 勋. 一种钻井液用泥页岩抑制剂JXA-1的评价及应用 Evaluation and Application of Shale Inhibitor JXA-1 for Drilling Fluid[J]. 矿山工程, 2020, 08(02): 206-212. https://doi.org/10.12677/ME.2020.82028