钻井液与完井液杂志

钻井液与完井液杂志2024年第6期

• 改善固井水泥石力学性能的研究进展

  田磊聚,朱海金,卢海川,侯薇,步玉环

  水泥石良好的力学性能对保证水泥环密封完整性具有重要意义。近年来，随着非常规油气资源日益成为油田增产稳产的主力，随着储气库开发和建设的不断深入，固井水泥石需要更好的力学性能才能满足复杂油气井密封完整性的需求。针对国内外改善水泥石力学性能的研究现状开展了调研，系统性阐述了当前改善固井水泥石力学性能的方法、材料及生效机理，着重介绍了超高性能混凝土对改善油井水泥力学性能的启发，以及纳米纤维、纳米管和晶须等材料的最新研究进展，为今后提升油井水泥石力学性能研究提供借鉴。

• 塔里木万米科探井垮塌机理研究及技术对策

  刘锋报,孙金声,尹达,罗绪武

  针对塔里木油田台盆地区超深、特深地层井壁失稳机理研究不足、认识不清等难题，对目标地区志留系、奥陶系和寒武系5595～10 900 m露头岩石开展了系列研究。分析得出，地层发育平均尺寸在300～800 nm之间的微纳孔缝为钻井液侵入提供了有利通道，导致压力传递、提高了地层坍塌压力；水和油在泥岩表面接触角分别为5.8°和5.3°，在灰岩表面接触角分别为42.5°和15.6°；泥岩吸水率为2.74%、吸油率为3.63%，灰岩吸水率为1.42%、吸油率为2.14%；志留系和桑塔木泥岩、阿瓦塔格泥质白云岩在水中的滚动回收率分别为86.3%、92.9%和98.2%，灰岩和白云岩滚动回收率基本为100%，部分地层由于水化分散造成岩石内聚力强度降低，这些均是导致井壁失稳的主要机理。根据井壁失稳机理，使用抗超高温高效微纳米封堵剂及抗超高温抗盐聚合物降滤失剂，并构建一套特深井防塌水基钻井液体系，通过强化钻井液的封堵性，降低钻井液滤失量、减少钻井液侵入，降低地层坍塌压力；通过提高钻井液的抑制性，减少地层水化分散，提高岩石内聚力强度，实现解决塔里木深部复杂地层井壁失稳的难题。

• 裂缝性致密变质岩气藏钻井液漏失损害机理

  游利军,邹俊,康毅力,白瑞婷,刘玉明,谭伟雄,李鑫磊

  裂缝性致密储层基块岩样致密、天然裂缝发育，钻井液漏失易诱发储层损害，堵塞孔喉与裂缝，降低储层渗流能力，阻碍油气井稳产。以渤海湾盆地某区块潜山裂缝性致密变质岩储层为研究对象，开展了流体敏感性、钻井液动态损害、钻井液滤饼承压评价实验，明确了钻井液的动态损害程度和滤饼承压能力，分析了储层流体敏感损害机理。结果表明：储层基块强盐敏、中等偏弱碱敏和弱水敏；钻井液固相颗粒粒度与储层裂缝开度不配伍导致固相颗粒侵入储层深部堵塞裂缝造成储层损害，钻井液体系对裂缝宽度在150 μm及以下的裂缝具有良好的封堵效果，对300 μm及以上的裂缝封堵效果较差；裂缝性致密变质岩储层黏土矿物和重矿物发育，钻井液漏失导致黏土矿物水化膨胀和微粒运移，与重矿物反应生成氢氧化铁沉淀加剧储层损害。变质岩储层应强化300 μm及以上宽度裂缝保护，重视变质岩与工作液作用诱发的储层损害，最后提出了地层损害保护措施。

• 悬浮稳定关键材料及超高温长效稳定油基钻完井液

  谢涛,张磊,杜明亮,李文龙,李治衡,刘海龙

  针对超高温且长时间下油基钻完井液空间网架结构强度不足导致的携带和悬浮固相能力差的难题，研发了双亲性多嵌段聚合物提切剂HT-TQ和油溶性小分子凝胶剂HT-CB两种抗超高温悬浮稳定关键材料，其中HT-TQ可提高基础乳液的动切力和低剪切速率黏度，HT-CB可提高静切力；优选了海泡石纤维作为悬浮增效剂，与HT-TQ、HT-CB相互协同，可进一步改善乳液超高温热滚后的流变性，提升空间网架结构强度。以上述3种悬浮稳定材料为核心，优选配套处理剂，构建了一套超高温长效稳定油基钻井液，抗温达240 ℃、连续超高温热滚5 d后黏度保持率大于78%，动切力大于5 Pa、低剪切速率切力大于3 Pa，且高温高压流变性良好；以此为基础，使用复配重晶石作为加重材料，构建了一套超高温长效稳定油基完井液，抗温达240 ℃、超高温静置10 d后不分层且无硬性沉降，沉实度小于1.2 N。研究成果可为深层、超深层油气高效钻完井流体提供技术支撑。

• 聚合物纳米复合增黏剂的制备

  宋祥先,王本利,仇恒彬,慕熙荣,谢彬强

  针对目前常用的钻井液增黏剂在高温高盐下增黏性能较差，无法适用于高温深部储层的问题，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N，N-二乙基-2-丙烯酰胺（DEAM）、N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和改性纳米SiO2颗粒（E-np）为原料，通过原位聚合制备了一种高温增稠性能良好的纳米复合材料E-APNC。通过正交实验对合成条件进行了优化，使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确定了E-APNC的分子结构，考察了E-APNC的增黏性能、抗剪切性能、耐温性能和耐温抗盐性能。通过24 h的静置实验，考察了nps、N-np、和E-np的分散性，E-np具有更好的分散性。研究结果表明，在常温下1%加量的E-APNC溶液表观黏度达66 mPa·s，与APNC相比具有良好的增黏性能；加量为1%、剪切速率为1021 s?1的E-APNC溶液黏度可达60 mPa·s；在20%NaCl溶液中，200 ℃老化16 h后，E-APNC溶液的表观黏度保持率达65%。与聚合物APNC和N-APNC相比，E-APNC具有更好的抗剪切性能与耐温抗盐性能。

• 钻井液用自适应堵漏材料的研制

  夏海英,杨丽,陈智晖

  针对堵漏过程中易漏地层特征掌握不准确，现场堵漏材料自适应能力差，易造成堵漏效果不佳和堵漏后发生重复性漏失的情况。通过可变形材料的优选，同时利用现有刚性堵漏材料的特点，研制出一种具有较好抗压能力和弹性的自适应堵漏材料，抗温达170 ℃，69 MPa压力下可变形不破碎，压力去除后回弹率达80%，与钻井液配伍性好，形成的自适应堵漏配方能够对1～6 mm的变化缝宽形成有效封堵，漏失少，承压能力达6 MPa。

• 基于DDMP-GWO融合的气侵早期监测方法

  王建龙,于志强,郭云鹏,邓兵,杨洋洋,杨建永,郑锋

  气侵早期监测对于保障钻井安全至关重要，一旦监测不及时，可能造成井喷、人员伤亡等重大钻井事故。针对目前传统泥浆池增量法预警滞后性强，井下随钻监测法时效性高，但功能单一的现状，提出了一种能够同时实现气侵早期定性识别和定量解释的新方法。分析了气侵时环空流体流速变化规律，构建了气侵风险指数(Gas kick risk index, KRI)，并推导了KRI与气体体积分数间的映射关系；进一步基于井下双测点压差(Difference between downhole dual measurement points pressure, DDMP)，结合灰狼优化算法(Grey wolf optimization, GWO)，构建了环空流体流速实时计算方法；利用气侵模拟场景，分析了气侵早期监测方法的稳定性和有效性。研究结果表明，气侵时环空流体流速整体呈增加趋势，可作为检测气侵的关键特征参数，环空气体体积分数与KRI呈线性关系。环空流体流速计算误差随着两测点距离的逐步增加呈现先减小后增大的趋势，受压力和温度测量误差的影响较小。该方法气侵预警滞后时间为13.8 min，环空气体体积分数反演误差小于10%，不仅能够较早检测到气侵，还能够为井控工艺设计提供环空含气率关键参数，而此时泥浆池增量仅为0.017 m3，泥浆池液位无明显变化。

• 基于微米CT的钻井液浸泡复兴陆相页岩裂缝扩展演化

  林德举,何淼,周胜璇,许明标,周长铖

  通过微米CT扫描技术对复兴陆相页岩高温浸泡前后裂缝表征及演化进行量化分析，开展了膨润土浆、Nanodrill水基钻井液和白油基钻井液浸泡不同时间的CT扫描实验，并分析了不同钻井液对裂缝演化的影响。研究发现，凉高山组岩样中裂缝更为发育，不同钻井液对裂缝扩展的抑制效果有明显差异，随着浸泡时间的增加，膨润土浆浸泡10 d后岩样中最大层位裂隙占比为12.9%，明显高于白油基钻井液的6.13%，而水基介于两者之间。结合微观电镜实验研究了岩样浸泡前的裂缝开度分布，并对比得到浸泡10 d后的裂缝开度增长率，膨润土浆最大为61.6%，Nanodrill水基钻井液其次为52.1%，白油基钻井液最低为39.8%。进一步对裂缝长度分布进行量化统计得出，膨润土浆浸泡后，岩样中长度在50～100 μm的大尺度微裂缝数量明显增多，而Nanodrill水基钻井液与白油基钻井液浸泡后岩样中大尺度裂缝数量基本不变。白油基钻井液对页岩裂缝扩展的抑制效果最好，Nanodrill水基钻井液次之，膨润土浆效果最差。研究成果对复兴区块陆相页岩地层高效安全钻井作业提供参考。

• 巴彦河套区块地层理化性质及钻井液优化策略

  李高峰,王建宁,王秀影,罗平亚,刘鹭,白杨,付志勇

  巴彦油田地层条件复杂，存在漏失、垮塌、卡钻等井下问题，影响了钻进效率。通过X射线、电镜和粒度分析等方法研究易失稳地层岩样的岩性、微观形貌和粒度分布。确定井壁失稳主要原因为钻井液对地层中微纳米裂缝的封堵能力不足导致滤液侵入使得临河组盐岩及石膏溶解剥落。因此针对上述情况，引入适用于巴彦油田失稳层位微裂缝的自研微纳米刚性封堵材料矿物树脂微粉XNZD系列及高分子柔性改性石蜡XNEP，以此来提高现场钻井液的封堵性能；引入自研胺基类复合物抑制剂XNYZ配合甲酸钾或有机盐提高钻井液抑制性能。研究表明，优化后的钻井液在缝宽为0.03 mm下的封堵滤失量降低了98%，线性膨胀率降低了82.9%，提高了现场钻井液体系的封堵性及抑制性，为巴彦河套临河区块复杂地层高效钻进提供了重要的技术支撑。

• 一种固井前置液冲洗效率的评价方法

  何斌斌,柳华杰,张汝涛,张军义,张洪旭,殷慧,吴桐

  固井前置液的冲洗效率是影响固井质量的关键因素之一，合理的前置液冲洗效率评价方法及实验对象是优选前置液配方及用量的关键。针对目前前置液评价方法无法客观、真实反应实钻井壁的冲洗效果这一问题，以制作的含有不同深度孔洞的岩心作为改进后的实验对象，模拟实钻凹凸不平的井壁，借助磁力搅拌器模拟前置液冲洗井壁的全过程，构建了一种前置液冲洗效率的评价方法，并验证了该评价方法的合理性。结果表明：该前置液冲洗效率评价方法模拟了实钻井壁凹凸不平的真实情况，考虑了钻井液、隔离液中重晶石粉在实钻井壁孔洞内、表面的滞留、吸附对冲洗效率的影响，评价结果更客观，能够更真实地反应前置液的冲洗效果，可为前置液配方优化及用量设计提供技术参考和依据。利用该评价方法，评价了不同密度、不同接触时间条件下冲洗隔离液的冲洗效率，实验结果可重复性强，可以客观、真实地反应冲洗剂的性能。借助该评价方法，对东海某气田固井前置液配方及用量进行了优化改进，优化后前置液冲洗效率可达97%，固井质量较应用前提升10.3%。

• 一种全温域聚合物缓凝剂

  田野,王义昕,赵军,宋维凯,于天帅,王贺宁

  针对传统链状聚合物缓凝剂规律性差、中低温易超缓凝、强度发展缓慢的技术难题，根据缓凝剂作用机理、通过优化分子结构设计，在2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和衣康酸（IA）基础上引入苯乙烯磺酸钠（SSS）单体和长链疏水缔合单体TAS-24，制备出一种新型四元聚合物缓凝剂C-R45L，并通过红外光谱和水泥浆性能评价对其进行了研究。研究结果表明：缓凝剂C-R45L具有良好的缓凝效果，在加量为4%、温度为210 ℃的下稠化时间可达到347 min；在高温及中低温下都具有良好的规律性，不仅适用于高温条件，也可应用于中低温固井；对水泥石抗压强度无不利影响，中低温及顶部强度发展快，具有良好的大温差性能，适用于长封固段固井。缓凝剂C-R45L在古探1井成功应用，固井质量优良。

• 分散聚合法制备固井降失水剂及性能研究

  邹亦玮,王义昕,朱思佳,宋维凯,罗宇维,汤雨霖

  针对水溶液聚合以及反相乳液聚合的弊端，首次报道了一种通过分散聚合制备固井降失水剂C-FL72L的方法。其中，以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、富马酸(FA)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)为聚合单体，季戊四醇三烯丙基醚(APE)为交联剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP-K30）为稳定剂，固含量为33%。对分散聚合的反应动力学进行了考察，反应4 h转化率可达98.9%。通过红外光谱测试、热重分析、高效液相色谱分析、凝胶渗透色谱分析等表征手段，表明所有单体充分且完全聚合，降失水剂耐温超过300 ℃，分子量可达77.2万。对样品在水泥浆中的应用性能进行了评价，在210 ℃下，可将失水控制在50 mL以内，水泥浆流变性能、稠化性能、抗压强度等水泥浆综合工程性能良好。并对使用新合成方法制备的降失水剂的作用机理进行了探讨。降失水剂C-FL72L在高密度、低密度、树脂、胶乳、盐水等功能水泥浆体系中综合应用性能优异，有着广阔的应用前景。

• 钻井液降滤失剂与水泥浆接触污染机理及防止对策

  杨兆亮,刘森,沈欣宇,罗越耀,张玉婷

  为了解决钻井液对低密度水泥浆的污染问题，必须掌握钻井液处理剂对水泥浆的微观结构、聚集稳定性等性能的影响。选用性能显著的钻井液用抗高温降滤失剂LS-2A作为研究对象，采用单因素分析法研究了LS-2A对水泥浆的性能影响。实验研究表明，LS-2A中的羧酸、羟基、磺酸基官能团会与水泥浆中的Ca2+发生交联生成絮凝物，使水泥石水化产物形成胶凝网状结构，凝胶包裹吸附水泥浆中的自由水，降低水泥浆流动性，抑制水泥浆的早期水化反应速度，降低水泥石的抗压强度。针对LS-2A引起的污染问题，通过双1，6-亚己基三胺五甲叉膦酸（BHMTPMPA）与氧化锌（ZnO）以质量比3∶1复配而成一种抗污染剂。掺入5%抗污染剂后水泥浆流动度由14 cm提升至24 cm。在205 ℃×130 MPa×110 min条件下，水泥浆与钻井液的混合浆体（7∶3）的稠化时间仅51 min，未能满足固井要求。而使用了抗污染剂后的水泥浆、钻井液、隔离液（7∶2∶1）的混浆稠化时间大于300 min。BHMTPMP与ZnO通过与水泥浆中Ca2+反应，在水泥颗粒表面形成保护膜并产生电性斥力作用，成功解决了LS-2A造成的水泥浆污染问题，并在蓬深6井注水泥塞固井施工中成功应用。

• 深层煤层气返排液用无固相一体化悬浮液的研究

  张瀚,李小江,朱卫平,徐栋,孟令鹏,贾振福

  由于深层煤层气压裂液返排液矿化度高、成分复杂、难以重复，而目前的悬浮液基压裂液体系固含量较高，易对致密煤层造成严重伤害。因此，该研究以油溶性聚合物ZL-1作为稳定剂，白油作为溶剂，依次添加聚丙烯酰胺减阻剂AE，激活剂异丙醇，转相剂OPE-10，配制无固相一体化悬浮液。利用单因素控制变量法确定各组分种类筛选，并结合正交实验，确定悬浮体系配方为65%白油、1.3%稳定剂、3.25%转相剂、0.455%激活剂、30%减阻剂。评价了悬浮压裂液的综合性能。测试结果表明，在200 g/L矿化度下，无固相悬浮液配制压裂液比与传统含膨润土稳定剂的悬浮液压裂液的表观黏度增加了40%，通过SEM与Zeta电位及纳米粒度分析仪证明：无固相悬浮压裂液的致密层片状结构，具有更好的耐盐屏蔽效应。此外，无固相悬浮压裂液破胶后无残渣，对煤样渗透率的平均伤害率小于15%，可成功应用于深层煤层气高矿化度返排液重复配液。

• 一体化生物复合乳液及在碳酸盐岩体积加砂压裂中的应用

  胡艾国,林波,严向阳,李克智,杜良军,吴洋,陈恒

  针对碳酸盐岩体积加砂压裂的难点，以减阻剂速溶、高效增黏和在线变黏一体化为出发点，将小分子改性生物单体与丙烯酰胺、水解度控制单体、微电荷单体等接枝共聚，引入相关功能助剂，制备出有效含量高、功能复合的一体化生物复合乳液，构建高减阻强携砂压裂液体系并制定针对性的用液方案、工艺优化，实现碳酸盐储层控缝高、造复杂缝网、控黏增砂、充分改造的目标。该乳液有效含量、水解度、分子量分别控制在30%左右、40%～50%、1200～1300万，微电荷单体2.0%和小分子生物单体0.6%时性能最优，溶解时间低于20 s，3 min增黏率达90%以上，CAC1，CAC2分别为1.79 g/L、3.89 g/L；对压裂液综合性能评价表明：低黏液、中黏液、高黏液降阻率分别可达75%、70%、60%以上，降阻率保持率96%以上；高黏液、中黏液在110 ℃、170 s?1 剪切 90 min后黏度分别保持在45～50 mPa·s、20～25 mPa·s；中黏液（0.4%）黏弹性表征Tanδ<0.4就具有良好的携砂性能，支撑剂沉降速率低至0.1 cm·s?1；压裂液破胶液黏度低于3 mm2/s，表面张力27 mN/m以下，残渣含量低至20 mg/L以下。该技术在鄂尔多斯盆地碳酸盐岩井进行体积加砂压裂先导实验及规模化应用超过30井次，液体性能稳定，加砂完成率95%以上，取得了良好的增产效果，为致密碳酸盐岩开发提供了强有力的技术手段。

• 一种抗钙盐性能优异的吸附型酸化缓速剂

  蒋琪,王鹏祥,全红平

  为增强储层酸化改造效果，利用磺酸盐单体(MS)、丙烯酰胺（AM）、烯丙基聚氧乙烯醚（APEG-2400）、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵（DMAAC-18）制备一种吸附型酸化缓速剂。通过单因素实验筛选出最佳合成条件：单体配比n(AM)∶n(MS)∶n(DMAAC-18)∶n(APEG-2400) = 90∶5∶1∶4，单体浓度为35%，引发剂加量为1.0%，反应温度为50 ℃，反应时间为5 h。使用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）表征缓速剂的结构，结果表明与预期产物相符。在缓速剂加量为1.3%时，缓速率达到81.56%，并且表观黏度保持在3 mPa·s，具备优异的低黏性能。同时酸化缓速剂在110 ℃下的缓速率超过83%，拥有良好的抗温性能。酸化缓速剂与助排剂、铁离子稳定剂和缓蚀剂之间的配伍性好，不会出现沉淀絮凝，缓速酸体系缓速效果较好。抗氯化钙能力可达70000 mg/L，在350 ℃的高温下，质量损失只有17.59%，热稳定性良好。扫描电子显微镜（SEM）测试结果表明，缓速剂在岩石表面成功吸附并形成了一层致密的吸附膜。

• 低压气井水侵伤害及解堵液体系研究与应用

  廖云虎,林科雄,贾辉,罗刚,郑华安,任坤峰

  南海D气田低压气井存在较为严重的水侵伤害问题，通过岩屑膨胀率实验、岩心水敏伤害实验、水锁伤害预测、岩心水侵驱替实验以及三维CT扫描分析等手段目标低压气井水侵伤害进行了研究，明确了水侵伤害的程度。通过对水侵防治剂和新型复合有机酸HWCP的性能评价及优化，结合缓蚀剂、防水锁剂和黏土稳定剂等处理剂，研制了一套适合海上低压气井水侵伤害治理的解堵液体系。研究结果表明：凝析水对低渗岩心的水敏伤害较为严重，水锁损害程度预测结果为弱～中等偏弱。储层天然岩心存在比较严重的水侵伤害现象，当驱替压力为0.5 MPa，驱替时间为180 min时，饱和地层水和凝析水的两块岩心水侵伤害率分别为59.76%和69.67%。解堵液体系具有较低的表面张力、良好的防膨效果和缓蚀性能、较强的水侵伤害解除能力，天然岩心注入水侵防治剂和解堵液后，驱替180 min后的渗透率恢复值可达100%以上。解堵工作液体系在南海D气田A9hSa井进行了现场应用，成功解除了水侵伤害，该井产气量从3.3×104 m3/d提升到9.0×104 m3/d以上，取得了良好的现场应用效果。