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烷基糖苷衍生物钻井液研究及其在页岩气井的应用

文档作者：赵虎1 龙大清2 司西强1 王善举1 史沛谦1 柳杰正2 吴健1 文档来源： 1．中原石油工程有限公司 2．中原石油工程有限公司西南钻井分公司		点击数：	更新时间： 2024年02月26日
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第33卷第6期
2016年11月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUlD
Vbl．33 No．6
Nov．2016
doj：10．3696／j．issn．100l一5620．2016．06．004
烷基糖苷衍生物钻井液研究及其在页岩气井的应用
赵虎1， 龙大清2， 司西强1， 王善举1， 史沛谦1， 柳杰正2， 吴健1
(1．中原石油工程有限公司钻井+．I：程技术研究院，河南濮阳45700l；2．中原石油工程有限公司西南钻井分公司，成都610021)
趑虎等麓鏊糖静衍哇，物旗劳滚研究覆溪毳爱砻≮_={}姆凌用闭．铀辩液弩毫羚藏，2俐或33(《|；儿23。2彳，
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聚醚簪蓑蒸鎏鬻簿勰锈，拦砑‘?‘辩瓤幄、虢溪鬯雾澜嚣髓餐．(AP(i辩凳子’烧基糖营递：壤在AP(；分孑上引夕、拳铵魏船蒜
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辞l鬻分类鸯：l鼍254．3 文溅拣谈鹦：A 文辇编琴：；瓣i，s巷20 f20i鳓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矿，wu Ji距1
u．Resenrch l凇titule巧Drilling EHgineerin蛋zhon科udn Petmleum Engineering Ltd．，sinopec．Puynng，He陇n 4”响k
2．勋“z^Ⅵ雠fD一，“愕CD唧口砂矿拗D帼7”a玎心细胞“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衔ction aIld drag，pipe sticking aIld di街culties in hole cle绷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够NAPG and CAPG e觑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衔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币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
基金项目：中国博士后科学基金特别资助“钻井液用两性甲基葡萄糖苷的合成及其作用机．理”(2012T50641)、中国博
士后科学基金面上资助“钻井液用糖苷基季铵盐的合成及其抑制机理研究”(20llM501194)和中石化集团公司科技攻关项
目“页岩油气水平井水基钻井液技术研究”(JPl4021)联合资助。
第一作者简介：赵虎，1978年生，高级工程师，毕业于河南大学高分子化工专业，现在从事钻井液体系的研究工作。
电话13839307301；E-mail：zhaohuZjy@126．com。
万方数据
24 钻井液与完井液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“lling and wen completion．
Key words Shale gas；Horizontal well；Bofchole stabilization；AIkyl polyglucoside；Water base drilling fluid
近年来，烷基糖菅(APG)钻井液虽然在润
滑、清砂、降阻方而满足长水平井钻井的需要，但
在应对泥岩或强水敏性页岩地层井壁稳定方面仍存
在问题【l巧】，因此通过分子结构改性，提高其抑制
能力。通过在APG分子上引入季铵盐阳离子基团，
提升抑制性和抗温性等，研发出阳离子烷基糖苷
(cAPG)降”；在APG分子上引入聚醚和胺基基团，
提升抑制性、抗温性和润滑性等，研发出聚醚胺基
烷基糖苷(NAPG)。截至目前，CAPG、NAPG等
产品已在新疆、陕北、内蒙、四川和中原等地区应
刚近50井次哺‘9I，满足了强水敏性泥岩、含泥岩等
易坍塌地层长段水平井开发的需要。针对页岩气长
水平井对钻井液井壁稳定、润滑防卡和携岩带砂等
性能要求高，中原石油工程有限公司自主研发出以
NAPG、CAPG和APG为核心主剂的烷基糖苷衍
生物钻井液体系，简称APD(A1】(yl P01y鲥ucoside
Derivative)钻井液。该钻井液在昭通YSl08H8．5
井进行现场应用并获得成功【l0’1’】。
l APD钻井液配方研究思路
1)以聚醚胺基烷基糖苷NAPG、阳离子烷基
糖苷CAPG为主抑制剂，因分子量的差异在不同
的井段适当调攫加量；作用机理为吸附成膜、嵌入
及拉紧晶层等，可有效降低龙马溪岩屑的zeta电
位绝对值．降低岩屑活性。复配使用Kcl可获得
更高的抑制能力，并兼有灭菌、增强钻井液的长期
稳定等作用。
2)以不同粒度级配(0．03～100岬)纳米．
微米封堵材料和烷基糖苷类小分子增稠剂满足昭通
区块龙马溪页岩微孔微裂缝(主要缝宽和孔径为
0．05～15．7 pm)fl叫的封堵需求，实现快速封堵页
岩地层微孑L缝，阻断压力传递。
3)以APG为主润滑剂，作用机理为分子结构
上的多羟基和一个烷基基团，在钻具、套管表面及
井壁岩石上形成规则排列，并可改善泥饼质量。复
配使用极压润滑剂达到高密度条件下良好润滑性，
保障钻压的有效传递，实现长水平段安全钻井。
4)利用APG类材料的良好协同增效性和对
重晶石的润湿作用可提高降滤失剂的效果，从本质
上解决高密度钻井液流变性控制和稳定性控制的矛
盾，形成流变参数良好的钻井液配方，同时满足造
斜段的悬浮携砂和水平段的冲刷带砂T程需求。
通过对处理剂的优选及配伍性研究，得到优化
钻井液配方，当井斜不小于45。时，少量补充极压
润滑剂，进入水平段后逐渐提高至配方加量。
(4％～7％)APD+(1％～2％)膨润土+(0．1％
～0．3％)xC+(7％～8％)级配纳米．微米级封堵
剂+(O．5％～1．0％)降滤失剂+(5％～6％)KCl+
(0．1％～0．2％)KoH+重晶石+(2％～3％)极压澜
滑剂
2 APD钻井液性能
2．1钻井液基本性能
表l为优化后钻井液的基本性能。由表1可知，
钻井液流变参数合理，API滤失量为0，高温高压
滤失量小于5 mL，能够满足昭通区块地层的需要。
该配方主要采用粒径级配、复合封堵和烷基糖苷类
小分子吸附成膜，形成快速、致密、高强度封堵层。
表1 APD高性能水基钻井液基本性能
注：100。c老化16h，凡。。测试温度为100℃，其他
实验温度为50℃。
2．2井壁稳定能力
在lOO℃下，采用不同介质浸泡长宁H9—3井
水平段龙马溪岩样3 d，扫描电镜见图l。由图l
可知，在APD钻井液中浸泡的岩屑保持片状层理
和微孔结构完整，清水浸泡后孔缝结构破坏，孔径
扩大率为70％～100％；在100℃F，岩样在APD
钻井液滤液巾浸泡24 h后，室温测定zeta电位
为一8．9l mV，清水为_40．48 mV。Fl；{此可见，川
南龙马溪岩样水敏性较强，APD钻井液抑制性良
万方数据
第33卷第6期赵虎等：烷基糖苷衍生物钻井液研究及其在页岩气井的应用25
好，岩样在其介质中浸泡水敏性减弱。
米浸泡APD钻井液浸泡清水浸泡
I司l长宁H9．3井龙马溪组岩样扫描电镜图(5 000×)
2．3润滑性
25℃下不同密度的APD钻井液极压润滑系数
和泥饼黏滞系数见图2。由图2可知，随着APD
钻井液密度的提高，其极压润滑系数逐渐升高，但
其密度小于2．30∥cm3时，极压润滑系数小于O．10；
泥饼黏滞系数随密度变化不大，主要受钻井液黏度
影响。实际应用过程钻具摩阻情况受钻具组合、井
眼轨迹、井眼清洁、泥饼质量和流变参数等多种因
素影响，要综合考虑。
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p链jr渣／L彰om
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图2不同密度的APD高性能水基钻_井液润滑性评价
2．4 长期稳定性
对APD衍生物钻井液在室温、100℃下老化
90 d，其钻井液性能见表2。
表2 APD高性能水基钻井液老化不同时间的性能
注：+含15％龙马溪钻屑污染。
由表2可知，APD钻井液在室温和100℃下
老化90 d后，钻井液参数变化较小，表明钻井液
具有较好的长期稳定性；100℃老化90d(含钻屑)
后，钻井液高温高压滤失量更低，其他参数变化较
小，表明钻井液具有较好的抗长期污染能力。
3 APD钻井液现场试验
APD钻井液在中国四大页岩气示范区之一的
昭通示范区黄金坝YSl08H8．5井三三开井段进行了
现场试验，该井位于四川台坳川南低陡褶带南缘罗
场复向斜建武向斜西翼。该井目的层为志留系龙马
溪组(S11)，完钻井深为4 225 m(垂深为2 539 m)。
水平段长为1 700m，水平位移为2 140m，应用井
段为1 481～4 225 m。设计钻井液密度为1．80～2．10
∥cm3，实际完钴密度为1．80∥cm3。钻井施工顺利，
未出现井下复杂。
3．1钻井液技术难点分析
1)页岩地质特性，导致井壁稳定难度大。黄
金坝地区页岩地层黏土矿物含量为21．5％～31．0％，
zeta电位为_40～一30 mV，分散性较强，易发生
表面水化，水分子侵入黏土晶层后，导致胶结强度
降低。石牛栏组及龙马溪组泥页岩层理性强、裂
缝发育，主要缝宽和孔径为0．5～15．7岬；有机质
微孔隙、黏土矿物层问微孔隙孑L径分布为O．05～1
岬，致使与流体接触后，产生强烈的自吸现象，
使裂缝产生、扩展、贯通形成宏观裂缝。钻井过程
中的机械破坏和钻井液长时间浸泡地层，超过坍塌
周期，导致井壁失稳，多口邻井及相邻区块井位出
现了钻具憋停、反复划眼等井壁失稳问题。
2)页岩气井为三维定向水平井，水平段较长，
润滑防卡难度大。该井三三开段l 475～4 225 m，水
平段长1 700 m，增斜扭方位段(旋转导向段)长
为510 m，最大井斜为85．23。，方位变化为41．5。，
最大狗腿度为9．66。／30 m，井眼轨迹控制难度大。
多口邻井及相邻区块井出现完井作业转换为油基钻
井液，通井遇阻等润滑防卡问题。
3)黄金坝YS l 08区块水基钻井液长期稳定难
度大，井眼清洁要求离。参照邻井水平段钻井液
密度约为1．79～l。85∥cm3，泵排量为28～32 L／s。
该条件下随着钻井周期的增长，钻井液流变参数和
滤失量兼顾表现突出，中低分子量的聚合物降滤失
剂亦可引起钻井液黏度和切力值升高，钻井液在高
黏度层流状态下携岩带砂效果差，井眼清洁困难，
万方数据
26 钻井液与完井液2016年H月
后期维护处理采取大量置换钻井液，造成钻井液处
理剂的大量浪费。
3．2钻井液的配制与维护
3．2．1钻井液配制
确定现场钻井液配方如下。
(4％～7％)APD+(1％～2％)膨润土+(0．】％～
0．3％)XC+(3％～4％)级配纳米一微米级封堵剂+
(O．5％～l％)降滤失剂+(5％～6％)KCl+(0．1％～
0．2％)KOH+重晶石
使用二开老浆钻完塞后，钻进至井深1 48l m
完成地破试验后，转换APD水基钻井液，钻井液
性能见表3。由表3可知，转换完钻井液的性能良
好。在1 580～】780 m进入石牛栏破碎带前期补
加封堵剂至7％～8％，并提高密度至1．78∥cm3，
API滤失量为O，高温高压滤失量为5 mL。钻进过
程中无掉块，解决了该井段破碎带易坍塌问题。
表3 YS 1 08H8—5转换完APD高性能水基钻井液性钱
p|Fy|P矿|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。。测试温度为100℃，其他实验温度为40℃。
3．2．2钻井液维护处理
1)流变性控制和井眼清洁。为了同时满足造
斜段的悬浮携砂和水平段的冲刷带砂，钻井液应保
持合理的流变性，增斜扭方位井段(应用旋转导向
井段)钻井液的黏度控制在65～80 s，动切力为
10～20 Pa，静切力为5～10 P“15～22 Pa；水平
段黏度控制在55～70 s，动切力为6～18 Pa，静
切力为3～6 P“8～20 Pa。使用Hv_cMC等叮提
高钻井液黏度；若需要降低钻井液黏度和切力，可
用含APG和cAPG的稀胶液稀释；若fi钻划眼较
多，叮用Hv-cMC配制稠塞液清砂。
2)滤失量和泥饼质量控制。适当补充降滤失
剂可降低钻井液的滤失量，补充APG和cAPG可
改善泥饼质量，级配纳米一微米级封堵剂可降低中
温中压滤失量和高温高压滤失量。
3)钻井液的防塌措施。遇到泥岩或泥质含量
较高的井段，适当提高钻井液密度。开钻钻井液密
度为1．50∥cm3，石牛栏段密度为1．60～1．85∥cm3，
龙马溪段密度为180～1．85 g／cln”。保持抑制剂浓
度：4％APD+5％KCl(K+含量大于30 000 mg几)；
保持7％～8％纳米一微米级封堵剂含量，当出现
井壁掉块时可适当提高浓度。
4)润滑防卡措施。APG类产品具有良好的润
滑效果，井斜达到45。前可满足定向的需要。但随
着井斜角的增大、井眼轨迹变化较大及水平段的
加长，斡靠增加APG提高润滑性不经济，司、补充
2％～3％极压润滑剂；完井过程中增加1％～3％
塑料小球保证下套管的顺利进行。
3．3钻井液的应用效果
在整个钻进过程中，钻井液性能稳定、井下安
全、起下钻畅通、下套管作业⋯·次成功，未出现井
卜．复杂情况，达到了稳定井壁及井F安全的目的。
1)解决了石牛栏破碎带和龙马溪破碎带的坍
塌掉块问题，钻井过程中井壁稳定，起下钻通畅，
避免了川南同类井出现的钻具憋停、反复划眼问题；
钻井液的强抑制、强封堵特性，保障了页岩地层的
稳定，施工中钻井液性能稳定，返出钻屑完整。
2)保证了高密度下(1．85∥cm3)钻井液的润
滑性能，定向工具面稳定，未出现明显托压现象，
起下钻摩阻30～56 t，优于同类井。使用原钻井液
即可满足完井作业要求，通井、下套管顺利到底，
避免了部分同类井被迫使用油基钻井液完井(约占
67％)的问题。
3)钻井液剪切稀释性好、携岩能力强，平均
机械钻速达到6．84 mm，钻井液性能如表4所示。
三开井段平均机械钻速较应用油基钻井液的邻井提
高了34．4％～65．2％；较应用高性能水基钻井液的
邻井提高14，6％～】8．8％。
表4 Ys 108H8—5井三开井段钻井液性能
：≥X·瀑{p{Fvl Pv|YP|
m ∥cm3 s mPa·s Pa
Gel} FL}。。MBT}FL目口i
P胛a mL pH虮mL
万方数据
第33卷第6期赵虎等：烷基糖苷衍生物钻井液研究及其在页岩气井的应用27
4结论及认识
1．APD水基钻井液为强抑制、强封堵和高效润
滑的岛性能水基钻井液，哟有利于解决页岩气水平
井页岩地层易掉块垮塌，长水平段摩阻大、易卡钻，
井眼清洁困难等技术难题。
2．APD钻井液抗污染性能强、长期稳定性良好，
可避免因钻井液性能突变导致的井下复杂情况。
3．YSl 08H8—5井应用APD水基钻井液后井壁
稳定，起下钻、下套管畅通，避免了同类井应用水
基钻井液钻井出现的复杂情况，满足川南及类似区
块页岩油气水平井钻井完井施工要求。
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(收稿日期2016．11_8；HGF=1606Cl；编辑王超)
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