井壁失稳是钻井工程中常遇到的井下复杂情况之一[1-5]。苏里格气田水平井斜井段钻遇多个泥页岩层位, 由于岩层具有各向异性的层理和纹理结构，抗拉强度较弱易坍塌[1-7]。对大斜度井段岩屑分析，认为伊利石-蒙脱石混合黏土水化膨胀和石英、伊利石的剥落掉块是造成井壁不稳的两个主要因素。通过加入无机盐，提高水相的矿化程度，平衡钻井液水相与地层流体的渗透压差，发挥有机盐的包被絮凝，从而抑制泥页岩吸水膨胀稳定页岩。
OFI 900型旋转黏度计、OFI 173-00-1型滚子炉、OFI 170-50-1型高温高压动态滤失仪、OFI 170-20型高速搅拌器、OFI线性动态页岩膨胀仪、离心机，OFI公司(OFI testing company)；钻井液润滑性分析仪DLA-1, 青岛海通达专用仪器厂；Zeta电位仪，Horiba公司；标准筛, 航空机械厂；天平、移液管。
无机钾盐CP-1、有机钾盐KP-A，西安长庆科技有限公司；膨润土、烧碱、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素，长庆化工集团；黄原胶，淄博中轩生物有限公司；四苯硼酸钠、溴酚蓝、季铵盐(十六烷基三甲基溴化铵)，天津化学试剂有限公司。
(1) 钻井液性能评价实验。按GB/T 16783.1-2006《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分:水基钻井液》评价CP-1水溶液流变性能。
(2) 吸附实验。按GB/T 16783.1-2006中钾离子含量测定方法，将不同质量分数的CP-1加入到一定浓度的膨润土浆中，搅拌并充分溶解吸附，用化学滴定方法测定吸附前后滤液中钾离子的含量，吸附前后钾离子浓度差为该条件下的钾离子吸附量即CP-1的吸附量。
吸附实验结果见表 1和表 2。随CP-1质量分数增加，黏土对其吸附量逐渐增加；在CP-1质量分数相同时，随黏土含量增大，对CP-1的吸附量也在逐渐增加。随着pH值升高，黏土对CP-1的吸附量增加，主要是在碱性环境氢易解离，使粘土表面负电荷增加；此外，溶液中OH-的增多，它以氢键的形式吸附于黏土表面，也使黏土表面负电荷增多，从而阳离子的吸附也增强，导致钾离子的吸附量增加[8]。
热滚后，CP-1的吸附量没有发生显著变化，基本维持在热滚前的吸附水平(表 2)。说明黏土对CP-1的吸附量受温度的影响甚微。
对CP-1吸附性评价实验表明，在水基钻井液中，含有钾离子的无机抑制剂CP-1与黏土有很好的结合能力和吸附能力。吸附量随CP-1质量分数的增加而增加，对黏土抑制水化膨胀的作用增强。
分别在不加KP-A和固定KP-A质量分数0.1%条件下测其溶液的页岩回收率。实验说明聚合物抑制剂KP-A加入到不同质量分数的CP-1溶液中，其页岩一次回收率都大幅度提高；CP-1的质量分数超过8%以上，其回收率基本趋于稳定，说明CP-1的适宜质量分数应选择在8%左右；页岩二次回收率也随CP-1量的增加而增加，说明利用复合抑制剂浸泡后的井壁仍然稳定。
从表 4可以看出，由于电解质的加入压缩双电层，所以随着CP-1质量分数逐渐增大, 黏土晶体颗粒的ξ电位逐渐减小；在其质量分数超过8%后, 黏土晶体颗粒的ξ电位降低呈现平缓趋势，是因为双电层不能被继续压缩[8]。因此，适宜的CP-1质量分数为7%左右。
在含有有机盐和无机盐的复合抑制剂水溶液中，通过页岩回收实验(宏观)和ξ电位(微观)两个方面对复合抑制剂的抑制性能进行评价研究，发现复合抑制剂的浓度增加到一定值时，其抑制能力不再随浓度增加而增加。溶液中的钾离子已经在黏土晶体表面吸附饱和，使黏土晶体表面离子交换处于动态平衡[8]。
复合聚合物钻井液体系的基本配方：0.2%(w)NaOH+7.0%(w)无机钾盐防塌剂CP-1+0.3%(w)有机钾盐防塌剂KP-A+0.3%(w)提切力剂ASV-Ⅱ+0.3%(w)PAC-HV+0.5% (w)PAC-LV+3.0%(w)润滑剂JN301。性能：密度:1.05 g/cm3；PV: 66~80 mPa·s；YP: 30~40Pa；FL: 4~6 mL。
对钻井液体系进行抗温性的评价试验，结果见表 5。由表 5可看出，随温度升高，钻井液的其他性能变化不明显，但黏度损失率随温度升高变化在增大，110 ℃时黏度损失率为26.3%，120 ℃的黏度损失率为36.2%，130 ℃热滚后黏度损失率仍低于50%；然而温度从130 ℃升高至140 ℃，黏度损失率由不到50%突然增至80%以上，表明新体系在130 ℃以内，黏度损失率较低，可以满足钻进要求。到130 ℃，黏度损失率突然上升，说明体系抗温在130 ℃左右。
页岩线性膨胀率实验按SY/T 5613-2000《泥页岩理化性能试验方法》和SY/T 6335-1997《钻井液用页岩抑制剂评价方法》进行。无机抑制剂CP-1加料质量分数为7%、8%和9%，有机抑制剂KP-A加料质量分数为0.1%、0.2%和0.3%，交叉复配，分别测其页岩膨胀率，结果见图 1。实验表明，随着抑制剂的量的减小，页岩的吸水膨胀降低率都在逐渐减小，当CP-1质量分数为7%，KP-A质量分数为0.1%时，页岩膨胀降低率最低也达到73%左右。因此，CP-1质量分数在7%~9%，KP-A质量分数在0.1%~0.3%时，体系都有较强的抑制性，能满足现场的实际要求。
按SY/T 6094-1994《钻井液用润滑剂评价程序》测定不同侧向力条件下扭矩评价体系的润滑性能。当JN301润滑剂加量0.3%~0.5%时, 扭矩/摩擦系数略有上升，而后随着加量增加，表现出比较好的润滑效果。60N侧向力时扭矩降低到最低15.29 N·cm, 扭矩/摩擦系数最大降低率为13.6%；120 N侧向力时扭矩/摩擦系数最大降低率为17.9%。说明选用JN301作为体系的润滑剂，质量分数在3%以内，体系具有良好的润滑性能。
通过加重材料提高钻井液的密度，从力学角度防止坍塌，是行之有效的一种方法[1-5, 9]。实验用钻井液加入14%的重晶石粉加重后，静置一夜，测上部钻井液密度基本无变化，加入润滑剂后，钻井液润滑性改善，未发现沉淀，热滚(125 ℃×16 h)后也无沉淀(试验用两个平行样)(见表 6)。
该钻井液体系在靖平011-16井、靖平51-8井、苏5-1H井、桃7-9-5AH、桃7-9-19H井、靖平12-6井、双平2井和苏36-7-19井等井的斜井段进行了成功的应用，降低了稳定井壁的平衡密度，使用防塌钻井液后，稳定井壁的钻井液密度从1.35 g/cm3降低至1.30 g/cm3。应用井段无大的掉块，返出岩屑形状规整，没有出现水化或分散迹象；起下钻顺畅，多次电测均一次成功，下套管作业顺利，效果良好(表 7)。
(1) 通过CP-1吸附性评价实验，含有钾离子的无机抑制剂CP-1与黏土有很好的结合能力和吸附能力，对黏土抑制水化膨胀的作用增强。
(2) 复合盐体系具有较强的抑制防塌性能、较高的抗温性能、良好的润滑性能和非常好的悬浮携砂性能，能够满足泥岩坍塌井段的钻进要求。
(3) 当膨润土质量分数为2%、4%和6%时，CP-1质量分数在10%以上时，吸附还没有达到饱和。建议钻井液体系应尽可能地维持较低的阳离子交换容量MBT(CEC)，以降低钾离子的消耗量。并且还发现，当KP-A质量分数固定在0.1%不变，随着CP-1质量分数逐渐增大, 其黏土晶体颗粒的ξ电位比没有KP-A更低，表明在使用CP-1的同时，加入0.1%的KP-A有机抑制剂，抑制效果更佳。
2013, Vol. 42 Issue (2): 173-176
2013, Vol. 42 Issue (2): 173-176