油基鉆井液及其處理劑研究進展綜述

徐 安 （長江大學石油工程學院，湖北 武漢430100）

岳前升 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

廣義的油基鉆井液，包括礦物油基鉆井液和合成油基鉆井液，是鉆井液體系中的一個大的類型，由于具有強的抑制性、優(yōu)異的潤滑性、熱穩(wěn)定性強以及優(yōu)異的儲層保護性能等特性，因而在油氣勘探與開發(fā)中應用十分廣泛。隨著頁巖氣、深水油氣等開發(fā)在我國逐漸興起，對油基鉆井液的研究正在進一步深入［1］。下面，筆者對國內外油基鉆井液及其處理劑研究進展進行綜述。

1 國內油基鉆井液及其處理劑研究進展

20世紀80年代以來，先后在華北、新疆、中原、大慶等油田使用過油基鉆井液，但由于使用成本和環(huán)境保護問題，再加上國內水基鉆井液技術發(fā)展也非常迅速，導致油基鉆井液應用受到一定程度限制。隨著深水鉆井、頁巖氣鉆井等在我國興起，油基鉆井液又逐步被關注［2］。近20年來，國內油基鉆井液應用主要集中于海上油田以及陸上一些特殊井和高難度井。

1.1 油基鉆井液體系

1）礦物油基鉆井液體系 油基鉆井液體系包括早期的柴油基鉆井液和后來發(fā)展起來的低毒礦物油鉆井液，即白油基鉆井液。國家 “863”項目研制的高溫高密度白油基鉆井液，在葡深1井成功連續(xù)應用160d，性能穩(wěn)定，完鉆后測溫期間承受了14d的井底高溫 （220℃）考驗，圓滿完成了5500m的鉆探任務［3］。國內開發(fā)的強封堵型白油基鉆井液體系，著重降低濾失量和提高封堵能力，成功解決中國南海潿洲油田潿二段和流二段下部硬脆性泥巖地層井壁失穩(wěn)的的技術難題［4］。另外，我國研發(fā)的低劑量油基鉆井液體系，其乳化劑和潤濕劑加量極小，僅占總加量的1.5%～3.0%，鉆井液體系抗溫能力達到180℃，密度可加至2.4g／cm3，可滿足不同基液 （氣制油、白油和柴油）、不同溫度、不同密度和不同油水比的配制要求［5］。環(huán)保型全油基鉆井液體系使用5#白油作為基礎油，其流變性較好，沉降穩(wěn)定，濾失量低，具有較強的抗水侵和抗土污染能力［6］。

2）合成油基鉆井液體系 合成基鉆井液體系主要包括酯基、氣制油和線性α－烯烴基鉆井液。酯類合成基鉆井液已在我國海上SZ36－1油田CF1、C25hf和C26hf 3口水平井中成功應用［7］。氣制油基鉆井液較酯基鉆井液，具有更優(yōu)的流變性和高溫穩(wěn)定性，2005年在渤中25－1油田成功鉆完3口井的?215.9井段，取得了良好效果［8］。針對深水鉆井特點，有學者研制了線性α－烯烴合成基鉆井液體系，其具有優(yōu)良的流變性、抑制性、抗污染性、高溫穩(wěn)定性及電穩(wěn)定性［9］。

1.2 鉆井液處理劑的開發(fā)

近年來，國內在鉆井液處理劑方面開展了許多研究工作，開發(fā)的油基鉆井液處理劑主要包括有機土、主乳化劑、輔乳化劑、潤濕劑、降濾失劑和提切劑等，其中應用最多的是鉆井液降濾失劑，其次是乳化劑、防塌抑制劑、潤濕劑，并在現(xiàn)場應用中取到了顯著效果［10］，但總體上存在處理劑品種較少、加量大等不足。

2 國外油基鉆井液及其處理劑研究進展

國外大型油田服務公司在油基鉆井液研究方面起步較早，配套產品種類齊全，對不同井況和地層均采用不同體系來進行處理，尤其以斯倫貝謝M－I Swaco公司和哈里伯頓Baroid公司為代表，引領了世界油基鉆井液技術發(fā)展方向。

2.1 油基鉆井液體系

1）高溫高密度油基鉆井液體系 高溫高密度油基鉆井液體系具有良好的穩(wěn)定性，在高溫高壓環(huán)境中表現(xiàn)尤為突出。如墨西哥灣、北海等地，井底最高壓力超過110MPa，井底溫度超過200℃，鉆井液密度達2.22g／cm3以上，易出現(xiàn)重晶石沉降問題。針對上述情況，采用一種密度為4.8g／cm3的亞微米顆粒四氧化錳代替重晶石，由此解決加重材料沉降的問題，目前已在北海油田成功應用［11］。M－I公司使用甲酸銫鹽水配制了密度為1.66g／cm3的高密度低固相油基鉆井液，在挪威Statfjord油田進行試驗，創(chuàng)下了北海地區(qū)最快的高溫高壓完井記錄，是一種能將高溫高壓井控問題最小化、單井產量最大化的有效鉆井液體系［12］。

2）高性能無粘土油基鉆井液體系 該鉆井液體系無固相或固相含量極低，有利于提高鉆速，且具備更高的抗污染性、很好的懸浮和井眼清潔能力。Baroid公司研發(fā)的INNOVERT?高性能無粘土油基鉆井液體系，以液體石蠟油和精煉礦物油的混合物作為連續(xù)相，使用油溶聚合物提高鉆井液油相粘度［13］。將該鉆井液體系應用于北海地區(qū)傾角70°的長距離水平井后，提高了機械鉆速，顯著降低了井下?lián)p失①History H C.INNOVERT? Oil－based Mud Provides Cost Savings on Sub－h(huán)orizontal（70°）Well.2010.。Halliburton公司研發(fā)的“Clay－Free INTEGRADETMDiesel－Based Drilling System”無粘土柴油基鉆井液體系，既無有機土，也無改性褐煤，固相含量低，具有聚合物鉆井液體系的特性，其密度易控，比一般油基鉆井液使用效果更好［14］。

3）微粉加重油基鉆井液體系 微粉加重油基鉆井液體系很好地解決了鉆井過程中重晶石沉降問題，并提高了濾失性能，減少了鉆井事故的發(fā)生。第一個應用微粉加重材料的低毒礦物油油基鉆井液體系是由M－I Swaco公司研發(fā)的低毒礦物油油基鉆井液體系，該體系中微粉加重重晶石尺寸僅是普通重晶石的十分之一，在北海南部、挪威Statfjord油田得到成功應用②M－I SWECO Performance Report.Oil－Base WARP Fluid Maintains HTHP Well Stability in First Offshore Norway Application.2006.。Baroid公司研發(fā)的新型油基MBS（微細重晶石）鉆井液體系，以烷烴／礦物油為基油，加重材料采用強力抗沉降的微細重晶石，該體系具有低粘度、低流變性、低扭矩和懸浮穩(wěn)定性好等特點③Halliburton Cementing.Hi－Dense? Weight Additives.2007.。

4）恒流變合成基鉆井液體系

恒流變油基鉆井液體系使用少量的有機土，并配合使用聚合物類增粘劑，隨著溫度的變化，有機土和增粘劑對粘度起互補 （抵消）的作用［15］。另外，使用一種溫度活化型表面活性劑，可與低濃度的有機土相互作用達到增粘的目的。該體系流變穩(wěn)定性較好，可解決隨著溫度和其他井底環(huán)境改變而引起的井底清潔能力下降、環(huán)空當量循環(huán)密度過大、重晶石沉降和井漏等問題。

5）可逆轉乳化油基鉆井液體系 可逆油包水乳化鉆井液體系使用一種特殊的可逆轉表面活性劑，在不同的酸堿性條件下會有不同的性能，能使油包水鉆井液和水包油鉆井液相互轉化［16］。在堿性條件下，HLB值較小，形成油包水乳狀液；與酸接觸后，HLB值增大，形成水包油體系［17］。該鉆井液體系可直接排放鉆屑，固井質量好，可以很好地保護油氣層。同時，其鉆井性能穩(wěn)定，流體容易控制，巖屑親油且不結團，與傳統(tǒng)的油基鉆井液抑制性能十分相近［18］。

6）零濾失油基鉆井液體系 BP公司配制出一種濾失量幾乎為零的油基鉆井液，即零濾失油基鉆井液［19］。該體系以標準低粘礦物油為基液，鹽液為CaCl2溶液，采用常規(guī)油基鉆井液添加劑。在大多數(shù)情況下，油水比為80／20，乳化劑組合為標準乳化劑／潤濕劑配方，增粘劑為標準有機土，個別配方中還采用細粒粘土來模擬鉆井顆粒。由于該體系具有很低的濾失量，因而能大大改善鉆井液的性能，從而減少油氣層損害。

2.2 鉆井液處理劑的開發(fā)

國外鉆井液處理劑研究自20世紀80年代開始進入快速發(fā)展階段，以含磺酸基的合成聚合物為基礎的油基鉆井液處理劑分為21類，共有1046個產品［20］。近年來，國外研制出一種復合陽離子表面活性劑CCS，將其添加至油基鉆井液后，不僅可有效地減少鉆屑表面所吸附的油量，同時還具有改善流變性和降濾失的作用［11］。研發(fā)的一種油溶性聚合物顆粒降濾失劑，在油基鉆井液和合成基鉆井液中均具有較好的溶解性和抗溫能力，在濾失過程中，聚合物顆粒能在外部形成薄且易變形的濾餅，在內部濾餅中聚合物顆粒將會封堵地層孔隙，從而降低鉆井液濾失量［21］。美國M－I有限公司研發(fā)的一種用于油基泥漿的降濾失劑，由白雀木與反應性胺等親有機性物種縮合反應生成，降濾失性能良好［20］。Kirsner等［22］研制了一種既可以作為鉆井液的乳化穩(wěn)定劑又可以作為降濾失劑的產品。該產品可以減少2／3的乳化劑用量，而且不用額外添加通常的降濾失劑，還可以提供額外的電荷穩(wěn)定性。Thaemlitz等［23］研發(fā)了一類無規(guī)三元共聚物，可以在高溫高壓至少連續(xù)運轉16h的情況下有效保持鉆井液的流變穩(wěn)定性并達到降濾失的作用，因而可以用作頁巖抑制劑。

3 結 語

隨著頁巖氣、深水油氣的開發(fā)在我國逐漸興起，對油基鉆井液的研究正在進一步深入。與國外大型油氣田技術服務公司相比，我國在油基鉆井液體系及處理劑品種等方面存在著明顯差距。為此，國內應加強高效環(huán)保的抗溫及低粘高切油基鉆井液技術研究，以滿足油氣勘探開發(fā)對鉆井液的要求。

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