新型全油基鉆井液體系

李建成，楊鵬，關(guān)鍵，孫延德，匡緒兵

（中國石油長城鉆探公司工程技術(shù)研究院鉆井液所）

0 引言

隨著中國復(fù)雜地質(zhì)條件下深井、超深井勘探開發(fā)的不斷深入以及頁巖氣開采規(guī)模的不斷擴大，由于鉆完井液問題造成的井下復(fù)雜情況與事故不斷增多[1-4]。全油基鉆井液具有抑制性強、潤滑性能好、抗污染能力強、熱穩(wěn)定性能好等特點，能有效抑制泥頁巖水化膨脹，減少井壁垮塌、縮徑等復(fù)雜情況的發(fā)生[5-6]，因而適用于高溫高壓深井、大位移水平井、頁巖氣井等鉆井過程，可有效防止水敏性地層井壁失穩(wěn)，能最大限度地保護水敏性油氣儲集層[7-8]。本文通過對全油基鉆井液中有機土、降濾失劑的研制，自主研發(fā)新型全油基鉆井液體系，并應(yīng)用于蘇里格地區(qū)小井眼側(cè)鉆水平井的施工。

1 油基鉆井液用有機土及降濾失劑的研制

1.1 有機土

有機土在鉆井液中主要起增黏提切、降濾失的作用，其性能好壞直接影響鉆井液的流變性和濾失造壁性[9]。

1.1.1 制備

有機土是由不同結(jié)構(gòu)的季銨鹽或其他具有離子交換能力的有機改性劑與鈉基膨潤土發(fā)生陽離子交換而制得的。有機膨潤土的合成方法通常有濕法、預(yù)凝膠法和干法 3種。干法是將含水的精選鈉基膨潤土與有機季銨鹽等改性劑直接混合，用專門的加熱混合器混合均勻，再加以擠壓，制成含一定量水分的有機膨潤土。干法合成操作簡單、生產(chǎn)效率高[10]。

本文采用十六、十八烷基等長碳鏈的季銨鹽作為有機改性劑，通過改性制備出用于全油基鉆井液的有機土?；静襟E為：將精選鈉基膨潤土和預(yù)先配制好的有機改性液直接混合，用專門的加熱混合器混合均勻，在一定溫度下反應(yīng)；反應(yīng)一定時間后，加入有機化增強劑，繼續(xù)反應(yīng)一定時間；反應(yīng)完畢后，研磨、粉碎、包裝，得到全油基鉆井液用有機土GW-GEL。

1.1.2 性能評價

表1為不同溫度下熱滾16 h后有機土GW-GEL性能，可以看出：隨著溫度的升高，白油基有機土漿的膠體率基本不變，表觀黏度和動切力逐漸增加；升溫至 200 ℃之后，有機土的膠體率、表觀黏度和動切力均保持不變。因此，有機土GW-GEL具有良好的抗高溫性能。

表1 熱滾溫度對GW-GEL性能影響

1.2 油基降濾失劑

全油基鉆井液濾失量的控制要難于逆乳化鉆井液濾失量的控制，而濾失量的控制關(guān)系到全油基鉆井液的性能和成本控制。目前國內(nèi)研發(fā)的油基鉆井液降濾失劑多為腐殖酸改性產(chǎn)品，對全油基鉆井液的降濾失效果不理想。因此，本文研制了油溶性多元共聚物降濾失劑GW-OFLⅠ。

1.2.1 設(shè)計思路

油基降濾失劑的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)使其具有良好的油溶性、分散性、抗溫性及對有機土粒子的吸附性。因此主要考慮以下幾點：①最好含有苯環(huán)剛性單體，具有良好的耐溫性；②具有合理的分子量和分子結(jié)構(gòu)特征；③對有機土粒子具有較強的吸附能力；④應(yīng)為低毒或無毒產(chǎn)物，不對環(huán)境造成污染；⑤在全油基鉆井液中有良好的配伍性[11]。

1.2.2 合成步驟

將褐煤類單體A與鏈調(diào)節(jié)劑加入反應(yīng)器中，混合均勻，再加入胺類單體 B，混合均勻。加熱到一定溫度后，加入還原劑，混合均勻后，緩慢加入氧化劑，進行聚合反應(yīng)。在一定溫度下反應(yīng)一定時間，反應(yīng)完成后，得到中間品。加入防老化劑和隔離劑，過濾后進行干燥、粉碎、包裝，得到油基降濾失劑GW-OFLⅠ。

1.2.3 性能評價

油基降濾失劑 GW-OFLⅠ為合成油溶性高分子聚合物。這類降濾失劑是通過對油基鉆井液中游離油相的吸附和高分子的封堵而起到降濾失作用，在降低濾失量的同時還有明顯的增黏效果。

表2為 GW-OFLⅠ加量對濾失量的影響（基礎(chǔ)配方為白油+3.0% GW-GEL+1.5%天然瀝青粉+0.5%CaO+3.0% CaCO3），可以看出：GW-OFLⅠ加量在0.6%時已有明顯的降濾失效果，且隨著加量的增加，濾失量顯著降低，2.0%的加量已可滿足降低濾失量的要求。

表2 GW-OFLⅠ加量對濾失量的影響

表3為GW-OFLⅠ與國內(nèi)外不同廠家生產(chǎn)的同類型降濾失劑對比實驗結(jié)果（基礎(chǔ)配方為白油+3.0%GW-GEL+0.5% CaO+3.0% CaCO3，降濾失劑加量均為2.0%），可以看出：GW-OFLⅠ比其他幾種降濾失劑的降濾失效果更好，API濾失量、高溫高壓濾失量較低，流變性較好，可滿足全油基鉆井液對濾失量控制的要求。

表3 GW-OFLⅠ與國內(nèi)外處理劑性能對比

圖1為GW-OFLⅠ抗溫性能評價結(jié)果（樣品配方為白油+3.0% GW-GEL+2.0% GW-OFLⅠ+0.5% CaO+3.0% CaCO3），可以看出：隨著溫度的升高，濾失量變化不大，且在 200 ℃時仍然具有較強的降濾失效果，說明 GW-OFLⅠ具有較好的抗溫能力，抗溫可達200 ℃。

圖1 GW-OFLⅠ抗溫性能評價

2 全油基鉆井液體系配方

全白油基鉆井液體系主要由有機土、激活劑、降濾失劑、潤濕劑、乳化劑等組成。選用茂名 5#白油作為基油，使用有機土 GW-GEL、激活劑控制鉆井液的流變性，使用降濾失劑 GW-OFLⅠ控制鉆井液的濾失量。通過研究各組分加量對體系性能的影響確定各組分的加量，從而確定鉆井液體系的配方。

2.1 有機土GW-GEL加量

以白油+0.4%激活劑+2.0% GW-OFL+1.0%Ⅰ乳化劑+1.0%潤濕劑+0.5% CaO+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）為基礎(chǔ)配方，考察有機土加量對鉆井液性能的影響（見表4），熱滾條件為150 ℃下熱滾16 h。由表4可知：GW-GEL對全油基鉆井液流變性影響較大，隨著GW-GEL加量的增加，體系穩(wěn)定性逐漸增強，高溫高壓濾失量逐漸降低；當(dāng) GW-GEL加量為 3%～4%時，全油基鉆井液具有良好的流變性及較低的濾失量。因此確定有機土GW-GEL加量為3%～4%。

表4 GW-GEL加量對鉆井液性能的影響

2.2 降濾失劑GW-OFLⅠ加量

以白油+3.0% GW-GEL+0.4%激活劑+1.0%乳化劑+0.5% CaO+1.0%潤濕劑+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）為基礎(chǔ)配方，考察 GW-OFLⅠ加量對鉆井液性能的影響（見表 5），熱滾條件為 150 ℃下熱滾16 h。由表5可知：隨著GW-OFLⅠ加量的增加，體系A(chǔ)PI濾失量和高溫高壓濾失量降低；當(dāng) GW-OFLⅠ加量為2%時，體系高溫高壓濾失量可滿足要求，流變性能較好。因此確定降濾失劑GW-OFLⅠ加量為2%。

表5 GW-OFLⅠ加量對鉆井液性能的影響

2.3 乳化劑加量

以白油+3.0% GW-GEL+0.4%激活劑+2.0%GW-OFLⅠ+1.0%潤濕劑+0.5% CaO+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）為基礎(chǔ)配方，考察不同加量乳化劑對全油基鉆井液性能的影響（見表6），熱滾條件為150 ℃下熱滾16 h。由表6可知：隨著乳化劑加量的增加，鉆井液的表觀黏度和動切力有所下降，且體系的API濾失量有所降低。因此確定乳化劑加量為0～1%。

2.4 潤濕劑加量

以白油+3.0% GW-GEL+0.4%激活劑+2.0%GW-OFLⅠ+1.0%乳化劑+0.5% CaO+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）為基礎(chǔ)配方，考察不同加量潤濕劑對全油基鉆井液性能的影響（見表7），熱滾條件為150 ℃下熱滾16 h。由表7可知：在未加入潤濕劑的情況下，由于重晶石含量高且表面為水潤濕，因此鉆井液的流變性變化非常明顯；加入 1.0%潤濕劑后，重晶石顆粒表面發(fā)生了潤濕反轉(zhuǎn)，從而使重晶石顆粒均勻分散在油相中，整個體系趨于穩(wěn)定，熱滾后沒有沉降現(xiàn)象；隨著潤濕劑加量的增加，體系性能變化不大?，F(xiàn)場應(yīng)用中，隨著鉆屑不斷侵入，需及時補充潤濕劑以防止體系惡化，因此確定潤濕劑加量為1%～2%。

表6 乳化劑加量對體系性能的影響

表7 潤濕劑加量對鉆井液性能的影響

2.5 全油基鉆井液體系配方及基本性能

綜上可確定全油基鉆井液的基本配方：白油+3.0%～4.0% GW-GEL+0.3%～0.5%激活劑+2.0%GW-OFLⅠ+0～1.0%乳化劑+1.0%～2.0%潤濕劑+0.5%CaO+3.0% CaCO3+重晶石。其基本性能見表8（熱滾條件為150 ℃下熱滾16 h）。

表8 全油基鉆井液基本性能

3 全油基鉆井液體系性能評價

3.1 沉降穩(wěn)定性

配制密度為1.70 g/cm3的全油基鉆井液，在150 ℃條件下滾動16 h，再置于燒杯中靜止24 h，測量燒杯中鉆井液的上下密度差，評價鉆井液的沉降穩(wěn)定性。實驗結(jié)果顯示，上部密度為 1.69 g/cm3，下部密度為1.71 g/cm3，密度差為0.02 g/cm3，未出現(xiàn)基油析出的現(xiàn)象，表明該鉆井液具有較強的沉降穩(wěn)定性。

3.2 抗污染性能

室內(nèi)評價了密度1.5 g/cm3全油基鉆井液的抗劣質(zhì)土污染和抗水污染性能（熱滾條件為150 ℃下熱滾16 h），實驗結(jié)果見表9和表10。

由表 9可知，全油基鉆井液具有良好的抗土污染能力，污染后體系的表觀黏度和動切力略有升高，這主要是由于土侵導(dǎo)致固相含量升高，因此施工中應(yīng)加強固控設(shè)備的使用，保證較低的固相含量。由表10可知，隨著水侵量的增加，體系表觀黏度基本不變，濾失量略有降低，說明鉆井液具有較強的抗水污染性能。但是，隨著水侵量的增大，體系的破乳電壓降低，因此施工中避免使用水沖洗振動篩等，防止鉆井液性能變化。

表9 全油基鉆井液抗土污染性能評價

表10 全油基鉆井液抗水污染性能評價

3.3 抗溫性能

將密度為1.5 g/cm3和2.0 g/cm3的全油基鉆井液分別在不同溫度下熱滾16 h，測定其流變性能。結(jié)果（見圖2、圖3）表明：隨著溫度升高，鉆井液流變性能良好，說明其具有較強的熱穩(wěn)定性，抗溫可達200 ℃。

圖2 密度1.5 g/cm3全油基鉆井液的抗溫性能

圖3 密度2.0 g/cm3全油基鉆井液的抗溫性能

測試了密度2.0 g/cm3全油基鉆井液的高溫高壓流變性能，結(jié)果（見表11）表明：密度2.0 g/cm3的全油基鉆井液在溫度100～200 ℃時性能穩(wěn)定，黏切適中，觸變性良好，不易發(fā)生加重劑沉降，高溫性能能夠滿足要求。

表11 密度2.0 g/cm3全油基鉆井液高溫高壓流變性能

3.4 抑制性能

對清水、全油基鉆井液、硅酸鹽鉆井液、聚合物鉆井液及KCl聚合物鉆井液進行了泥頁巖（渤海灣盆地遼河地區(qū)東營組灰綠色泥頁巖）滾動回收實驗，在120 ℃下熱滾16 h，滾動回收率分別為32.4%、98.6%、84.3%、87.2%和 85.4%，說明全油基鉆井液具有良好的抑制性。

3.5 潤滑性能

考察了全油基鉆井液的潤滑性能，并與硅酸鹽鉆井液、聚合醇鉆井液及KCl聚合物鉆井液的潤滑性能進行了對比。結(jié)果表明：全油基鉆井液、硅酸鹽鉆井液、聚合醇鉆井液和KCl聚合物鉆井液的泥餅黏滯系數(shù)分別為0.067 5、0.113 9、0.096 3和0.113 9，全油基鉆井液泥餅黏滯系數(shù)最小，說明其具有優(yōu)良的潤滑性能。

3.6 儲集層保護性能

采用高溫高壓動態(tài)失水儀模擬鉆井條件下儲集層的動態(tài)污染，評價全油基鉆井液的儲集層保護性能。結(jié)果（見表 12）表明，儲集層巖心污染后，其滲透率恢復(fù)值均在 90%以上，說明全油基鉆井液具有優(yōu)良的儲集層保護性能。

表12 全油基鉆井液室內(nèi)模擬損害評價

4 全油基鉆井液對硬脆性泥巖的微觀影響

選取蔡司ΣIGMA HD/VP高分辨率場發(fā)射掃描電鏡對硬脆性泥巖、水處理的硬脆性泥巖、全油基鉆井液處理的硬脆性泥巖進行分析（見圖4），放大倍數(shù)均為2×104倍。從圖4可以看出：未經(jīng)處理的原樣在電鏡下顯示分散性的片狀結(jié)構(gòu)，層理比較清晰，周圍有刺狀延展，其中微裂縫較小且較多；經(jīng)過水處理的泥頁巖樣片狀結(jié)構(gòu)較聚集，層理更清晰，微裂縫逐漸增大且數(shù)量變少，邊緣的刺狀延展更為明顯；全油基鉆井液處理樣的孔隙和微裂縫減少，層理性變差，片狀結(jié)構(gòu)聚集，分散度降低，且片狀結(jié)構(gòu)小塊邊緣變光滑，無刺狀延展，說明白油填補了泥頁巖中大部分微裂縫，并在一定程度上起到潤滑作用，能夠有效減少水化黏土礦物有效成分作用，抑制井壁失穩(wěn)。此外，水處理樣比油處理樣在電鏡下更明亮，這是由于水處理樣中導(dǎo)電性物質(zhì)更少，即當(dāng)量水化黏土礦物更多，則水處理樣比油處理樣更容易水化。

圖4 電鏡掃描狀態(tài)

5 全油基鉆井液現(xiàn)場試驗

蘇10-32-45CH小井眼側(cè)鉆水平井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北側(cè)，目的層為石盒子組盒 8段。該地區(qū)部分水平井采用水基鉆井液鉆井時，常出現(xiàn)垮塌、掉塊、卡鉆等現(xiàn)象。主要原因有：石盒子組巖性以硬脆性泥巖為主；水平段往往鉆遇大段泥巖，且地層應(yīng)力大，易發(fā)生力學(xué)失穩(wěn)，使井眼凈化和潤滑防卡難度增大；小井眼循環(huán)壓耗大，排量偏低，不利于攜巖；排量過大，容易誘發(fā)井漏[12]。結(jié)合地質(zhì)概況及鉆井施工難點，將全油基鉆井液應(yīng)用于蘇10-32-45CH井，該井裸眼段長1 282 m、水平段長700 m，設(shè)計開窗井深3 000 m、完鉆井深4 230 m。

表13為蘇10-32-45CH井鉆進過程中全油基鉆井液性能，可以看出鉆井液具有較好的流變性、潤滑性、電穩(wěn)定性及沉降穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場施工要求。

表13 蘇10-32-45CH井鉆井過程中鉆井液性能

使用全油基鉆井液的蘇10-32-45CH井水平段未發(fā)生井壁坍塌，井壁相對穩(wěn)定，鉆成Ф118 mm小井眼側(cè)鉆水平井，水平段長700 m，順利鉆達設(shè)計井深。而使用水基鉆井液的鄰近蘇10-34-46CH井多次發(fā)生因黏土水化膨脹導(dǎo)致的起下鉆遇阻、遇卡，最終導(dǎo)致部分裸眼進尺報廢。說明全油基鉆井液能夠很好地抑制泥頁巖水化膨脹，從而穩(wěn)定井壁。

圖5 起出鉆頭磨損情況

圖 5是鉆進時起出完成進尺的鉆頭，可以看出，鉆頭主力齒及側(cè)齒無崩壞、磨損小，說明全油基鉆井液具有良好的潤滑性能，可延長鉆頭使用壽命。

表14為蘇10-32-45CH井與蘇10-34-46CH井鉆進數(shù)據(jù)，可以看出：與水基鉆井液相比，采用全油基鉆井液鉆進時鉆壓、泵壓更低，而平均機械鉆速更高。

表14 蘇10-32-45CH井與蘇10-34-46CH井鉆進數(shù)據(jù)對比

蘇10-32-45CH井水平段施工中，全油基鉆井液密度為 1.08～1.12 g/cm3，井壁較穩(wěn)定，而鄰近蘇10-32-46CH井水基鉆井液密度為1.15～1.25 g/cm3，仍發(fā)生垮塌。因此，使用全油基鉆井液可在較低密度下實現(xiàn)安全鉆進。

6 結(jié)論

自主研發(fā)的全油基鉆井液有機土、降濾失劑性能優(yōu)良、配伍性好。

通過研究有機土、激活劑、降濾失劑、潤濕劑、乳化劑等組分的加量對全油基鉆井液性能的影響，確定了全油基鉆井液體系的配方。體系基本性能良好，具有較強的沉降穩(wěn)定性和良好的抗污染性能、抗溫性能、抑制性能、潤滑性能，儲集層保護效果好。

將全油基鉆井液應(yīng)用于小井眼側(cè)鉆水平井，結(jié)果表明：全油基鉆井液性能穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場施工要求；具有良好的潤滑性能，可延長鉆頭使用壽命；使用全油基鉆井液鉆進時井壁穩(wěn)定性較好，可在較低密度下實現(xiàn)安全鉆進，且比使用水基鉆井液鉆進時平均機械鉆速高。

[1] 王中華. 頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點及選用原則[J]. 中外能源, 2012, 17(4): 43-46.Wang Zhonghua. Difficulty and applicable principle of the drilling fluid technology of horizontal wells for shale gas[J]. Sino-Global Energy, 2012, 17(4): 43-46.

[2] 鄢捷年. 鉆井液工藝學(xué)[M]. 東營: 石油大學(xué)出版社, 2001:236-250.Yan Jienian. Drilling fluid technology[M]. Dongying: Petroleum University Press, 2001: 236-250.

[3] 宣揚, 蔣官澄, 李穎穎, 等. 基于仿生技術(shù)的強固壁型鉆井液體系[J]. 石油勘探與開發(fā), 2013, 40(4): 497-501.Xuan Yang, Jiang Guancheng, Li Yingying, et al. A biomimetic drilling fluid for wellbore strengthening[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(4): 497-501.

[4] 劉大偉, 王綺, 王益山, 等. 煤層氣復(fù)雜結(jié)構(gòu)井可降解鉆井完井液實驗[J]. 石油勘探與開發(fā), 2013, 40(2): 232-236.Liu Dawei, Wang Qi, Wang Yishan, et al. Laboratory research on degradable drilling-in fluid for complex structure wells in coalbed methane reservoirs[J]. Petroleum Exploration and Development,2013, 40(2): 232-236.

[5] 劉緒全, 陳敦輝, 陳勉, 等. 環(huán)保型全白油基鉆井液的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液, 2011, 28(2): 10-12.Liu Xuquan, Chen Dunhui, Chen Mian, et al. Study and application of environmental whole oil based drilling fluid[J]. Drilling Fluid and Completion Fluid, 2011, 28(2): 10-12.

[6] Davison J M, Jones M. Oil-based muds for reservoir drilling: Their performance and clean-up characteristic[R]. SPE 72063, 2001.

[7] Fossum P V, Moum T K, Sletfjerding E, et al. Design and utilization of low solids OBM for Aasgard reservoir drilling and completion[R].SPE 107754, 2007.

[8] 舒福昌, 岳前升, 黃紅璽, 等. 新型無水全油基鉆井液[J]. 斷塊油氣田, 2008, 15(3): 103-104.Shu Fuchang, Yue Qiansheng, Huang Hongxi, et al. A new anhydrous whole oil-based drilling fluid[J]. Fault-Block Oil and Gas Field, 2008, 15(3): 103-104.

[9] 王茂功, 王奎才, 李英敏, 等. 白油基鉆井液用有機土的研制[J].鉆井液與完井液, 2009, 26(5): 1-3.Wang Maogong, Wang Kuicai, Li Yingmin, et al. The development of organic clay used in white oil drilling fluid[J]. Drilling Fluid and Completion Fluid, 2009, 26(5): 1-3.

[10] 曹杰, 邱正松, 徐加放, 等. 有機土研究進展[J]. 鉆井液與完井液,2012, 29(3): 81-84.Cao Jie, Qiu Zhengsong, Xu Jiafang, et al. Research progress of organic clay[J]. Drilling Fluid and Completion Fluid, 2012, 29(3):81-84.

[11] 高海洋, 黃進軍, 崔茂榮, 等. 新型抗高溫油基鉆井液降濾失劑的研制[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報, 2000, 22(4): 61-64.Gao Haiyang, Huang Jinjun, Cui Maorong, et al. The development of the new type of oil-based filtrate reducer with resistance to high temperature[J]. Journal of Southwest Petroleum University, 2000,22(4): 61-64.

[12] 王先洲, 鄧增庫, 夏景剛, 等. 蘇 76-1-20H 井鉆井液技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液, 2012, 29(5): 50-53.Wang Xianzhou, Deng Zengku, Xia Jinggang, et al. The fluid applications in well Su 76-1-20H[J]. Drilling Fluid and Completion Fluid, 2012, 29(5): 50-53.