有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

尹華洲

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163413）

近年來(lái)，“安全、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保”的觀念已經(jīng)逐漸被國(guó)內(nèi)鉆井公司采納和執(zhí)行。為了既兼顧油基鉆井液的高井壁穩(wěn)定能力，又避免油基鉆井液高成本高污染的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)石油石化行業(yè)和石油院校等研究機(jī)構(gòu)，一直在致力于研究一種綜合性能與油基鉆井液相近的高性能水基鉆井液。聚合醇鉆井液、硅酸鹽鉆井液、甲基葡萄糖苷鉆井液、有機(jī)鹽鉆井液等都是具有代表性的鉆井液新技術(shù)。其中，又以有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)綜合性能較為突出，相繼形成了KCl-有機(jī)鹽鉆井液、聚合醇有機(jī)鹽鉆井液、復(fù)合有機(jī)鹽鉆井液等技術(shù)，在新疆高溫深井、四川頁(yè)巖氣井等得到大范圍應(yīng)用，均取得了良好的應(yīng)用效果。因此，有機(jī)鹽鉆井液系列技術(shù)為高溫深井、超深井和致密油、頁(yè)巖氣等疑難復(fù)雜井安全鉆進(jìn)提供了可行的鉆井液解決方案。

1 有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)特點(diǎn)分析

有機(jī)鹽鉆井液最初主要是指甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫等有機(jī)鹽替代無(wú)機(jī)鹽形成的鉆井液技術(shù)。隨著技術(shù)發(fā)展，有機(jī)鹽發(fā)展為多種低碳（C1-C6)有機(jī)酸根陰離子與一價(jià)金屬離子（Na+、K+、NH4+、NH3+等）生成的物質(zhì)，包括有機(jī)酸鹽、有機(jī)酸銨鹽、有機(jī)酸季銨鹽以及它們的復(fù)合物，以這些復(fù)合物配制基液而形成的鉆井液叫做有機(jī)鹽鉆井液。這種鉆井液具有極強(qiáng)的抑制防塌性能、抗高溫性能，在高壓地層、易水化膨脹和分散的水敏性泥頁(yè)巖地層具有特殊適應(yīng)性，目前國(guó)內(nèi)在吐哈油田、克拉瑪依油田大范圍應(yīng)用，取得了良好效果，在川渝頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中也發(fā)揮了重要作用。

1.1 基本組成及特點(diǎn)分析

配制有機(jī)鹽鉆井液基液的系列主劑有Weigh1、Weigh2、Weigh3、Weigh4 等，加量多在30%~40%之間，因其水溶性好、密度較高，配制的基液密度最高能達(dá)到1.80g/cm3，再加入與之配套的提切劑、降失水劑和泥餅改善劑等輔劑，最終形成的鉆井液具有以下特點(diǎn)：①抑制性強(qiáng)。有機(jī)鹽鉆井液的抑制性很強(qiáng)，特別是對(duì)蒙脫石、伊利石和伊蒙混層含量較高的泥頁(yè)巖地層具有良好的抑制水化分散和膨脹的作用，適合于易水化膨脹、易垮塌泥巖、頁(yè)巖鉆井，有利于井壁穩(wěn)定、井眼規(guī)則；②潤(rùn)滑性好。有機(jī)鹽鉆井液有非常好的潤(rùn)滑性，其潤(rùn)滑性能甚至優(yōu)于油基鉆井液，大量的有機(jī)酸根具有很強(qiáng)的表面活性，本身就是很好的潤(rùn)滑劑，并能吸附在金屬或粘土表面，形成潤(rùn)滑膜，同時(shí)，低固相含量能有效地降低摩擦系數(shù)。在大斜度定向井和長(zhǎng)水平段水平井中能夠明顯降低起下鉆摩阻，減少托壓現(xiàn)象發(fā)生；③現(xiàn)場(chǎng)易維護(hù)。有機(jī)鹽鉆井液處理劑品種少、固相含量低、性能穩(wěn)定，且抗污染能力強(qiáng)，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中易與維護(hù)和處理；④安全環(huán)保性好。有機(jī)鹽鉆井液無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)腐蝕、無(wú)污染、易生物降解，滿足SHE要求，有利于油氣層保護(hù)和環(huán)境保護(hù)。

1.2 抑制機(jī)理分析

有機(jī)鹽鉆井液的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)就是具有良好的抑制性，適合于易水化膨脹、易垮塌泥巖、頁(yè)巖鉆井。抑制機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾方面：①水活度低。有機(jī)鹽鉆井液中水的活度遠(yuǎn)比地層水的活度小得多，這將產(chǎn)生一個(gè)滲透壓力使巖石中的水保持滲流入鉆井液的趨勢(shì)，鉆井液中的水不會(huì)滲流入巖石，這有利于井壁穩(wěn)定及鉆屑、粘土的不分散；②離子交換。有機(jī)鹽溶液中電離出的大量的陽(yáng)離子K+、NH4+、[NHxR4-x]+可通過(guò)靜電引力吸附進(jìn)入粘土晶格（尤其是蒙脫石晶格中），抑制粘土表面水化及滲透水化膨脹；③有機(jī)酸根離子吸附。有機(jī)酸根陰離子X(jué)mRn（COO）lq-可吸附帶負(fù)電的粘土端面，抑制其水化分散；④壓縮雙電層。有機(jī)鹽陰、陽(yáng)離子對(duì)粘土顆粒的吸附擴(kuò)散雙電層具有較強(qiáng)的壓縮作用，從而較強(qiáng)地抑制坂土分散。有機(jī)鹽水溶液的抑制性，在很大程度上取決于有機(jī)鹽的加量，也就是說(shuō)能否達(dá)到平衡巖石中的吸附壓，讓巖石中的水向鉆井液完井液方向移動(dòng)，有機(jī)鹽的加量越多，移動(dòng)的動(dòng)力越大。

2 有機(jī)鹽系列鉆井液技術(shù)

2.1 甲酸鹽鉆井液

甲酸鹽（甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫等）鉆井液屬于20世紀(jì)90年代就開(kāi)始研究和使用的一種有機(jī)鹽鉆井液體系，主要是為了降低常規(guī)水基鉆井液中土粉、加重劑等固相顆粒對(duì)儲(chǔ)層的傷害，以及減少油基鉆井液使用對(duì)環(huán)境造成的污染。甲酸鈉、甲酸鉀等有機(jī)鹽類比氯化鈉、氯化鉀等無(wú)機(jī)鹽的溶解度更高，可以廣泛溶解于淡水、海水，且對(duì)鉆具的腐蝕性較小，在20世紀(jì)80年代末國(guó)外已經(jīng)有甲酸鹽體系成功打成多口大難度井的施工案例。之后在國(guó)內(nèi)大港油田等區(qū)塊也成功應(yīng)用，相比常規(guī)水基鉆井液，甲酸鹽鉆井液配方簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)施工維護(hù)簡(jiǎn)單，且鉆井液性能穩(wěn)定性強(qiáng)，鉆進(jìn)中漏斗粘度波動(dòng)值在25s 以內(nèi)，還表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性和儲(chǔ)層保護(hù)能力。但甲酸鹽的高成本問(wèn)題，也限制了推廣應(yīng)用的范圍。

2.2 有機(jī)鹽鉆井液

最早的有機(jī)鹽鉆井液體系是由Weigh2 和Weigh3兩種水溶性加重劑、Redu1 和Redu2 兩種配套降濾失劑、Visco1 和Vsico2 兩種提切劑、無(wú)熒光白瀝青封堵劑NFA-25 和強(qiáng)包被抑制劑IND10 組成。2000 年在塔里木東河油田DH 區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在井深小于5000m 時(shí)，有機(jī)鹽濃度控制在10%左右，井深大于5000m 時(shí)，有機(jī)鹽濃度在15%左右，鉆井液成本有效控制基礎(chǔ)上，鉆井液抑制性等綜合性能得到極大提升，二開(kāi)井段平均井徑擴(kuò)大率僅為5.4%，取芯、起下鉆和完井作業(yè)，3次電測(cè)以及下套管作業(yè)順利[1]。

渤海鉆探為解決大港油田甲酸鹽、硅基防塌、有機(jī)正電膠等常規(guī)鉆井液形成濾餅和進(jìn)入儲(chǔ)層的濾液堵塞了油氣通道,不能最大限度發(fā)揮水平井瀉油面積的難題，開(kāi)發(fā)了一套有機(jī)鹽鉆井液體系，綜合性能穩(wěn)定，抑制性、抗污染能力強(qiáng)、環(huán)保、無(wú)固相，有利于保護(hù)油氣層、提高機(jī)械鉆速和提高固井質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，解決了井壁穩(wěn)定和保護(hù)油氣層之間的矛盾，通過(guò)在大港油田的應(yīng)用，取得了非常好的效果[2]。

2.3 有機(jī)鹽聚合醇鉆井液

川慶鉆探工程公司針對(duì)四川頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中頁(yè)巖易吸水導(dǎo)致的井壁剝落、掉塊和坍塌等復(fù)雜情況，在有機(jī)鹽鉆井液基礎(chǔ)上引入具有“濁點(diǎn)效應(yīng)”的聚合醇，最終形成一套有機(jī)鹽聚合醇鉆井液體系。這套鉆井液體系除了具有有機(jī)鹽鉆井液的強(qiáng)抑制性外，封堵性能也得到大幅度提高，因?yàn)楫?dāng)井底溫度大于聚合醇“濁點(diǎn)”溫度時(shí)，會(huì)向鉆井液中析出具有彈性的膠體顆粒，膠體顆粒會(huì)在鉆井液壓差作用下進(jìn)入到頁(yè)巖裂縫中起到封堵降失水的作用[3]。這套鉆井液體系的配方如表1所示。

表1 有機(jī)鹽聚合醇鉆井液配方

在室內(nèi)對(duì)體系抑制性、封堵性等綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與聚合物鉆井液、聚磺鉆井液性能進(jìn)行了對(duì)比。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：①有機(jī)鹽聚合醇鉆井液24h頁(yè)巖滾動(dòng)回收率達(dá)到99%（清水回收率92.4%），高于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的92.4%和98.0%，8h線型膨脹量為1.05mm（清水），遠(yuǎn)低于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的1.39mm和1.15mm，說(shuō)明有機(jī)鹽聚合醇鉆井液抑制性比同類其他鉆井液強(qiáng)；②在90℃條件下的高溫高壓失水實(shí)驗(yàn)，有機(jī)鹽聚合醇鉆井液濾失量?jī)H為5.0mL，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的17.6mL和11.0mL；③活度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)顯示，有機(jī)鹽聚合醇鉆井液活度為0.541，小于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的0.571 和0.569。體系在N206井取得成功應(yīng)用，連續(xù)取芯和起下鉆作業(yè)均沒(méi)有壓差卡鉆現(xiàn)象，提速效果明顯，PDC鉆頭機(jī)械鉆速達(dá)10.97m/h，牙輪鉆頭機(jī)械鉆速達(dá)6.29m/h。

2.4 KCl-有機(jī)鹽鉆井液

為解決空氣鉆后地層井壁容易發(fā)生吸水膨脹導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的井下難題，西南油氣田公司工程技術(shù)研究院在有機(jī)鹽鉆井液基礎(chǔ)上對(duì)鉆井液抑制性進(jìn)一步升級(jí)，形成了KCl-有機(jī)鹽聚合物鉆井液[4]。鉆井液在有機(jī)鹽和KCl 雙重作用下能夠有效抑制空氣鉆后裸露地層水化分散和膨脹的難題，鉆井液配方如表2所示。室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)可知，這套體系的滾動(dòng)回收率（清水，27.5%）和線型膨脹率（清水，23.0%）分別為91.2%、11.0%，均高于KCl-聚合物鉆井液和有機(jī)鹽聚合物鉆井液，加入5%土粉后，鉆井液性能變化??；鉆井液體系A(chǔ)PI濾失量在老化前后都只有2mL，150℃高溫高壓濾失量小于10mL，且攜巖能力較強(qiáng)，綜合性能大幅度提升[5]。

表2 KCl-有機(jī)鹽鉆井液配方

KCl-有機(jī)鹽聚合物鉆井液在雙魚(yú)石區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，順利鉆過(guò)沙一段、涼高山組、自流井組及須家河組強(qiáng)水敏性泥巖地層，施工中井壁穩(wěn)定，井眼通暢，振動(dòng)篩上返出巖屑規(guī)整、棱角分明，井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率小于10%，起下鉆及后期電測(cè)、下套管作業(yè)順利，為該區(qū)塊深層頁(yè)巖氣的高效勘探提供了技術(shù)支持。

3 有機(jī)鹽鉆井液發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著鉆井工藝和化工材料科學(xué)進(jìn)步，水基鉆井液技術(shù)得到了飛速發(fā)展，有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越受到重視和廣泛應(yīng)用。但從有機(jī)鹽鉆井液多年來(lái)的應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，有機(jī)鹽鉆井液的性能和成本等方面還有許多工作需要開(kāi)展：①要解決有機(jī)鹽成本較高的難題，為保證鉆井液體系的強(qiáng)抑制性和良好流變性，有機(jī)鹽的加量通常在30%以上，由于有機(jī)鹽單位成本較高，這就導(dǎo)致鉆井液總體成本居高不下，有研究者選擇添加無(wú)機(jī)鹽或者復(fù)合無(wú)機(jī)鹽來(lái)降低有機(jī)鹽加量，但也會(huì)損害有機(jī)鹽鉆井液的總體性能，往往得不償失，也限制了有機(jī)鹽鉆井液的推廣應(yīng)用范圍。因此，需要通過(guò)技術(shù)手段或改善合成工藝來(lái)降低有機(jī)鹽單位成本；②要對(duì)有機(jī)鹽鉆井液作用機(jī)理、有機(jī)鹽與配套處理劑相互作用機(jī)理以及高溫高密度條件下有機(jī)鹽流變性控制機(jī)理進(jìn)行深入研究，只有對(duì)機(jī)理深入研究基礎(chǔ)上，才能開(kāi)發(fā)出抗溫性好、綜合性能優(yōu)異的有機(jī)鹽鉆井液；③加強(qiáng)有機(jī)鹽鉆井液回收和重復(fù)再利用技術(shù)研究，加強(qiáng)廢棄鉆井液重復(fù)利用方面的研究工作，不僅僅是基液回收的問(wèn)題，還包括鉆井液的繼續(xù)利用以及轉(zhuǎn)化成其他工作液?jiǎn)栴}。