新型全油基钻井液体系

李建成，杨鹏，关键，孙延德，匡绪兵

（中国石油长城钻探公司工程技术研究院钻井液所）

0 引言

随着中国复杂地质条件下深井、超深井勘探开发的不断深入以及页岩气开采规模的不断扩大，由于钻完井液问题造成的井下复杂情况与事故不断增多[1-4]。全油基钻井液具有抑制性强、润滑性能好、抗污染能力强、热稳定性能好等特点，能有效抑制泥页岩水化膨胀，减少井壁垮塌、缩径等复杂情况的发生[5-6]，因而适用于高温高压深井、大位移水平井、页岩气井等钻井过程，可有效防止水敏性地层井壁失稳，能最大限度地保护水敏性油气储集层[7-8]。本文通过对全油基钻井液中有机土、降滤失剂的研制，自主研发新型全油基钻井液体系，并应用于苏里格地区小井眼侧钻水平井的施工。

1 油基钻井液用有机土及降滤失剂的研制

1.1 有机土

有机土在钻井液中主要起增黏提切、降滤失的作用，其性能好坏直接影响钻井液的流变性和滤失造壁性[9]。

1.1.1 制备

有机土是由不同结构的季铵盐或其他具有离子交换能力的有机改性剂与钠基膨润土发生阳离子交换而制得的。有机膨润土的合成方法通常有湿法、预凝胶法和干法 3种。干法是将含水的精选钠基膨润土与有机季铵盐等改性剂直接混合，用专门的加热混合器混合均匀，再加以挤压，制成含一定量水分的有机膨润土。干法合成操作简单、生产效率高[10]。

本文采用十六、十八烷基等长碳链的季铵盐作为有机改性剂，通过改性制备出用于全油基钻井液的有机土。基本步骤为：将精选钠基膨润土和预先配制好的有机改性液直接混合，用专门的加热混合器混合均匀，在一定温度下反应；反应一定时间后，加入有机化增强剂，继续反应一定时间；反应完毕后，研磨、粉碎、包装，得到全油基钻井液用有机土GW-GEL。

1.1.2 性能评价

表1为不同温度下热滚16 h后有机土GW-GEL性能，可以看出：随着温度的升高，白油基有机土浆的胶体率基本不变，表观黏度和动切力逐渐增加；升温至 200 ℃之后，有机土的胶体率、表观黏度和动切力均保持不变。因此，有机土GW-GEL具有良好的抗高温性能。

表1 热滚温度对GW-GEL性能影响

1.2 油基降滤失剂

全油基钻井液滤失量的控制要难于逆乳化钻井液滤失量的控制，而滤失量的控制关系到全油基钻井液的性能和成本控制。目前国内研发的油基钻井液降滤失剂多为腐殖酸改性产品，对全油基钻井液的降滤失效果不理想。因此，本文研制了油溶性多元共聚物降滤失剂GW-OFLⅠ。

1.2.1 设计思路

油基降滤失剂的分子结构应使其具有良好的油溶性、分散性、抗温性及对有机土粒子的吸附性。因此主要考虑以下几点：①最好含有苯环刚性单体，具有良好的耐温性；②具有合理的分子量和分子结构特征；③对有机土粒子具有较强的吸附能力；④应为低毒或无毒产物，不对环境造成污染；⑤在全油基钻井液中有良好的配伍性[11]。

1.2.2 合成步骤

将褐煤类单体A与链调节剂加入反应器中，混合均匀，再加入胺类单体 B，混合均匀。加热到一定温度后，加入还原剂，混合均匀后，缓慢加入氧化剂，进行聚合反应。在一定温度下反应一定时间，反应完成后，得到中间品。加入防老化剂和隔离剂，过滤后进行干燥、粉碎、包装，得到油基降滤失剂GW-OFLⅠ。

1.2.3 性能评价

油基降滤失剂 GW-OFLⅠ为合成油溶性高分子聚合物。这类降滤失剂是通过对油基钻井液中游离油相的吸附和高分子的封堵而起到降滤失作用，在降低滤失量的同时还有明显的增黏效果。

表2为 GW-OFLⅠ加量对滤失量的影响（基础配方为白油+3.0% GW-GEL+1.5%天然沥青粉+0.5%CaO+3.0% CaCO3），可以看出：GW-OFLⅠ加量在0.6%时已有明显的降滤失效果，且随着加量的增加，滤失量显著降低，2.0%的加量已可满足降低滤失量的要求。

表2 GW-OFLⅠ加量对滤失量的影响

表3为GW-OFLⅠ与国内外不同厂家生产的同类型降滤失剂对比实验结果（基础配方为白油+3.0%GW-GEL+0.5% CaO+3.0% CaCO3，降滤失剂加量均为2.0%），可以看出：GW-OFLⅠ比其他几种降滤失剂的降滤失效果更好，API滤失量、高温高压滤失量较低，流变性较好，可满足全油基钻井液对滤失量控制的要求。

表3 GW-OFLⅠ与国内外处理剂性能对比

图1为GW-OFLⅠ抗温性能评价结果（样品配方为白油+3.0% GW-GEL+2.0% GW-OFLⅠ+0.5% CaO+3.0% CaCO3），可以看出：随着温度的升高，滤失量变化不大，且在 200 ℃时仍然具有较强的降滤失效果，说明 GW-OFLⅠ具有较好的抗温能力，抗温可达200 ℃。

图1 GW-OFLⅠ抗温性能评价

2 全油基钻井液体系配方

全白油基钻井液体系主要由有机土、激活剂、降滤失剂、润湿剂、乳化剂等组成。选用茂名 5#白油作为基油，使用有机土 GW-GEL、激活剂控制钻井液的流变性，使用降滤失剂 GW-OFLⅠ控制钻井液的滤失量。通过研究各组分加量对体系性能的影响确定各组分的加量，从而确定钻井液体系的配方。

2.1 有机土GW-GEL加量

以白油+0.4%激活剂+2.0% GW-OFL+1.0%Ⅰ乳化剂+1.0%润湿剂+0.5% CaO+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）为基础配方，考察有机土加量对钻井液性能的影响（见表4），热滚条件为150 ℃下热滚16 h。由表4可知：GW-GEL对全油基钻井液流变性影响较大，随着GW-GEL加量的增加，体系稳定性逐渐增强，高温高压滤失量逐渐降低；当 GW-GEL加量为 3%～4%时，全油基钻井液具有良好的流变性及较低的滤失量。因此确定有机土GW-GEL加量为3%～4%。

表4 GW-GEL加量对钻井液性能的影响

2.2 降滤失剂GW-OFLⅠ加量

以白油+3.0% GW-GEL+0.4%激活剂+1.0%乳化剂+0.5% CaO+1.0%润湿剂+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）为基础配方，考察 GW-OFLⅠ加量对钻井液性能的影响（见表 5），热滚条件为 150 ℃下热滚16 h。由表5可知：随着GW-OFLⅠ加量的增加，体系API滤失量和高温高压滤失量降低；当 GW-OFLⅠ加量为2%时，体系高温高压滤失量可满足要求，流变性能较好。因此确定降滤失剂GW-OFLⅠ加量为2%。

表5 GW-OFLⅠ加量对钻井液性能的影响

2.3 乳化剂加量

以白油+3.0% GW-GEL+0.4%激活剂+2.0%GW-OFLⅠ+1.0%润湿剂+0.5% CaO+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）为基础配方，考察不同加量乳化剂对全油基钻井液性能的影响（见表6），热滚条件为150 ℃下热滚16 h。由表6可知：随着乳化剂加量的增加，钻井液的表观黏度和动切力有所下降，且体系的API滤失量有所降低。因此确定乳化剂加量为0～1%。

2.4 润湿剂加量

以白油+3.0% GW-GEL+0.4%激活剂+2.0%GW-OFLⅠ+1.0%乳化剂+0.5% CaO+3.0% CaCO3+重晶石（加重到1.5 g/cm3）为基础配方，考察不同加量润湿剂对全油基钻井液性能的影响（见表7），热滚条件为150 ℃下热滚16 h。由表7可知：在未加入润湿剂的情况下，由于重晶石含量高且表面为水润湿，因此钻井液的流变性变化非常明显；加入 1.0%润湿剂后，重晶石颗粒表面发生了润湿反转，从而使重晶石颗粒均匀分散在油相中，整个体系趋于稳定，热滚后没有沉降现象；随着润湿剂加量的增加，体系性能变化不大。现场应用中，随着钻屑不断侵入，需及时补充润湿剂以防止体系恶化，因此确定润湿剂加量为1%～2%。

表6 乳化剂加量对体系性能的影响

表7 润湿剂加量对钻井液性能的影响

2.5 全油基钻井液体系配方及基本性能

综上可确定全油基钻井液的基本配方：白油+3.0%～4.0% GW-GEL+0.3%～0.5%激活剂+2.0%GW-OFLⅠ+0～1.0%乳化剂+1.0%～2.0%润湿剂+0.5%CaO+3.0% CaCO3+重晶石。其基本性能见表8（热滚条件为150 ℃下热滚16 h）。

表8 全油基钻井液基本性能

3 全油基钻井液体系性能评价

3.1 沉降稳定性

配制密度为1.70 g/cm3的全油基钻井液，在150 ℃条件下滚动16 h，再置于烧杯中静止24 h，测量烧杯中钻井液的上下密度差，评价钻井液的沉降稳定性。实验结果显示，上部密度为 1.69 g/cm3，下部密度为1.71 g/cm3，密度差为0.02 g/cm3，未出现基油析出的现象，表明该钻井液具有较强的沉降稳定性。

3.2 抗污染性能

室内评价了密度1.5 g/cm3全油基钻井液的抗劣质土污染和抗水污染性能（热滚条件为150 ℃下热滚16 h），实验结果见表9和表10。

由表 9可知，全油基钻井液具有良好的抗土污染能力，污染后体系的表观黏度和动切力略有升高，这主要是由于土侵导致固相含量升高，因此施工中应加强固控设备的使用，保证较低的固相含量。由表10可知，随着水侵量的增加，体系表观黏度基本不变，滤失量略有降低，说明钻井液具有较强的抗水污染性能。但是，随着水侵量的增大，体系的破乳电压降低，因此施工中避免使用水冲洗振动筛等，防止钻井液性能变化。

表9 全油基钻井液抗土污染性能评价

表10 全油基钻井液抗水污染性能评价

3.3 抗温性能

将密度为1.5 g/cm3和2.0 g/cm3的全油基钻井液分别在不同温度下热滚16 h，测定其流变性能。结果（见图2、图3）表明：随着温度升高，钻井液流变性能良好，说明其具有较强的热稳定性，抗温可达200 ℃。

图2 密度1.5 g/cm3全油基钻井液的抗温性能

图3 密度2.0 g/cm3全油基钻井液的抗温性能

测试了密度2.0 g/cm3全油基钻井液的高温高压流变性能，结果（见表11）表明：密度2.0 g/cm3的全油基钻井液在温度100～200 ℃时性能稳定，黏切适中，触变性良好，不易发生加重剂沉降，高温性能能够满足要求。

表11 密度2.0 g/cm3全油基钻井液高温高压流变性能

3.4 抑制性能

对清水、全油基钻井液、硅酸盐钻井液、聚合物钻井液及KCl聚合物钻井液进行了泥页岩（渤海湾盆地辽河地区东营组灰绿色泥页岩）滚动回收实验，在120 ℃下热滚16 h，滚动回收率分别为32.4%、98.6%、84.3%、87.2%和 85.4%，说明全油基钻井液具有良好的抑制性。

3.5 润滑性能

考察了全油基钻井液的润滑性能，并与硅酸盐钻井液、聚合醇钻井液及KCl聚合物钻井液的润滑性能进行了对比。结果表明：全油基钻井液、硅酸盐钻井液、聚合醇钻井液和KCl聚合物钻井液的泥饼黏滞系数分别为0.067 5、0.113 9、0.096 3和0.113 9，全油基钻井液泥饼黏滞系数最小，说明其具有优良的润滑性能。

3.6 储集层保护性能

采用高温高压动态失水仪模拟钻井条件下储集层的动态污染，评价全油基钻井液的储集层保护性能。结果（见表 12）表明，储集层岩心污染后，其渗透率恢复值均在 90%以上，说明全油基钻井液具有优良的储集层保护性能。

表12 全油基钻井液室内模拟损害评价

4 全油基钻井液对硬脆性泥岩的微观影响

选取蔡司ΣIGMA HD/VP高分辨率场发射扫描电镜对硬脆性泥岩、水处理的硬脆性泥岩、全油基钻井液处理的硬脆性泥岩进行分析（见图4），放大倍数均为2×104倍。从图4可以看出：未经处理的原样在电镜下显示分散性的片状结构，层理比较清晰，周围有刺状延展，其中微裂缝较小且较多；经过水处理的泥页岩样片状结构较聚集，层理更清晰，微裂缝逐渐增大且数量变少，边缘的刺状延展更为明显；全油基钻井液处理样的孔隙和微裂缝减少，层理性变差，片状结构聚集，分散度降低，且片状结构小块边缘变光滑，无刺状延展，说明白油填补了泥页岩中大部分微裂缝，并在一定程度上起到润滑作用，能够有效减少水化黏土矿物有效成分作用，抑制井壁失稳。此外，水处理样比油处理样在电镜下更明亮，这是由于水处理样中导电性物质更少，即当量水化黏土矿物更多，则水处理样比油处理样更容易水化。

图4 电镜扫描状态

5 全油基钻井液现场试验

苏10-32-45CH小井眼侧钻水平井位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北侧，目的层为石盒子组盒 8段。该地区部分水平井采用水基钻井液钻井时，常出现垮塌、掉块、卡钻等现象。主要原因有：石盒子组岩性以硬脆性泥岩为主；水平段往往钻遇大段泥岩，且地层应力大，易发生力学失稳，使井眼净化和润滑防卡难度增大；小井眼循环压耗大，排量偏低，不利于携岩；排量过大，容易诱发井漏[12]。结合地质概况及钻井施工难点，将全油基钻井液应用于苏10-32-45CH井，该井裸眼段长1 282 m、水平段长700 m，设计开窗井深3 000 m、完钻井深4 230 m。

表13为苏10-32-45CH井钻进过程中全油基钻井液性能，可以看出钻井液具有较好的流变性、润滑性、电稳定性及沉降稳定性，满足现场施工要求。

表13 苏10-32-45CH井钻井过程中钻井液性能

使用全油基钻井液的苏10-32-45CH井水平段未发生井壁坍塌，井壁相对稳定，钻成Ф118 mm小井眼侧钻水平井，水平段长700 m，顺利钻达设计井深。而使用水基钻井液的邻近苏10-34-46CH井多次发生因黏土水化膨胀导致的起下钻遇阻、遇卡，最终导致部分裸眼进尺报废。说明全油基钻井液能够很好地抑制泥页岩水化膨胀，从而稳定井壁。

图5 起出钻头磨损情况

图 5是钻进时起出完成进尺的钻头，可以看出，钻头主力齿及侧齿无崩坏、磨损小，说明全油基钻井液具有良好的润滑性能，可延长钻头使用寿命。

表14为苏10-32-45CH井与苏10-34-46CH井钻进数据，可以看出：与水基钻井液相比，采用全油基钻井液钻进时钻压、泵压更低，而平均机械钻速更高。

表14 苏10-32-45CH井与苏10-34-46CH井钻进数据对比

苏10-32-45CH井水平段施工中，全油基钻井液密度为 1.08～1.12 g/cm3，井壁较稳定，而邻近苏10-32-46CH井水基钻井液密度为1.15～1.25 g/cm3，仍发生垮塌。因此，使用全油基钻井液可在较低密度下实现安全钻进。

6 结论

自主研发的全油基钻井液有机土、降滤失剂性能优良、配伍性好。

通过研究有机土、激活剂、降滤失剂、润湿剂、乳化剂等组分的加量对全油基钻井液性能的影响，确定了全油基钻井液体系的配方。体系基本性能良好，具有较强的沉降稳定性和良好的抗污染性能、抗温性能、抑制性能、润滑性能，储集层保护效果好。

将全油基钻井液应用于小井眼侧钻水平井，结果表明：全油基钻井液性能稳定，满足现场施工要求；具有良好的润滑性能，可延长钻头使用寿命；使用全油基钻井液钻进时井壁稳定性较好，可在较低密度下实现安全钻进，且比使用水基钻井液钻进时平均机械钻速高。

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