国内油基钻井液研发现状与思考

黄津松 张家旗 王建华 杨海军 闫丽丽

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206)

0 引言

随着复杂深井和非常规水平井开发的逐步深入，油基钻井液技术面临越来越多的挑战。以塔里木油田库车山前为代表的复杂深层，同时面对异常高压和巨厚盐膏层等技术难题，溢、漏、塌、卡并存，需要用油基钻井液来保障钻井安全，但该区块国产油基钻井液应用比例不足5%，仍存在抗盐水污染能力和抗超高温不足等技术短板[1,2]。川渝、新疆和大庆等非常规油气藏采用水平井开发，采用油基钻井液来保持井壁稳定和减小摩阻，但油基钻井液经过多次重复利用后性能难以控制。

目前国内外对油基钻井液配方、处理剂和现场应用进行了较全面的研究，研制出一系列性能良好的油基钻井液体系，如抗高温油基钻井液、低油水比油基钻井液、无粘土油基/合成基钻井液和全油基油基钻井液体系等。但是，仍存在页岩气井水平段井壁失稳、高温高密度油基钻井液流变性难以调控、油基钻井液回收再利用等技术难题。为便于系统了解近年来国内油基钻井液技术的现状，本文对国内油基钻井液技术进展进行了梳理，分析了国内油基钻井液研究现状、存在的具体问题，并探讨性地提出未来的发展方向。

1 油基钻井液处理剂研发现状

1.1 乳化剂

乳化剂是保证油基钻井液性能稳定的关键，起到降低油水界面张力，形成稳定的保护膜、防止液滴碰撞聚集的作用[3]。国内目前常用的乳化剂主要有有机酸、有机酸酰胺、有机酸脂、脂肪酸盐、多元醇脂类等。妥尔油脂肪酸与酸酐发生加合反应，形成网状结构的乳化剂，改变了“棒状”结构，具有更好的乳化能力和抗温性能[4]。

以三乙醇胺、氯磺酸和十二烷基苯为主要原料，经氯化、烷基化和磺化三步反应得到一种星型结构的乳化剂，由于其特殊的星型结构，形成的油包水乳状液电稳定性好，较低加量下具有较高的乳化率[5]。现场应用中，固体乳化剂易于储存、运输、添加，包装运输成本低且计量方便。

采用油酸(或妥尔油脂肪酸)、二乙烯三胺在催化剂作用下制备的固体粉状乳化剂EmuL-S，性能与国外固体乳化剂基本相当，制备工艺更简单[6]。

1.2 降滤失剂

油基钻井液用降滤失剂在体系中的主要作用是控制滤失量，部分降滤失剂兼具调控流变性、辅助乳化的功能，常用产品包括改性腐殖酸类、高软化点沥青类和高分子聚合物类。沥青类产品由于不环保、对钻井液流变性影响大和抗温性能差等问题，其应用推广受限[7]。通过二乙烯三胺和十八烷基三甲基氯化铵对腐植酸进行酰亚胺化改性和亲油改性，制备出油基降滤失剂DR-FLCA，降滤失性能良好并有辅助乳化和降黏作用，适用于抗高温高密度油基钻井液[8]。以苯乙烯、丙烯酸丁酯和丙烯酸作为单体，合成了水性丙烯酸树脂WAR，其封堵性能优良，降滤失和抗温性能均优于氧化沥青。以癸酸乙烯酯和苯乙烯为主要单体，三聚氰酸三烯丙酯为交联剂，合成一种聚合物类油基钻井液降滤失剂，具有抗高温和低毒环保等优点[9]。

1.3 有机土

有机土是油基钻井液中的最基本的亲油胶体，起增粘提切、降低滤失量的作用，直接影响钻井液的流变性和悬浮稳定性。有机土大多是通过季铵盐结构的有机化合物、磷脂衍生物、有机酸化合物、非离子表面活性剂等对膨润土改性得到[10]。目前，有机土存在增粘提切效果差、胶体率低、生产成本高等问题。用十八烷基二甲基苄基氯化铵和妥尔油基聚羧酸高聚物和钠基蒙脱土反应形成结构均匀的有机土复合物，在低毒油包水钻井液中耐温性良好，210℃老化后可保持基本流变性[11]。通过三种不同季铵盐阳离子表面活性剂对纳基膨润土多次改性，然后用聚合物进行插层，制备了一种白油基钻井液用有机土，其具有良好的增粘提切效果[12]。采用“二次插层固液联法”制备的有机土SINOL GEL，增粘、降滤失效果好，胶体率接近98%，性能接近国外同类产品，已形成规模化应用[13]。

1.4 封堵剂

油基钻井液用封堵剂多为沥青类产品，具有一定物理封堵作用，但封堵广谱性和高温稳定性差，影响流变性。以纳微米级球状凝胶复合微米级刚性粒子和片状/纤维状封堵材料形成的复合封堵剂与油基钻井液配伍性好，可有效改善泥饼质量，随钻封堵页岩地层微孔、微裂缝，已在涪陵地区取得较好地现场应用[14]。采用改性磺化沥青、碳酸钙、纳米SiO2和苯乙烯丙烯酸酯共聚物等制备的复合封堵剂PF-MOSHIELD，粒径分布范围广，热稳定性较好，在油相中可均匀分散，对不同尺度裂缝有一定的封堵能力[15]。使用丙烯酸酯、苯乙烯与丙烯酸等共聚，制备了以丙烯酸树脂为壳、石英粉为核的核壳型封堵剂，其对油基钻井液流变性能影响小，具有较高的封堵强度和耐高温性能，可实现较宽范围的封堵[16]。

2 油基钻井液体系研究现状

2.1 抗高温高密度油基钻井液

随着深层油气的大力开发，钻遇地层温度和压力越来越高，高温高密度油基钻井液技术难题越来越多，主要体现在流变性和稳定性难以控制。通过研制一种新型改性腐殖酸降滤失剂，形成了一套抗高温高密度全白油基钻井液，抗温达220℃，密度最高至2.4g/cm3[17]。中石油工程院研发了乳化剂、有机土、降滤失剂等关键处理剂，形成了最高密度2.6g/cm3、抗温200℃的抗高温高密度油基钻井液，已在塔里木油田库车山前区块、川渝页岩气地区推广应用[18]。

2.2 低油水比油基钻井液

高油水比油基钻井液用油量大，产生的钻屑的含油量高，部分油基钻井液体系的处理剂用量过大，为降低钻井液综合成本带来极大困难[19]。油水比对油基钻井液的性能影响显著，低油水比容易导致油包水乳状液的流变性、乳化稳定变差。李胜等研究了油水比对油基钻井液性能的影响，通过提高乳化剂加量、降低有机土加量在低油水比条件下获得了性能优良的油基钻井液，并成功用于焦页54-3HF等多口井[20]。李舟军等研制了一种高切力、低油水比油基钻井液，油水比可低至70/30，体系抗高温达到200℃，在焦页54-1hf井成功应用[21]。

2.3 无土相油基钻井液

无土相油基钻井液不含有机土、沥青类材料等胶质组分，因此可获得较高的机械钻速，同时具备优良的流变性和触变性强，是油基钻井液发展的重要方向[22-25]。无土相油基钻井液的核心处理剂是提切剂，使用二乙醇胺对二聚脂肪酸进行酰胺化改性，得到一种改性脂肪酸提切剂，其吸附在油水界面上，构建了网架结构，起到提切和稳定乳液的作用，与改性脂肪酸主乳化剂、脂肪酸酰胺辅乳化剂和水性丙烯酸树脂降滤失剂等关键处理剂共同构建了一套无土相油基钻井液体系，抗温达220℃，高温高压滤失量可控制在5mL以内[26]。以油溶性聚合物提切剂、复合型乳化剂为核心构建了无土相油基钻井液体系，配方简单，具有高密度下塑性黏度、静切力低的优点，可有效解决因结构强度太大造成泵压过高诱发的井漏问题，为页岩气水平井安全快速钻进提供了技术保障[27]。

2.4 环保油基钻井液

常规柴油作为基础油，成本低，但存在芳香烃含量高、毒性大等问题，不能满足环保要求，在环境敏感地区已限制使用[28]。气质油制备困难，成本高，在“降本增效”的大环境下难以规模化推广应用。通过加氢催化裂化、二级催化氧化和加氢对原料油脱硫脱芳得到新型基础油，其毒性不足柴油的10%，芳香烃含量远低于柴油，具有低毒环保的特点，且满足配制油基钻井液的性能要求[29]。以月桂醇为原料，与环氧氯代烷、和三氟化硼·乙醚反应生成月桂醚可作为生物质合成基钻井液用基液，其具有低黏、无毒的特点，配制的油基钻井液抗温达150℃[30]。以植物毛油为基油，研制配套乳化剂、有机土和降滤失剂，形成一套抗温达150℃的植物油基钻井液体系，其具有廉价、环保无毒的特点，产生的废弃物处理成本低廉，综合成本高[31]。

2.5 全油基钻井液

全油基钻井液油水比大于95/5，具有稳定性好、易维护、保护油气储层等优点，其可调控密度范围广，在低压油气藏中得到了很好的应用[32-34]。以低密度矿物油为基础油，加入多种封堵材料配制了强封堵全油基钻井液，密度低至0.9～0.95kg/L，其削弱了压持效应，从而提高机械钻速，储层保护效果提高近10%，在塔中地区储层钻进得到很好应用[35]。用白油作分散相，优选有机土、有机土激活剂、乳化剂、降滤失剂、润湿剂等，形成一套密度0.92～2.00g/cm3、抗温200℃的全油基钻井液体系，解决了苏53区块超长裸眼段钻进中的井壁失稳难题，机械钻速快[36]。

3 结语

国内油基钻井液经过近几年的发展，市场应用比例逐步增长，但处理剂研发和体系研究与应用方面仍需要进一步提高。

(1)提高乳化剂、降滤失剂和有机土/增粘提切剂的抗温性，从而形成抗220℃以上超高温油基钻井液体系。

(2)需要研发油基钻井液用润湿防塌剂和纳-微米级微裂缝封堵材料，解决因页岩地层的井壁失稳问题，研究低成本、高效能油溶性絮凝剂，清除老浆中微米-亚微米级有害固相，形成强封堵页岩气版油基钻井液体系。

(3)研制高效乳化剂，形成性能稳定的低油水比油基钻井液体系，降低油基钻井液成本，减轻环保压力。

(4)优化抗高温高密度钻井液体系，实现井底-地面大温差下的流变性调控，提高体系的抗高温沉降稳定性。

(5)优选或制备低毒环保基础油，研发配套处理剂，形成低毒环保油基钻井液体系。

(6)分区域研究制定统一的处理剂标准和现场技术规范，形成适合不同区块的统一油基钻井液体系，解决长水平段井壁失稳、高温沉降稳定等重大技术难题。