油田泥页岩井段防塌钻井液的研制

王玉鹏，唐向辉

(青岛科技大学鲁中安全环保工程与材料研究院，山东 淄博 255000)

1 研究背景

1.1 甲酸盐钻井液

在20世纪90年代，为满足复杂钻井技术要求而研制的全新钻井液体系。甲酸盐钻井液体系具有较强的失水造壁性能、防塌性能、保护油气层、低污染和可回收再利用的优点，可适用于多种地层条件。

在实际作业过程中，为了减少甲酸盐的使用成本，常常使用净化回收利用系统或者循环密闭系统。此外，利用甲酸盐混合适量加重剂制成的滤饼可以很好地提高井壁稳定性。针对整个英台地区的3600～4200 m井段地层特点，通过对甲酸盐钻井液各类试剂的优选，做了大量的室内研究实验，研制了一种适用于该地区钻井条件的甲酸盐钻井液，其最佳配方为：甲酸盐水+3%降滤失剂HHJL-1 + 0.5%增粘剂HHTN-1 + 3%储层保护剂HHYB-N。甲酸盐钻井液抗温能力高达180 ℃，由于固相含量低，有效地提高了龙深6井的机械钻速和单井产能；选用易降解、无毒性的助剂，达到环保要求，有效地保护了储层，取得了较为理想的应用效果。在吐哈油田，其地层矿物质具有高水敏、高含量黏土、易破碎、易垮塌以及易漏失等特点。

甲酸盐钻井液的作用原理：岩石中的水活度远大于甲酸盐钻井液中的水活度，这就使得泥岩与页岩的表面具有一定的选择渗透性，因而产生的渗透压差可促使岩石中的水向钻井液中渗入；并且甲酸盐能产生对自由水具有强束缚作用的氢键，它由水分子与HCOO-离子作用形成；采用甲酸盐钻井液钻井能很好地控制泥页岩的水化膨胀，从而减少由水化膨胀作用引起的地层伤害。根据电荷中和原理，甲酸盐具有较强压缩黏土颗粒双电层的能力以及提高有机盐离子浓度等特点，从而减弱了黏土的负电性，大大降低了水化膨胀性；高浓度的甲酸盐溶液能产生高渗透压差，遏制了压力在泥页岩中的传递，从而使得泥页岩的水化膨胀受到了较好地抑制；甲酸盐尤其是有机盐溶液具有较高黏度特性，有效地阻止了水的自由进人；形成了由钠离子构成的不易膨胀扩散的稳定结构，钠离子是通过K+、Cs+阳离子从蒙脱土中置换出来的[1]。

1.2 两性复合离子聚合物钻井液

在20世纪90年代初期，为了满足不同油田对钻井液的要求，两性离子聚合物钻井液体系被成功研制出来，由于它具有强抑制性、高润滑性、良好油层保护性能、防缩径卡钻、防漏失、防粘吸卡钻等显著特点，深受客户青睐，已经被广泛应用于各大油服公司；目前，该钻井液体系已被成功研制和投入使用的试剂主要包含有包被剂FA367、FA368、FA369、黄花酚醛树脂、强降滤失剂JT888、沥青FT301以及降粘剂XY27、XY28等，按照合理的配比对它们进行配制，可以进一步地提高钻井液抑制性能。钻井液体系具有较强的抑制性能，可以很好地控制密度、失水率以及固相含量的升高，从而使得油层受到有利地保护。

人们在井场施工过程中发现，普通聚合物钻井液对于造浆较强的泥页岩抑制性能较弱，从而导致滤饼质量差，造浆严重，钻井液切力与黏度提升快。针对这些问题，刘平德等人通过对各种钻井液试剂的对比筛选，研制出了一种适合的两性离子聚合物钻井液体系PL，它具有流变性能好、抑制性能强以及机械钻速快等特点。

2 聚合醇钻井液

进入20世纪90年代，随着各大油田常规较简单的地层区块被逐渐开采完，勘探领域已经向环境恶劣，底层结构复杂的地区扩展。在施工过程中极易导致井壁不稳，影响机械钻速，从而提高了钻井成本。与此同时，随着大位移井、水平井、定向井技术的快速发展，要求钻井液具有更强的抑制性能与更好的润滑性能，而常用钻井液根本满足不了这几类井的钻井需求。在海洋井、深井、大位移井的钻探过程中，不得不使用油基钻井液，但此类钻井液污染严重，荧光级别高，使用前景堪忧。

因此，我国研究人员研制了一种具有强抑制性、环保无荧光、强配伍性以及良好的保护性等优点的聚合醇水基钻井液。聚合醇钻井液不仅具有低污染和无干扰的优点，同时还具有较强抑制性，较低滤矢量等优良特性，成功地解决了泥页岩井段的井壁失稳、垮塌等复杂问题，它综合水基钻井液与油基钻井液的各自优势，现已得到广泛应用，收到人们的青睐。

聚合醇钻井液的抑制机理众说纷纭，目前通过一定实验所形成了三种机理，分别是浊点、吸附和渗透；然而，每一种机理都存在一定的道理与不足。

2.1 浊点效应

聚合醇是一种分子量较低、非离子型的聚合物(也称表面活性剂)，具有浊点效应。目前，浊点机理是被大多数人们所认可的理论。

浊点又称为雾点，指的是水溶液为非离子表面活性剂时受热而变浑浊或冷却又变澄清时所对应的温度。该理论认为，当钻井液温度到达聚合醇的浊点时，混合水溶液中会析出小油滴(聚合醇)，在水基钻井液体系中变为乳液，然后从连续水相中分离出来，最终形成油膜。由于乳状液体被这时的井温所激活，使得钻井液体系获得了良好的润滑性能，并在黏土表面上形成一层屏蔽，改变黏土的润滑性，抑制其水化膨胀，阻止滤液朝地层中侵入，减少油气层的损害。另外聚合醇表面具有活性，能使得油水界面张力大大减小，岩心渗透率恢复值得到提高，利于原油返排，并对低渗透性的岩心与泥饼起到堵孔作用。

2.2 吸附机制

吸附机制认为，聚合醇的抑制性强弱是由黏土颗粒与聚合醇两者之间的黏结成膜和吸附交联作用决定的。聚合醇本身并不具备包被絮凝性能，但聚合醇的分子链中主链上全为碳原子，侧链以羟基居多，从而与黏土颗粒之间形成大量的氢键。在黏土表面上，由于聚合醇分子拥有大量的醚键，其与水分子会发生吸附竞争，抢占水分子的吸附位置，形成体化合物层，进而阻止黏土与水发生反应，起到稳定井壁、防塌作用。

2.3 渗透说

通过提高钻井液滤液的黏度值和降低其化学特性，来增强聚合醇的抑制性能，从而有效地遏制了泥页岩的水化扩散。井壁失稳是当钻井液与泥页岩两者相互接触时，由于液体自身活度的差异以及它们之间的压力差造成的。聚合醇稳定井壁是通过减少水力进入地层，增大钻井液黏度，降低滤矢量，增大渗透阻力，平衡孔隙水来阻止滤液侵入。辽河油田的双兴l井深度为5505 m，井内最高温度达到180 ℃，到目前为止，是该油田垂深最深的井，该区块地层为泥页岩，由于钻井时常发生井壁失稳，从而导致地层极易垮塌，此外地层温度过高也提高了钻井施工难度，致使整个钻井周期过长。该钻井液不仅具有良好的抑制性能、流变性能，而且防卡效果也突出，取心过程顺畅，收获率高达95.65%；防塌性能优异，二开、三开井径的扩大率平均为6.4%、2.7%，钻井施工过程中并没有发生严重的掉块现象，圆满地完成了施工工作。罗云凤等人通过室内优选实验，以分析钻井液的各类试剂毒性为基础，研制了新型环保海洋聚合醇钻井液。在120 ℃老化16 h后，性能参数变化较小，耐温性强，对油气储层的污染小。满足海洋钻井施工要求。老斜454井所在区块蒙脱石含量高，地层胶结较为疏松。在钻井作业过程中，由于造浆严重，从而致使钻井液中无用固相含量过高，改变流变性能，易造成井眼不稳定。陈文俊等人选用抑制性能较强的聚合醇水基钻井液，利用固控设备与聚合物絮凝包被剂的共同作用，改善了它的流变性能，并且具有较强的携带能力、抑制性、润滑性。

为了解决井壁与钻井液两者之间稳定性的矛盾，一种新型带正电的钻井液体系被研制出来，它就是正电胶钻井液体系。正电胶钻井液稳定井壁的机理为：一是在施工过程中正电胶钻井液能够在井壁附近处构成“静止膜”，减弱钻井液对井壁的侵蚀伤害；二是正电胶的胶粒还能在井壁处构成一层带正电膜，遏制泥页岩或黏土的水化扩散；正电胶钻井液中的阳离子促使添加剂对井壁的吸附能了增强，井壁处带正电膜是由添加剂相互之间的协同作用而形成的，阻挡水分子的进入，从而井壁得到稳定，油气储层也受到保护。

3 聚胺类钻井液体系

聚胺类钻井液是近年来国外研制出的一种新型水基钻井液，超强的抑制性能和防塌效果得到了广泛应用。黏土层之间通过其独有的分子结构被束缚在一起，并使得黏土电极间距减小，遏制了黏土的吸水倾向，阻止水分子在晶层间穿过，页岩膨胀的抑制则通过吸附或者交换替代金属阳离子来实现。

该体系目前应用广泛，因其同时具备油基与逆乳化钻井液的优点，对泥页岩水化膨胀抑制效果好，流变性能良好，以及抗温、抗污染能力强等特性。王昌军等人研制了一种与ULTRAHIB产品性能一致的聚胺抑制剂，根据UHIB配方优选出一套具有强抑制性的钻井液体系。在120 ℃，老化16 h后的性能参数为：YP为21.5 Pa，PV为28 mPa·s，AV为49.5 mPa·s，API滤矢量为4.8mL，滚动回收率高达96.2%，密度为1.20g/cm3。该体系具有较强的抑制性，良好的降滤失封堵性以及流变性，并且储层保护效果显著，90 mim动增水量为0，除去0.5 cm后的渗透率可以恢复到93%以上，应用前景广泛。由于深海区域黏土极易发生水化膨胀，经常出现井壁失稳问题，李建波等人针对此问题，通过室内实验研制出一种拥有较强抑制性能满足深水钻井要求的聚胺钻井液体系。

4 结语

井壁失稳、垮塌是钻探行业中一个亟需解决的难题。在钻井施工过程中如果发生井壁失稳、垮塌，就会导致钻井工作不能顺利进行，拖延钻井工期，从而增加了钻井成本。因此，如何有效解决井壁失稳、垮塌问题是现在科研人员的重点研究方向。文章从分析各类钻井液特点出发，油田泥页岩井段钻井液具有较好的流变性能，能够有效清洁井眼；老化前后滤失量均在合理范围内，满足防塌钻井液的要求；具有很好的抗污染、抗温能力。