北部湾深层深井油基钻井液研究及现场应用*

郭 浩，易鹏昌，张立权，李 强，王养锋

（1.中海石油（中国）有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057；2.中海油服油田化学事业部 湛江作业公司，广东 湛江 524057）

随着常规浅地层等易开采地区油气资源的逐渐枯竭以及油气资源开发技术迅速发展，更为复杂的地层和海洋油气逐渐被开发[1-3]。在油气资源钻采过程中，易出现井壁失稳，起下钻、划眼异常困难等问题。向深部钻进的过程中会遇到各类复杂地层，深部地层普遍存在不同程度的微裂缝，由于水基钻井液滤失量大、抑制和封堵性能较差，大大增加了原有钻井液作业的风险，严重时则会导致井壁失稳，增大了钻井成本和风险[4，5]。随着钻探难度的增大，在保障安全及施工进度的情况下，油基钻井液成为了最优选择的钻井工作液[6]。但油基钻井液具有低滤失、强抑制性能，降低了钻井液滤液对井壁稳定的影响。而且由于微裂缝分布在深部地层，其尺寸最小可达纳米级别，使钻井液不能产生有效的封堵作用[7，8]。针对上述问题，国内外钻井液研究工作者通过添加纳米级封堵剂，对深部地层微裂缝进行封堵来维持井壁稳定。贝克休斯公司研究了一种聚合物纳米级封堵剂，能在井壁表面形成一层致密膜结构，达到稳定井壁的目的[9]。王建华[10]采用纳米级微球封堵剂封堵填充微裂缝地层。倪晓骁[11]改性纳米SiO2作为封堵剂，阻止了压力传递，对岩芯形成有效封堵。基于此，本文以N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷和全氟辛基三甲氧基硅烷改性纳米SiO2，在钻井液中评价其性能，最终形成一套高性能油基钻井液体系，并应用于钻井现场。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、无水乙醇、NaOH、CaCl2，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；纳米SiO2（AR 上海麦克林生化有限公司）；白油（工业级 中国石油天然气股份有限公司）；主乳化剂（ENVAMUL-16）、辅乳化剂（ENVAMUL-17）、有机土（MOGEL）、降滤失剂（MORLF）、CaO、屏蔽暂堵剂（CARB），工业级，中海油服化学有限公司；重晶石（工业级 石家庄博瑞建材有限公司）。

Nicolet iS5 型傅里叶红外光谱仪（美国Thermo Fisher 有限公司）；S3500 型激光散射粒度分析仪（美国Microtrac 公司）；XGRL 型高温滚子加热炉（青岛森欣机电设备有限公司）；ZNN-D6 型六速旋转粘度计（青岛恒泰达机电设备有限公司）；S3500 型激光散射粒度分析仪（美国Microtrac 公司）；GGS-42 型高温高压滤失仪（青岛得顺电子机械有限公司）；FA型钻井液专用可视砂床堵漏仪（青岛同春石油仪器有限公司）；HTD18984 型钻井液封堵性能评价仪（青岛创梦仪器技术服务有限公司）。

1.2 纳米封堵剂的制备和结构表征

1.2.1 纳米封堵剂的制备

（1）在三口圆底烧瓶中加入100 mL 乙醇/去离子水（v∶v=1∶1）混合溶液和50g 纳米SiO2，置于超声波仪器中超声分散30min，然后加入少量NaOH 调节溶液pH 值为9～10，使纳米SiO2表面充分水化；（2）在上述三口圆底烧瓶中加入20g N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷和30g 全氟辛基三甲氧基硅烷，通入N20.5h 后，置于温度为70℃的水浴锅中，恒温搅拌下反应4h，反应完毕后减压蒸馏除去乙醇、去离子水和未反应的原料，50℃下真空干燥至恒重，破碎、筛分即得到纳米封堵剂。

1.2.2 纳米封堵剂的特征

结构表征 通过傅里叶变换红外光谱仪压片法分析纳米封堵剂的结构。

粒径分布 采用激光散射粒度分析仪测试纳米封堵剂的粒径分布。

1.3 纳米封堵剂与油基钻井液的配伍性评价

油基钻井液基浆配方 360mL 白油+4.0%主乳化剂（ENVAMUL-16）+1.5%辅乳化剂（ENVAMUL-17）+3.0%CaO+3.0%有机土（MOGEL）+4.5%降滤失剂（MORLF）+2.0%屏蔽暂堵剂（CARB）+40mL 盐水（26%CaCl2）+重晶石（其密度为1.4g·cm-3）。

含有纳米封堵剂的油基钻井液在120℃下热滚了16h，流变性能测试温度为50℃，参考GBT16783.2-2012《石油天然气工业-钻井液现场测试》标准，评价纳米封堵剂对油基钻井液性能的影响。

1.4 封堵性能评价

砂床封堵 为了研究纳米封堵剂对油基钻井液封堵性能的影响，将含有不同浓度纳米封堵剂的油基钻井液在120℃下热滚16h，测试热滚后的油基钻井液在60～80 目砂床的封堵能力，油基钻井液侵入深度越小，则表明油基钻井的封堵性能越强。

砂盘封堵 采用渗透率为50 ×10-3μm2的砂盘替代传统滤纸，更加真实地模拟地层，通过钻井液封堵性能评价仪测试不同温度下热滚后的油基钻井液对地层的封堵性能。

1.5 泥饼质量评价

含有纳米封堵剂的油基钻井液充分搅拌后用高温高压滤失仪测试其30min 的滤失量（实验条件：120℃，3.5 MPa），将仪器内的油基钻井液倒出，获得油基钻井液泥饼；然后在仪器内加入一定量的去离子水，在120℃和3.5MPa 下测试泥饼在去离子水条件下的滤失量，通过式（1）计算泥饼的渗透率K。

式中 K：泥饼渗透率，10-3μm2；q：单位时间内去离子水滤失体积，cm3·s-1；l：泥饼平均厚度，cm；μ：去离子水在实验条件下的黏度，mPa·s；A：泥饼面积，cm2；△p：实验压差，MPa。

1.6 钻井液储层保护评价

参照石油天然气行业标准SY/T 6540－2002《钻井液与完井液损害油层室内评价方法》，评价油基钻井液的储层保护性能。在300r·min-1、3.5 MPa、120℃条件下，在高温高压动失水仪中用钻井液动态污染现场岩芯，采用岩芯流动实验仪测定油基钻井液污染前后的煤油渗透率，计算岩芯的渗透率恢复值。

2 结果与讨论

2.1 纳米封堵剂红外光谱分析

纳米封堵剂的红外光谱图见图1。

图1 纳米封堵剂的红外光谱图Fig.1 FTIR spectrum of plugging agent

由图1 可见，2915、2864cm-1处对应着亚甲基中C-H 的对称和不对称伸缩振动吸收峰，1454cm-1处为亚甲基的C-H 弯曲振动吸收峰；3386cm-1处对应着仲胺的N-H 的振动吸收峰，1352cm-1处出现C-N的振动吸收峰；804、1202cm-1处出现Si-O-Si 的对称和不对称伸缩振动吸收峰；1041cm-1处出现C-F 的强振动吸收峰，上述分析表明合成产物即为目标产物。

2.2 纳米封堵剂粒径分布

纳米封堵剂的粒径分布测试结果见图2。

图2 纳米封堵剂的粒径分布图Fig.2 Particle size distribution of plugging agent

由图2 可见，纳米封堵剂的粒径主要分布在10~ 200nm，其粒径较为集中，且粒径较小，有利于提高钻井液泥饼的致密性，降低泥饼的渗透率。根据理想充填[12]和D90规则[13]，该纳米封堵剂对微裂缝、低渗储层岩芯的孔喉有着良好的封堵性能。

2.3 纳米封堵剂对油基钻井液性能的影响

在油基钻井液基浆中加入一定浓度的纳米封堵剂，热滚后测试其流变性能、滤失量和破乳电压，实验结果见表1。

表1 纳米封堵剂加量对油基钻井液性能的影响Tab.1 Effect of amount of plugging agent on properties of oil-based drilling fluids

由表1 可见，纳米封堵剂的加量小于4%时，纳米封堵剂的加入对油基钻井液的塑性黏度（PV）和动切力（YP）的影响较少，使油基钻井液的破乳电压显著增大，提高了油基钻井液的稳定性，且显著降低了油基钻井液的高温高压滤失量；纳米封堵剂的加量为4%时，纳米封堵剂对油基钻井液的流变性能影响较大，综合考虑，推荐现场油基钻井液中纳米封堵剂的加量为2%~3%。

2.4 砂床封堵评价

在油基钻井液基浆中加入一定浓度的纳米封堵剂，120℃热滚后评价该油基钻井液对60～80 目砂床的封堵能力，实验结果见图3。

图3 纳米封堵剂加量对砂床侵入深度的影响Fig.3 Influence of amount of plugging agent on the penetration depth of sand bed

由图3 可见，未加纳米封堵剂的油基钻井液在砂床中的侵入深度为1.5cm；随着纳米封堵剂加量增加，其侵入深度逐渐降低，说明纳米封堵剂提高了油基钻井液的封堵性能，有利于减少钻井液侵入地层深部，降低了井壁失稳风险。综合考虑，纳米封堵的加量以2%～3%为宜。

2.5 砂盘封堵评价

在油基钻井液基浆中加入一定量的纳米封堵剂，经过120℃热滚后，置于封堵性能评价仪中，测试温度为热滚温度，评价该油基钻井液在高温高压下封堵性能，实验结果见图4。

由图4 可见，纳米封堵剂提高了钻井液的封堵性能，降低油基钻井液的滤失量，减少滤液对储层的伤害，提高油基钻井液的储层保护性能。纳米封堵剂的适宜加量为2%～3%。

2.6 泥饼渗透率评价

在油基钻井液基浆中加入一定量的纳米封堵剂，经过120℃热滚后的油基钻井液通过高温高压滤失仪获得泥饼，并测试泥饼的渗透率，其实验结果见图5。

图5 纳米封堵剂加量对泥饼渗透率的影响Fig.5 Effect of amount of plugging agent on filter cake permeability

由图5 可见，纳米封堵剂的加入使油基钻井液形成泥饼更致密，降低钻井液对地层的干扰。随着纳米封堵剂加量增加，其泥饼的渗透率逐渐降低，有利于钻井液泥饼在裂缝和孔隙中进行有效封堵，达到稳定井壁的目的。纳米封堵剂的适宜加量为2%～3%。

2.7 钻井液储层保护评价

用未含和含有3%纳米封堵剂的油基钻井液污染岩芯，其岩芯渗透率恢复值见表2。

表2 油基钻井液储层保护性能分析Tab.2 Analysis on reservoir protection performance of oil-based drilling fluid

由表2 可见，由于岩芯渗透率较低，其孔隙度较小，纳米封堵剂可有效提高泥饼质量，降低固相和液相进入岩芯孔隙深部，纳米封堵剂提高了油基钻井液的直接反排效果，表现出良好的储层保护性能。

3 现场应用

3.1 现场油基钻井液性能分析

将本文研究的油基钻井液应用于南海北部湾复杂地区涠洲油田X-1 井，组合三开8-1/2"井段定向钻具，下钻探水泥塞面@3346m，替入油基钻井液。钻进过程中，现场油基钻井液性能见表3。

表3 油基钻井液性能设计和现场实际性能Tab.3 Performance design and actual field performance of oil-based drilling fluid

由表3 可见，室内研究的油基钻井液应用于现场，符合现场钻井液性能设计，从滤失量和破乳电压（ES）分析，本文研究的油基钻井液性能稳定，封堵性能强，有利于现场钻井安全。

3.2 井壁稳定分析

由于8-1/2"井眼环空间隙小，激动压力大，故采用低流态钻进，从而获取较低的井底当量循环密度（ECD 值），无漏失现象。三开井段钻井过程中，现场油基钻井液性能稳定，未出现井壁失稳现象，且筛面返砂良好，返出岩屑都具有极好的成型，无掉块及剥落片，见图6。

图6 现场钻屑形态Fig.6 Field cuttings morphdogy

3.3 起钻速度分析

本项目8-1/2"井段最大井深4886m，裸眼段长1489m，对加入纳米封堵剂前后的现场油基钻井液对钻具起钻速度的影响进行分析，现场数据见表4。

表4 8-1/2"井段起钻时效统计Tab.4 Efficiency statistics of 8-1/2" interval

由表4 可见，未加纳米封堵剂之前，第一趟起钻速度仅为100m·h-1左右；而加入纳米封堵剂之后，起钻速度均大于200m·h-1，起钻速度显著提高，表明优化后的油基钻井液使井壁更规则，现场数据表明，室内研究的油基钻井液成功应用于南海北部涠洲油田X-1 井。

4 结论

（1）以有机硅单体改性纳米SiO2制备的纳米封堵剂提高了油基钻井液的封堵和稳定性能，降低了油基钻井液泥饼的渗透率，有利于钻井液泥饼在裂缝和孔隙中进行有效封堵，达到稳定井壁的目的。纳米封堵剂能减少钻井液进入储层孔喉深部，降低钻井液对储层的伤害；

（2）纳米封堵剂与油基钻井液具有良好的配伍性，且流变性能满足现场钻井液性能设计，成功应用于南海北部涠洲油田X-1 井，优化后的油基钻井液使钻具的起钻速度显著提高，使井壁更规则，缩短了现场钻井周期。