水基钻井液配方组合的回顾与展望

水基钻井液配方组合的回顾与展望

摘要：本文是对我国水基钻井液技术的发展的一篇综合分析及发展趋向。介绍及叙述了聚磺钻井液的形成过程、硬脆性泥页岩地层分析及处理措施、从半透膜机理发展出的4种新体系（聚多醇类，甲酸盐类，甲基葡糖苷，硅酸盐类）、无渗透钻井液、胺基钻井液配方的组成和处理剂的发展新技术，最后提出了几点展望意见。

关键词：水基钻井液配方组合回顾综述我国钻井液处理剂技术在几十年的

发展中有两次关键性的突破。一次是70年代在四川地区钻7000米的深井三磺钻井液处理剂的研制成功，解决了深井钻井的井壁稳定问题。另一次是80年代研制成功的多类型有机聚合物处理剂，解决了浅井膨胀性泥页岩地层的“井壁稳定”问题。通过多年摸索，最终形成了目前的“聚磺钻井液”模式和十几种常用的钻井液处理剂。

1聚磺钻井液的形成

上世纪50年代初我国的钻井液类型属于细分散型，不久(1952年)即开始向用钙（石灰、石膏）处理的粗分散阶段过渡；70年代中期，三磺处理剂（磺化丹宁，磺化酚醛树脂，磺化褐煤）的研制成功，为四川地区钻探7000米深井提供了保障，到现在仍为深井不可缺少的主要处理剂。80年代初全国开展了“不分散低固相聚合物”钻井液的攻关工作，以丙烯酰胺或丙烯腈为主要原料的产品如雨后春笋，很快研制出了十几个品种，最终解决了钻浅部地层（2500m以上）、富含蒙脱土地层的膨胀、缩径等问题，进而形成了以“聚合物钻井液”命名的钻井液。但是这一钻井液不能适应井深超过2500m的地层，当进入伊利石含量较多的硬脆性地层时，所用钻井液就不能“不分散”了，必须加入某些磺化物或分散性类处理剂。当时为了克服各地区使用钻井液时出现的问题，全国开展了各种探索攻关课题。80年代由原石油部钻井司组织了一个全国性的基础课题,即“钻进地层和油层岩石矿物组份和理化性能的研究及分区分层钻井液标准设计的研究”。这一课题有全国19个油田和一个科研单位参加，共分析了全国的2万多块泥页岩，历时8年，综合后拟定了我国的“钻进地层的分类方法”和各地区的“分区分层的标准钻井液设计”。当时的想法是通过深入全面的地层岩石矿物分析和理化性能分析，拟定各地区的钻井液标准配方,以解决当时各油田遇到的井壁稳定问题但是对各地区的标准钻井液设计进行综合分析后却意外地发现：尽管全国各油田所处地区不同，地层性质有差异,但在钻井液技术的对策方面却有明显的规律可循,而且惊人地相似。

2硬脆性泥页岩地层分析及处理措施

尽管已经形成了较成熟的水基钻井液配方组合模式（聚磺钻井液），但还是不能得心应手，时有事故发生。这时开展了全国性的硬脆性泥页岩稳定问题科研攻关工作（列入中石油总公司的研究课题）。（根据已发表的30多篇文献）有关硬脆性泥页岩的主要观点和建议归纳如下。

（1）“七五”期间，由原石油部钻井司组织开展了“钻进地层和油层岩石矿物组成和理化性能的研究及分区分层钻井液标准设计的研究”课题[1]，对全国19个油田的钻进地层和油层岩石矿物组成和理化性能作了全面、系统的剖面分

析,内容包括：

①粘土矿物相对含量（I/S，C/S，C/S，I，K，C，间层比）。

②非粘土矿物组分与含量（石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿、石膏、重金石、方沸石、总量)。

③地层理化性能分析（密度、回收率、CEC、电动电位活度、原生水含量、膨胀率、CST、含盐量等等）。

（2）各科研单位、大专院校对硬脆性地层的防塌进行有针对性的研究,提出建设性的方案，有以下几方面：

①针对易坍塌地层的研究：如针对当时胜利油田沙三段,中原油田文东地区沙河街组三段以及其他油田硬脆性地层的坍塌问题及应对措施的研究[2~3]。

②关于硬脆性泥页岩稳定问题的措施和机理性研究：膨胀性堵漏材料的研发（用0.8~0.9mm石英砂床进行封堵试验）[5]；含水量对硬脆性泥页岩稳定的影响研究[6]；动滤失量和静滤失量与硬脆性泥页岩坍塌的关系研究[7]；粘土矿物电性质和抑制性的影响研究[8]；化学因素与力学因素耦合作用的影响研究，等等。

③理论计算和软件开发：用分形几何法描述天然裂缝，建立裂缝有效宽度模型的数学表达式[9]；用针入度法测定有关参数，导出页岩稳定指数d和相对页岩稳定指数dr[10]；用岩石力学方法建立预测井壁坍塌压力和破裂压力的模式[11]，建立井壁稳定力学系统程序等等。

④硬脆性泥页岩稳定措施的理论研究：提出比吸水的新概念[12]；提出紧密堆积理论，运用理想堆积理论可计算出暂堵剂的最大堆积密度和最小孔隙分数，从而提高暂堵剂的使用效果[13]；研制强抑制性的处理剂，形成纳米膜保护储层和稳定井壁[14]；等等。

（3）《钻井工程井壁稳定新技术》[15]一书出版。该书全面综合汇总了我国近十几年来在井壁失稳和井壁稳定方面进行的机理研究、提出的研究评价方法、研发的专用处理剂以及提出的新体系、新理论，基本包含了井壁稳定技术各方面的内容。综上所述，我国在硬脆性泥页岩井壁稳定问题上已经完成了大量工作，进行了很好的总结，有一些方法和技术已经见到了应用效果，并与国外发展同步，如用抑制剂+封堵剂解决硬脆性泥页岩的坍塌；用砂床作介质评价滤失效果；运用紧密堆积理论提高暂堵效果，等等。

3以半透膜机理发展出四种新体系[16]

在钻井液-井壁界面形成高效率半透膜是一种新的阻水思路。90年代以来，我国的钻井液处理剂中增加了四个新的品种，即聚多醇类、甲酸盐类、甲基葡萄糖苷（MEG）和硅酸盐类。

这四种新的抑制剂是在水基钻井液中有没有半透膜作用的争论中发展起来的。关于水基钻井液中有没有像油基钻井液中那样的半透膜作用的问题，国外已从争论有无发展到如何建立和提高水基钻井液中的半透膜作用保持井壁的稳定，如通过对各种电解质，水溶液活度的改变以及增强封堵能力的化学品的选择等。目前选出了上述四种化学品（甲酸钠、聚合醇、MEG、硅酸钠）。我国在原聚磺钻井液基础加入这四类化学品均使体系的抑制能力大大增加，可以认为是在抑制硬脆性泥页岩的技术措施上更进一步。

其机理是：利用活度控制原理，半透膜具有调控水流方向的作用。甲酸盐和乙酸盐溶液粘度高、渗透性高，对降低膨胀压有很好的效果，尤其是甲酸钾可同时降低膨胀压、页岩含水量和孔隙压力；甲基葡萄糖苷在一定浓度下可提高钻井液滤液的粘度，降低页岩中水的流动性和水的活性，从而使页岩脱水；聚多元醇

可提高滤液粘度，阻止滤液侵入页岩，聚乙二醇浊点是稳定页岩的另一机理，低于浊点温度时溶，高于浊点温度时发生相分离生成乳状液封堵孔喉，阻止滤液进一步侵入，浊点由聚多元醇的种类及矿化度决定；硅酸盐对环境污染小，可溶性的硅酸盐侵入页岩并迅速与孔喉流体中的二价离子（Mg2+、Ca2+）发生反应，生成不溶性沉淀物。另外孔喉流体为中性或酸性，有利于硅胶生成，硅胶和沉淀物组成的障碍可阻止滤液的进一步侵入，可封堵页岩小裂缝。

4无渗透钻井液

1990年，美国EDTI公司向市场推出了该公司生产的三种泥浆处理剂和一种被称为无侵害(或无侵入)钻井液的体系。这种体系可用于淡水、盐水、饱和盐水，抗温204℃，对于其他常用体系，无论是水基或油基都可以改造成符合要求的无侵害钻井液体系（处理剂加量仅为1%~2%）。体系特别是对油气层保护有突出的效果。此项技术的突出点是改变了沿用几十年之久的滤失量测定方法，用砂床（20~40目砂）而非滤纸作介质，从而更接近于井下的实际情况。

砂床滤失仪设计与API 室温常压滤失仪的结构相似，仅仅改变了过滤介质（用20~40目砂子350cm3）、过滤面积（18cm2，原API滤失面积为44.5cm2）及钻井液装入的量500mL（原API滤失仪为300~320mL）。将经API钻井液分委批准、使用了几十年的滤失量测定方法中的介质由滤纸改为砂床，让人有耳目一新的感觉。

5胺基钻井液

国外一种较流行的新的水基钻井液体系，称为高性能水基泥浆。该体系的特点是一种新型的氨基抑制剂，不水解，完全水溶，低毒并与其他常用水基添加剂配伍。氨基钻进液可以看成国外原阳离子钻井液的进一步发展，据称其抑制机理与聚醇类不同，可使膨润土的层间距下降，并具有成膜作用。

该体系仅由四种处理剂组成,即：页岩抑制剂；包被剂；分散剂；降滤失剂。

胺基钻井液的抑制性非常好，新型胺抑制剂在受到膨润土污染后，粘度几乎近似一条水平的直线。

为了测试这一体系的抑制性，专门研制了两种新仪器：一种是整体硬度测试仪。用于测试整块钻屑的硬度，其方法为：①把钻屑用盐水洗净②把试块放入带孔盘中，盘中已有已测定溶液或泥浆，热滚16h/6℃。③用扭力扳手加力。④观察扭力扳手读值。⑤试块越硬,扭力读值越大，抑制性越好。

另一种仪器是耐崩散性测试仪。其测试方法是将已知重量的尺寸的钻屑放入一个带孔圆笼中，使圆笼和钻屑浸没在欲评价的泥浆中旋转一定时间，碎化钻屑从圆笼中漏出，将留在圆笼中的钻屑洗净、烘干、称量，计算回收率。用该测试仪测定Field粘土、膨润土、Oxford粘土钻屑在3种抑制性钻井液中的总回收率，在胺基钻井液中的回收率均最高。

另外，还采用粘附聚集测试法测定4种胺基钻井液的泥包特性。在滚子炉中放入一根钢棒并对对被测试钻井液进行热滚处理，然后观察钢棒泥包状态。

6展望

（1）通过“无渗透钻井液”、“胺基钻井液”的介绍，可看出国外在水基钻井液配方的组合上有了很大进步，仅用3~4种处理剂，并提出了一袋化的口号。而我国形成的“聚磺钻井液”仍需要10种左右的处理剂，有一定差距，对于胺基钻进液可从提高胺的衍生物和低聚物方面考虑。

（2）从机理上来看，在前几年水基钻井液“半透膜”研究的基础上，进一步提高了封堵技术的研究成膜和封堵应是今后发展的方向。

（3）利用砂床进行滤失量的考核很有必要，应推广普及。

（4）在形成配方的方案选择上应该是从聚磺（聚合物+磺化物）向聚堵（聚合物+封堵剂）转化。

参考文献：

[1] 徐同台. 钻井地层和油层岩石矿物组成和理化性能的研究及分区分层钻井液标准设计的研究中国石油天然气总公司重点科技攻关项目成果报告编号40504[R]1 北京：中国石油天然气总公司 19981 11

[2] 邱正松, 李健鹰 1 硬脆性页岩坍塌机理的实验研究[J]1 钻井液与完井液, 1989, 6(2) 27 311

[3] 张兰英 1 泥页岩理化性能分析在钻井泥浆中的应用[J]1 钻井液与完井液, 1989, 6(2) 60 651

[4] 李健鹰, 邱正松 1 硬脆性页岩稳定性评价方法探讨[J]1 钻井液与完井液, 1990, 7(2) 20 231

[5] 刘志明, 殷文著, 李淑白1 膨胀性材料堵漏技术的室内评价[J]1钻井液与完井液 , 1991, 8(2) 82 871

[6] 王正良, 佘跃惠, 李淑廉 1 含水量对硬脆性泥页岩稳定性的影响[J]1 钻井液与完井液, 1995 , 12(6) 7 91

[7] 蔡永茂, 赵玉娟, 王树华, 等 1 用动态试验方法研究井壁化学稳定性[J]1 钻井液与完井液, 1995, 12(3) 39 451

[ 8] 张春光, 侯万国, 孙德军1 电性抑制性井壁稳定与油层保护[J]1钻井液与完井液, 2002, 19(6) 5 81

[9] 蒋海军, 鄢捷年, 张仕强 1 储层裂缝有效宽度模型探讨[J]1 钻井液与完井液, 2000, 17(2) 12 151

[10] 郭东荣, 李健鹰, 高锦屏1 评价泥页岩稳定性的新方法[J]1 钻井液与完井液, 1991, 8(2) 61 641

[11] 魏芳友 1 一种预测井壁坍塌应力的新模式[J]1 钻井液与完井液, 1992, 9(5) 21 281

[12] 王杰祥, 樊泽霞, 高锦屏 1 泥页岩水化稳定性评价指标的模糊聚类[J]1 油田化学, 2000, 17(2) 100 1031

[13] 张金波, 鄢捷年, 赵海燕1 优选暂堵剂粒度分布的新方法[J]1钻井液与完井液, 2004, 21(5) 4 71

[14] 崔迎春, 李家芬, 苏长明 1 纳米技术在石油工业上游领域应用初探[J]1 钻井液与完井液, 2003, 20(6) 11 121

[15] 徐同台、崔茂荣, 王允良, 等 1 钻井工程井壁稳定技术[M]1 北京:石油工业出版社, 19991 91

[16] 张克勤、方慧, 刘颖, 等1 国外水基钻井液/ 半透膜0的研究[J] 1钻井液与完井液, 2003, 20(6) 1 51