國內油基鉆井液研發(fā)現狀與思考

黃津松 張家旗 王建華 楊海軍 閆麗麗

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206)

0 引言

隨著復雜深井和非常規(guī)水平井開發(fā)的逐步深入，油基鉆井液技術面臨越來越多的挑戰(zhàn)。以塔里木油田庫車山前為代表的復雜深層，同時面對異常高壓和巨厚鹽膏層等技術難題，溢、漏、塌、卡并存，需要用油基鉆井液來保障鉆井安全，但該區(qū)塊國產油基鉆井液應用比例不足5%，仍存在抗鹽水污染能力和抗超高溫不足等技術短板[1,2]。川渝、新疆和大慶等非常規(guī)油氣藏采用水平井開發(fā)，采用油基鉆井液來保持井壁穩(wěn)定和減小摩阻，但油基鉆井液經過多次重復利用后性能難以控制。

目前國內外對油基鉆井液配方、處理劑和現場應用進行了較全面的研究，研制出一系列性能良好的油基鉆井液體系，如抗高溫油基鉆井液、低油水比油基鉆井液、無粘土油基/合成基鉆井液和全油基油基鉆井液體系等。但是，仍存在頁巖氣井水平段井壁失穩(wěn)、高溫高密度油基鉆井液流變性難以調控、油基鉆井液回收再利用等技術難題。為便于系統(tǒng)了解近年來國內油基鉆井液技術的現狀，本文對國內油基鉆井液技術進展進行了梳理，分析了國內油基鉆井液研究現狀、存在的具體問題，并探討性地提出未來的發(fā)展方向。

1 油基鉆井液處理劑研發(fā)現狀

1.1 乳化劑

乳化劑是保證油基鉆井液性能穩(wěn)定的關鍵，起到降低油水界面張力，形成穩(wěn)定的保護膜、防止液滴碰撞聚集的作用[3]。國內目前常用的乳化劑主要有有機酸、有機酸酰胺、有機酸脂、脂肪酸鹽、多元醇脂類等。妥爾油脂肪酸與酸酐發(fā)生加合反應，形成網狀結構的乳化劑，改變了“棒狀”結構，具有更好的乳化能力和抗溫性能[4]。

以三乙醇胺、氯磺酸和十二烷基苯為主要原料，經氯化、烷基化和磺化三步反應得到一種星型結構的乳化劑，由于其特殊的星型結構，形成的油包水乳狀液電穩(wěn)定性好，較低加量下具有較高的乳化率[5]?，F場應用中，固體乳化劑易于儲存、運輸、添加，包裝運輸成本低且計量方便。

采用油酸(或妥爾油脂肪酸)、二乙烯三胺在催化劑作用下制備的固體粉狀乳化劑EmuL-S，性能與國外固體乳化劑基本相當，制備工藝更簡單[6]。

1.2 降濾失劑

油基鉆井液用降濾失劑在體系中的主要作用是控制濾失量，部分降濾失劑兼具調控流變性、輔助乳化的功能，常用產品包括改性腐殖酸類、高軟化點瀝青類和高分子聚合物類。瀝青類產品由于不環(huán)保、對鉆井液流變性影響大和抗溫性能差等問題，其應用推廣受限[7]。通過二乙烯三胺和十八烷基三甲基氯化銨對腐植酸進行酰亞胺化改性和親油改性，制備出油基降濾失劑DR-FLCA，降濾失性能良好并有輔助乳化和降黏作用，適用于抗高溫高密度油基鉆井液[8]。以苯乙烯、丙烯酸丁酯和丙烯酸作為單體，合成了水性丙烯酸樹脂WAR，其封堵性能優(yōu)良，降濾失和抗溫性能均優(yōu)于氧化瀝青。以癸酸乙烯酯和苯乙烯為主要單體，三聚氰酸三烯丙酯為交聯劑，合成一種聚合物類油基鉆井液降濾失劑，具有抗高溫和低毒環(huán)保等優(yōu)點[9]。

1.3 有機土

有機土是油基鉆井液中的最基本的親油膠體，起增粘提切、降低濾失量的作用，直接影響鉆井液的流變性和懸浮穩(wěn)定性。有機土大多是通過季銨鹽結構的有機化合物、磷脂衍生物、有機酸化合物、非離子表面活性劑等對膨潤土改性得到[10]。目前，有機土存在增粘提切效果差、膠體率低、生產成本高等問題。用十八烷基二甲基芐基氯化銨和妥爾油基聚羧酸高聚物和鈉基蒙脫土反應形成結構均勻的有機土復合物，在低毒油包水鉆井液中耐溫性良好，210℃老化后可保持基本流變性[11]。通過三種不同季銨鹽陽離子表面活性劑對納基膨潤土多次改性，然后用聚合物進行插層，制備了一種白油基鉆井液用有機土，其具有良好的增粘提切效果[12]。采用“二次插層固液聯法”制備的有機土SINOL GEL，增粘、降濾失效果好，膠體率接近98%，性能接近國外同類產品，已形成規(guī)模化應用[13]。

1.4 封堵劑

油基鉆井液用封堵劑多為瀝青類產品，具有一定物理封堵作用，但封堵廣譜性和高溫穩(wěn)定性差，影響流變性。以納微米級球狀凝膠復合微米級剛性粒子和片狀/纖維狀封堵材料形成的復合封堵劑與油基鉆井液配伍性好，可有效改善泥餅質量，隨鉆封堵頁巖地層微孔、微裂縫，已在涪陵地區(qū)取得較好地現場應用[14]。采用改性磺化瀝青、碳酸鈣、納米SiO2和苯乙烯丙烯酸酯共聚物等制備的復合封堵劑PF-MOSHIELD，粒徑分布范圍廣，熱穩(wěn)定性較好，在油相中可均勻分散，對不同尺度裂縫有一定的封堵能力[15]。使用丙烯酸酯、苯乙烯與丙烯酸等共聚，制備了以丙烯酸樹脂為殼、石英粉為核的核殼型封堵劑，其對油基鉆井液流變性能影響小，具有較高的封堵強度和耐高溫性能，可實現較寬范圍的封堵[16]。

2 油基鉆井液體系研究現狀

2.1 抗高溫高密度油基鉆井液

隨著深層油氣的大力開發(fā)，鉆遇地層溫度和壓力越來越高，高溫高密度油基鉆井液技術難題越來越多，主要體現在流變性和穩(wěn)定性難以控制。通過研制一種新型改性腐殖酸降濾失劑，形成了一套抗高溫高密度全白油基鉆井液，抗溫達220℃，密度最高至2.4g/cm3[17]。中石油工程院研發(fā)了乳化劑、有機土、降濾失劑等關鍵處理劑，形成了最高密度2.6g/cm3、抗溫200℃的抗高溫高密度油基鉆井液，已在塔里木油田庫車山前區(qū)塊、川渝頁巖氣地區(qū)推廣應用[18]。

2.2 低油水比油基鉆井液

高油水比油基鉆井液用油量大，產生的鉆屑的含油量高，部分油基鉆井液體系的處理劑用量過大，為降低鉆井液綜合成本帶來極大困難[19]。油水比對油基鉆井液的性能影響顯著，低油水比容易導致油包水乳狀液的流變性、乳化穩(wěn)定變差。李勝等研究了油水比對油基鉆井液性能的影響，通過提高乳化劑加量、降低有機土加量在低油水比條件下獲得了性能優(yōu)良的油基鉆井液，并成功用于焦頁54-3HF等多口井[20]。李舟軍等研制了一種高切力、低油水比油基鉆井液，油水比可低至70/30，體系抗高溫達到200℃，在焦頁54-1hf井成功應用[21]。

2.3 無土相油基鉆井液

無土相油基鉆井液不含有機土、瀝青類材料等膠質組分，因此可獲得較高的機械鉆速，同時具備優(yōu)良的流變性和觸變性強，是油基鉆井液發(fā)展的重要方向[22-25]。無土相油基鉆井液的核心處理劑是提切劑，使用二乙醇胺對二聚脂肪酸進行酰胺化改性，得到一種改性脂肪酸提切劑，其吸附在油水界面上，構建了網架結構，起到提切和穩(wěn)定乳液的作用，與改性脂肪酸主乳化劑、脂肪酸酰胺輔乳化劑和水性丙烯酸樹脂降濾失劑等關鍵處理劑共同構建了一套無土相油基鉆井液體系，抗溫達220℃，高溫高壓濾失量可控制在5mL以內[26]。以油溶性聚合物提切劑、復合型乳化劑為核心構建了無土相油基鉆井液體系，配方簡單，具有高密度下塑性黏度、靜切力低的優(yōu)點，可有效解決因結構強度太大造成泵壓過高誘發(fā)的井漏問題，為頁巖氣水平井安全快速鉆進提供了技術保障[27]。

2.4 環(huán)保油基鉆井液

常規(guī)柴油作為基礎油，成本低，但存在芳香烴含量高、毒性大等問題，不能滿足環(huán)保要求，在環(huán)境敏感地區(qū)已限制使用[28]。氣質油制備困難，成本高，在“降本增效”的大環(huán)境下難以規(guī)模化推廣應用。通過加氫催化裂化、二級催化氧化和加氫對原料油脫硫脫芳得到新型基礎油，其毒性不足柴油的10%，芳香烴含量遠低于柴油，具有低毒環(huán)保的特點，且滿足配制油基鉆井液的性能要求[29]。以月桂醇為原料，與環(huán)氧氯代烷、和三氟化硼·乙醚反應生成月桂醚可作為生物質合成基鉆井液用基液，其具有低黏、無毒的特點，配制的油基鉆井液抗溫達150℃[30]。以植物毛油為基油，研制配套乳化劑、有機土和降濾失劑，形成一套抗溫達150℃的植物油基鉆井液體系，其具有廉價、環(huán)保無毒的特點，產生的廢棄物處理成本低廉，綜合成本高[31]。

2.5 全油基鉆井液

全油基鉆井液油水比大于95/5，具有穩(wěn)定性好、易維護、保護油氣儲層等優(yōu)點，其可調控密度范圍廣，在低壓油氣藏中得到了很好的應用[32-34]。以低密度礦物油為基礎油，加入多種封堵材料配制了強封堵全油基鉆井液，密度低至0.9～0.95kg/L，其削弱了壓持效應，從而提高機械鉆速，儲層保護效果提高近10%，在塔中地區(qū)儲層鉆進得到很好應用[35]。用白油作分散相，優(yōu)選有機土、有機土激活劑、乳化劑、降濾失劑、潤濕劑等，形成一套密度0.92～2.00g/cm3、抗溫200℃的全油基鉆井液體系，解決了蘇53區(qū)塊超長裸眼段鉆進中的井壁失穩(wěn)難題，機械鉆速快[36]。

3 結語

國內油基鉆井液經過近幾年的發(fā)展，市場應用比例逐步增長，但處理劑研發(fā)和體系研究與應用方面仍需要進一步提高。

(1)提高乳化劑、降濾失劑和有機土/增粘提切劑的抗溫性，從而形成抗220℃以上超高溫油基鉆井液體系。

(2)需要研發(fā)油基鉆井液用潤濕防塌劑和納-微米級微裂縫封堵材料，解決因頁巖地層的井壁失穩(wěn)問題，研究低成本、高效能油溶性絮凝劑，清除老漿中微米-亞微米級有害固相，形成強封堵頁巖氣版油基鉆井液體系。

(3)研制高效乳化劑，形成性能穩(wěn)定的低油水比油基鉆井液體系，降低油基鉆井液成本，減輕環(huán)保壓力。

(4)優(yōu)化抗高溫高密度鉆井液體系，實現井底-地面大溫差下的流變性調控，提高體系的抗高溫沉降穩(wěn)定性。

(5)優(yōu)選或制備低毒環(huán)?；A油，研發(fā)配套處理劑，形成低毒環(huán)保油基鉆井液體系。

(6)分區(qū)域研究制定統(tǒng)一的處理劑標準和現場技術規(guī)范，形成適合不同區(qū)塊的統(tǒng)一油基鉆井液體系，解決長水平段井壁失穩(wěn)、高溫沉降穩(wěn)定等重大技術難題。