新型高性能環保鉆井液的研發及應用

李林靜

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司技術中心，遼寧盤錦 124010）

鉆井液是油氣鉆井過程中各種循環流體的總稱[1]，被譽為“鉆井的血液”，在生產中具有冷卻鉆頭、潤滑鉆具、清洗鉆孔、平衡地層壓力等作用[2]。不同鉆探環境對鉆井液性能指標的要求不盡相同，但隨著環保意識的逐漸加強，打造既能保障性能又能保護環鏡的鉆井液體系已成為鉆井液領域的重要科研目標。

為解決現有環保型鉆井液體系的不足，本研究工作自主研發出4 種無毒無害的環保型處理劑，并應用上述試劑進行了大量室內實驗，對其進行性能評價，調整配方及用量，最終通過配方優化構建出高性能淡水及鹽水環保型鉆井液體系，成功應用于蘇里格地區的油田現場。

1 新型試劑的研發及特點

為使該環保型鉆井液具有良好流變性及降濾失能力，同時保障其抑制性、封堵性及潤滑性，自主研發出降濾失劑GWFL-N、抑制劑GWDPMA、封堵劑GWSEAL、潤滑劑GWLUBNF 等新型試劑。其研發機理、試劑組成、試劑功能及其與同類產品的對比情況如下。

1.1 降濾失劑GWFL-N

GWFL-N 是抗溫抗鹽反相乳液降濾失劑。室溫下，將AMPS、丙烯酰胺、DMDAACD 等單體水溶后，用NaOH 將溶液的pH 值調節至7～8，得到單體溶液。在三口燒瓶中加入正己烷、司盤80，攪拌均勻，邊攪拌邊加入上述單體溶液，在進行攪拌乳化的同時通入氮氣30 min，保持氮氣持續吹替，加入一定量的引發劑（過硫酸銨溶液與亞硫酸氫鈉溶液）。反應至規定時間后即制得能自由流動的GWFL-N 降濾失劑乳液。

將提純后的產品用溴化鉀壓片制樣，在紅外光譜儀上進行結構分析，所得結果見圖1。3 481 cm-1處為（C=O）-N 的N-H 的伸縮振動吸收峰；3 060 cm-1處為環中-CH2-的C-H 鍵的特征峰；2 920 cm-1處為主鏈-CH2的C-H 鍵特征峰；1 730 cm-1處為酰胺基團C=O 的伸縮振動吸收峰；1 639 cm-1和1 620 cm-1處分別為酰胺基團的C=O 和N-H 吸收峰；1 552 cm-1處為N-H 鍵變形振動吸收峰；1 456 cm-1處為-CH2-的C-H鍵彎曲振動吸收峰；1 394 cm-1處為-CH3的特征吸收峰；1 295 cm-1處為C-N 伸縮振動吸收峰；1 183 cm-1和1 046 cm-1處為-SO3-的特征吸收峰。該紅外光譜圖表明，成品GWFL-N 分子鏈上帶有分子結構設計的設想基團，證明了結構設計的正確與可行性，得到了預期產物。

圖1 GWFL-N 降濾失劑紅外光譜圖

GWFL-N 是高分子聚合物，能有效降低鉆井液濾失量、有助于穩定井壁、形成高質量泥餅。同時該試劑還能阻止濾液傷害地層，有效維護正常鉆井生產活動[3]。

在此之前，實驗室內和油田現場常用的降濾失劑有改性淀粉、聚陰離子纖維素PAC-LV、水解聚丙烯腈銨鹽NH4-HPAN、鉆井液用降濾失劑JJFD-Ⅰ等。按照國家能源局頒布的行業標準SY/T 6788—2010《水溶性油田化學劑環境保護技術評價方法》對上述降濾失劑進行生物毒性檢測，得到結果見表1。

表1 降濾失劑生物毒性檢測表

由表1 可知，新型GWFL-N 降濾失劑無毒無害，是一種可以媲美改性淀粉的環境友好型降濾失劑。

1.2 抑制劑GWDPMA

由丙烯酰胺、丙烯酸以及氫氧化鉀配制成溶液進行水溶聚合，然后在過硫酸銨中引發，最終烘干粉碎成功制備GWDPMA 頁巖抑制劑，這是一種丙烯酰胺衍生物，呈粉末狀。該試劑由單體合成，有固定的基團比例，結構及性能穩定。

該抑制劑具有碳碳雙鍵和一些活性官能團，因此具有交聯性單體的特性，能形成性能優異的共聚物[4]。同時，其具有抑制地層水化膨脹的能力，能很好地改善鉆井液流變性、減少動切力，降低黏度，提高鉆井速度。

以往常用的鉆井液抑制劑有多元包被抑制劑、聚胺（液體）、兩性離子聚合物包被劑FA-367 等。經生物毒性檢測，GWDPMA 和以上幾種抑制劑均為無毒化學品。對上述試劑進行化學需氧量檢測，結果見表2。

表2 抑制劑化學需氧量檢測表

化學需氧量（COD）是指在規定條件下，待檢試樣中能被氧化物氧化所需耗用氧化劑的量，它是衡量試樣中還原性污染物濃度的綜合指標[5]。新型GWDPMA抑制劑化學需氧量低，污染物少，具有長期穩定性，能有效降低鉆井液稀釋次數，改善鉆屑質地，提升儲層的抗石灰侵、抗氣侵、抗水泥侵、抗固相侵能力。

1.3 封堵劑GWSEAL

GWSEAL 為鉆井液用防塌封堵劑，是乙烯樹脂衍生物。該試劑的合成采用反相乳液聚合法：將聚合物樹脂制備成單體水溶液，在油溶性表面活性劑作用下將其與有機相形成油包水型乳狀液，再經油溶性引發劑引發聚合反應，將聚合物樹脂部分磺化，即制得GWSEAL封堵劑。對其進行粒度分析實驗，結果見表3。

表3 GWSEAL 封堵劑粒度分析表

深井鉆探中地層環境極為復雜，鉆井活動易造成井壁失穩。因此需要在鉆井液體系中添加封堵劑，提高地層承壓能力，維持井壁穩定[6]。GWSEAL 封堵劑是乙烯樹脂衍生物，其分子鏈兩端具有極其活潑的雙鍵，釋放到井壁處能夠迅速固化，提供一定的力學強度，起到封堵作用。同時，該試劑還具有高度耐腐蝕性及耐堿性，具有一定的耐水解能力，能有效封堵井壁，保護地層。該試劑透射電鏡表征圖像見圖2。

圖2 GWSEAL 封堵劑電鏡表征圖像

其他常用封堵劑有磺化瀝青FT-1A、納米乳液封堵劑以及纖維類封堵材料。磺化瀝青含有磺基，水化作用強，作用不穩定且易于揮發[7]，對環境存在一定污染。經檢測，其化學需氧量高達4 868.0 mg/L。而纖維類封堵材料通常在井壁無法形成有效的低滲阻擋層，在微裂縫上搭橋時無法有效阻止鉆井液侵入，封堵作用較弱。納米乳液封堵劑則是一種比較環保的納米級微粒封堵劑。同樣，新型GWSEAL 封堵劑也規避了以上缺陷，具有有效封堵性，經過生物毒性檢測證明其無毒無害，對環境友好。

1.4 潤滑劑GWLUBNF

GWLUBNF 是一種低熒光型鉆井液用潤滑劑，由多種脂類和表面活性劑加工精制而成，是水分散型黃色乳液。在其研發過程中進行了潤滑油基礎油優選，該試劑由極壓劑與優選出的潤滑油基礎油在35～50 ℃條件下攪拌復配制得。

經檢驗證實，該新型潤滑劑無生物毒性。與油性石墨等傳統潤滑劑相比，該新型試劑不改變地層表面的親油親水性，可生物降解，是一種安全環保的鉆井液處理劑。

GWLUBNF 潤滑劑能顯著提高鉆井液的潤滑性能，降低泥餅黏滯系數。該試劑在金屬表面具有較強的吸附能力，故能改善鉆具表面活性，有效的減摩、抗損，降低鉆井扭矩，防止壓差卡鉆[8]。同時其低熒光特性還有利于錄井等后續生產工作。

2 淡水及鹽水鉆井液體系的構建

實驗分別測試了上述新型環保試劑的性能，通過控制變量法將其與同類處理劑進行對比，并通過大量室內實驗，優選出基礎土漿及其他配套處理劑，將自主研發的新型處理劑整合進鉆井液配方，構建高性能環保型淡水及鹽水鉆井液體系。

2.1 基礎土漿及配套處理劑的優選

鉆井液體系基礎土漿選用膨潤土配制，具有良好流動性及承載能力。實驗選取蘇里格頁巖區塊的地質條件作為評價標準，確定熱滾溫度及高溫高壓濾失量實驗溫度為130 ℃。用膨潤土配制不同濃度基礎土漿，在其中添加基礎試劑，測定各濃度基礎土漿的流變性，最終選用1%膨潤土漿為基礎土漿。

基礎試劑包括提黏提切劑和氯化鉀。其中提黏提切劑選取聚陰離子纖維素PAC-HV 和黃原膠XC 進行評價。氯化鉀在鉆井液體系內有抑制泥頁巖水化分散、防止井壁坍塌的作用，鉆井液體系中通常會加入氯化鉀，調配成含鹽體系。但為保障體系環保，防止氯離子進入地層污染水體，實驗配制了鹽水及淡水兩種體系，淡水體系中不含氯化鉀，分別對兩組體系進行了流變性測量，實驗結果見表4。其中老化環境為130 ℃高溫下熱滾16 h。

表4 提黏提切劑及鹽溶液優選實驗

實驗數據表明，應用XC 作提黏提切劑的鉆井液體系在熱滾前后性能更加穩定，因此選取XC 作為體系的配套處理劑。表4 數據顯示，氯化鉀鹽的添加與否對體系流變性影響不大，因此在后續實驗中同時調配了鹽水及淡水兩種鉆井液體系。

2.2 新型試劑與同類試劑的對比評價

2.2.1 評價降濾失劑 通過中壓濾失量實驗對水解聚丙烯腈銨鹽NH4-HPAN、改性淀粉、PAC-LV 以及新型試劑GWFL-N 等降濾失劑進行評價。將土漿+XC 作為淡水體系基礎土漿，將土漿+XC+KCl 作為鹽水體系基礎土漿，分別加入上述降濾失劑，在老化前后測得的API濾失量見表5。老化環境為130 ℃高溫下熱滾16 h。

表5 降濾失劑性能評價表

實驗表明，新型GWFL-N 降濾失劑具有明顯的降濾失作用，降失水效果比改性淀粉更加明顯，與NH4-HPAN、PAC-LV 降濾失效果接近，可以應用在環保體系中替代原有降濾失劑。

2.2.2 評價抑制劑 抑制劑的主要作用是抑制巖層被侵蝕成小顆粒碎塊水化分散，保護井壁防止坍塌。為評價新型GWDPMA 抑制劑與多元包被抑制劑、聚胺（液體）、兩性離子聚合物包被劑FA-367 等其他常用抑制劑進行了巖屑回收實驗。同樣將土漿+XC 作為淡水體系基礎土漿，將土漿+XC+KCl 作為鹽水體系基漿，分別加入上述抑制劑，各取350 mL 裝入高溫老化罐，在各老化罐中加入35 g 巖屑，經過16 h 高溫熱滾后測量剩余巖屑質量，實驗結果見表6。

表6 抑制劑性能評價表

由表6 可知，新型GWDPMA 抑制劑在淡水體系和鹽水體系中都發揮了良好抑制性，其在淡水體系中的巖屑回收率高達85.10%，在鹽水體系中的巖屑回收率高達94.10%，與同類處理劑相比，新型GWDPMA 抑制劑的性能相當出色，抑制性高，安全環保。使用新型GWDPMA 抑制劑后回收烘干的巖屑見圖3，左邊托盤為淡水體系回收的巖屑，右邊托盤是鹽水體系回收的巖屑。

圖3 應用新型GWDPMA 抑制劑進行巖屑回收率實驗

2.2.3 評價封堵劑 封堵劑具有一定的封堵性，通過API 濾失量實驗對其進行評價，失水量小即表明封堵效果好。選取土漿+XC 作為淡水體系基礎土漿，選取土漿+XC+KCl 作為鹽水體系基礎土漿，分別加入新型GWSEAL 封堵劑、磺化瀝青FT-1A、乳化瀝青、HNL（漢科納米封堵劑）進行API 濾失量實驗，得到的實驗結果見表7。

表7 封堵劑性能評價表

不難看出，新型GWSEAL 封堵劑在鹽水中的封堵性能比其他常用封堵劑更加優越，在淡水中也體現出了較好的封堵性。使用GWSEAL 封堵劑能有效防塌封堵，保護油氣層。

2.2.4 評價潤滑劑 實驗通過極壓潤滑儀進行潤滑性能實驗，在淡水體系和鹽水體系中各加入新型GWLUBNF 潤滑劑、無熒光潤滑劑、油性石墨，對其進行潤滑性評價，實驗結果見表8。

表8 潤滑劑性能評價表

表8中，k1是極壓潤滑儀在16.95 N·m 扭力下測量蒸餾水時儀表示數，k2則是同樣扭力下測量各組鉆井液時儀表示數，經公式可計算出潤滑系數，潤滑系數越小表明鉆井液體系潤滑性越好。潤滑系數的計算公式如下：

由表8 可知，新型GWLUBNF 潤滑劑在淡水體系及鹽水體系中都有很好的潤滑性，大幅降低了基礎土漿的潤滑系數，比同類產品效果更好，在鹽水體系中也更加穩定。

2.3 體系整體調配

上述對比評價實驗表明，自主研發的一系列新型試劑不僅安全環保，且性能優越，可應用于鉆井液體系，在生產中替代大部分同類產品。

調整體系時另外添加了燒堿，促進處理劑分散，提升膨潤土水化能力。在鹽水體系中，另外添加淀粉作降濾失劑：經大量實驗表明，淀粉在鹽水體系中能與新型GWFL-N 降濾失劑發揮協同作用，更有效地降低鉆井液濾失量。同時，淀粉也是一種環保型降濾失劑，成本低，經濟效益高。

實際生產中應用的鉆井液體系應具有多級分散的顆粒分布。即在鉆井液中必須有大、中、小各種顆粒[9]，新型GWSEAL 封堵劑是一種固體粉末，因此在配方中添加了呈液體狀態的HNL 納米封堵劑，為體系添加納米級微小顆粒，使鉆井液能有效封堵各種規格的地層孔隙。

提升鉆井液體系承載能力才能使各種顆粒合理分布，在鉆井過程中，由大到小的顆粒會相繼橋堵孔隙，形成致密濾餅，防止地層污染，實現鉆井液循環功能。加重劑選用較為常見的重晶石，該處理劑能促使鉆井液體系有效控制地層壓力，防止地層涌水、坍塌，抑制井噴[10]，同時該試劑還能提升鉆井液承載能力，有效調整密度，實現平衡壓力鉆進。

調整后的新型高性能環保淡水及鹽水鉆井液體系配方如下：

1#淡水體系：1%膨潤土漿+0.2%NaOH+GWFL-N降濾失劑+GWDPMA 抑制劑+0.3%XC+GWSEAL 封堵劑+HNL（漢科納米封堵劑）+GWLUBNF 潤滑劑+185 g重晶石；

2#鹽水體系：1%膨潤土漿+0.2%NaOH+GWFL-N降濾失劑+淀粉+GWDPMA 抑制劑+0.35%XC+GWSEAL 封堵劑+8%KCl+HNL（漢科納米封堵劑）+GWLUBNF 潤滑劑+152 g 重晶石。

經大量實驗反復調整，確定了試劑加量，最終得到的流變性數據見表9。各組配方流變性實驗的測量溫度為50 ℃，高溫老化環境為130 ℃下熱滾16 h。

表9 新型高性能環保淡水及鹽水鉆井液體系流變性

兩組體系在老化前后均進行API 濾失量實驗，對老化后的淡水及鹽水體系配方進行高溫高壓濾失量實驗，實驗結果見表10。高溫高壓濾失量實驗溫度為130 ℃。

表10 新型高性能環保淡水及鹽水鉆井液體系濾失量

以上實驗結果表明，該鉆井液體系能完美契合蘇里格區塊的施工環境，具有良好的流動性、降濾失性、封堵性及潤滑性，可以在后續生產工作中投入現場應用。

3 體系環保性評價

對新型高性能環保淡水及鹽水鉆井液體系進行了生物毒性檢測，結果見表11。

表11 新型高性能環保淡水及鹽水鉆井液體系生物毒性檢測表

經證實，新型環保鉆井液體系的生物毒性等級為無毒，是一種安全環保、無毒無害的環保型鉆井液。

4 現場應用情況

位于蘇里格區塊的劉家溝組，石千峰組，石盒子及山西組等地存在多個漏層，常規井主要漏失地層為劉家溝組及目的層，經常發生惡性井漏，經過多次靜止堵漏、承壓堵漏及水泥堵漏，效果均不理想，水平井井漏集中在目的層，井漏問題突出（圖4）。此外，蘇里格區塊常年開采造成地層虧空以及壓裂、酸化等原因造成地層壓力變化，承壓能力逐年降低，目的層井漏嚴重。直羅組地層泥巖還存在不穩定現象：此前蘇里格區塊表層套管只封住直羅組洛河水層，100 多米不穩定泥巖段裸露，動力鉆具起下鉆刮碰井壁，掉塊滯留井筒聚堆形成砂橋，導致電測遇阻；蘇里格區塊大號邊緣水平井，地層膠結差，地質疏松，高伽馬值硬脆性泥巖鉆遇率高，施工難度進一步加大，以82 排水平井尤為突出。

圖4 常規井及水平井的井深結構示意圖

針對上述問題，在蘇里格現場隨機選取了1 口常規定向井和1 口水平井，皆采用新型環保鉆井液體系，分別與不參與試驗的生產井進行了對比。其中常規井在二開至2 800～3 100 m 采用淡水體系，在3 100 m 至完鉆（3 600～4 100 m）過程采用鹽水體系。水平井在二開至2 800 m 采用淡水體系，2 800 m 至三開水平段采用鹽水體系。

試驗井2口，平均井深3 443 m，平均鉆井周期13 d，平均完井周期16.5 d；不參與試驗的生產井共有114口，平均井深3 507.71 m，平均鉆井周期13.1 d，完井周期17.23 d。從對比數據可以看出：在試驗井平均井深比不參與試驗的生產井少64.71 m 前提下，試驗井鉆井周期略好于不參與試驗的生產井鉆井周期0.1 d，基本持平；試驗井完井周期略好于不參與試驗的生產井完井周期0.73 d，基本持平。更換鉆井液體系進行對比實驗后，其性能對比見表12。

表12 試驗井與非試驗井的鉆井液性能對比數據表

進行數據對比可以看出，試驗井的動切力與動塑比都比非試驗井高，而初終切比非試驗井低，在生產過程中還發現，試驗井的平均井徑擴大率大于非試驗井，改型后的濾失量也比等類型油井更低，有良好的降濾失效果。

除了應用于蘇里格現場外，該鉆井液體系還先后應用于遼河油區的現場，均取得良好效果。其中冷210井完鉆井深3 690 m，鉆井周期41 d，完井周期50 d，該井井底溫度120～130 ℃，全井段未添加任何黑色處理劑，實現處理劑徹底去黑。完井階段鉆井液高溫高壓失水9 mL（120 ℃），出罐狀態良好，在多趟的電測中均一次到底，全井無復雜工況，打破了該區塊施工易復雜的情況，完美的保障了該井的順利施工，取得了環保型水基鉆井液階段性技術突破。

洼77-H3 井的完鉆井深3 953 m，垂深2 665.26 m，水平位移1 486.03 m，水平段超過1 000 m，全井段施工順利，創洼77 塊水平井裸眼段最長，水平段最長兩項施工紀錄。

雷123 井完鉆井深4 486 m，全井施工順利，完井電測一次成功，鉆井液保障該井施工順利，打破該區塊施工井易復雜的困境。其中，三開設計井深3 165 m，新型環保鉆井液體系最終助力三開完鉆井深度達到3 464 m，創造了該區塊三開Φ311.1 mm 施工最深紀錄。

5 小結

綜上所述，新型降濾失劑GWFL-N、抑制劑GWDPMA、封堵劑GWSEAL、潤滑劑GWLUBNF 具有良好性能，安全環保，能應用于淡水及鹽水鉆井液體系，適配現場的生產環境，提供良好的鉆井液流變性和降濾失能力。

新型高性能環保淡水及鹽水鉆井液體系達到了無毒、去色及可生物降解的環保目標，同時體系流變性及濾失性得到了優化，自主生產的新型環保試劑降低了鉆井成本，解決了區塊地質條件對鉆井液性能要求高的技術難題，推動了環保鉆井工程技術的發展。