有機鹽鉆井液技術研究與應用現狀

尹華洲

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163413）

近年來，“安全、優質、高效、環?！钡挠^念已經逐漸被國內鉆井公司采納和執行。為了既兼顧油基鉆井液的高井壁穩定能力，又避免油基鉆井液高成本高污染的缺點，國內石油石化行業和石油院校等研究機構，一直在致力于研究一種綜合性能與油基鉆井液相近的高性能水基鉆井液。聚合醇鉆井液、硅酸鹽鉆井液、甲基葡萄糖苷鉆井液、有機鹽鉆井液等都是具有代表性的鉆井液新技術。其中，又以有機鹽鉆井液技術綜合性能較為突出，相繼形成了KCl-有機鹽鉆井液、聚合醇有機鹽鉆井液、復合有機鹽鉆井液等技術，在新疆高溫深井、四川頁巖氣井等得到大范圍應用，均取得了良好的應用效果。因此，有機鹽鉆井液系列技術為高溫深井、超深井和致密油、頁巖氣等疑難復雜井安全鉆進提供了可行的鉆井液解決方案。

1 有機鹽鉆井液技術特點分析

有機鹽鉆井液最初主要是指甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫等有機鹽替代無機鹽形成的鉆井液技術。隨著技術發展，有機鹽發展為多種低碳（C1-C6)有機酸根陰離子與一價金屬離子（Na+、K+、NH4+、NH3+等）生成的物質，包括有機酸鹽、有機酸銨鹽、有機酸季銨鹽以及它們的復合物，以這些復合物配制基液而形成的鉆井液叫做有機鹽鉆井液。這種鉆井液具有極強的抑制防塌性能、抗高溫性能，在高壓地層、易水化膨脹和分散的水敏性泥頁巖地層具有特殊適應性，目前國內在吐哈油田、克拉瑪依油田大范圍應用，取得了良好效果，在川渝頁巖氣開發中也發揮了重要作用。

1.1 基本組成及特點分析

配制有機鹽鉆井液基液的系列主劑有Weigh1、Weigh2、Weigh3、Weigh4 等，加量多在30%~40%之間，因其水溶性好、密度較高，配制的基液密度最高能達到1.80g/cm3，再加入與之配套的提切劑、降失水劑和泥餅改善劑等輔劑，最終形成的鉆井液具有以下特點：①抑制性強。有機鹽鉆井液的抑制性很強，特別是對蒙脫石、伊利石和伊蒙混層含量較高的泥頁巖地層具有良好的抑制水化分散和膨脹的作用，適合于易水化膨脹、易垮塌泥巖、頁巖鉆井，有利于井壁穩定、井眼規則；②潤滑性好。有機鹽鉆井液有非常好的潤滑性，其潤滑性能甚至優于油基鉆井液，大量的有機酸根具有很強的表面活性，本身就是很好的潤滑劑，并能吸附在金屬或粘土表面，形成潤滑膜，同時，低固相含量能有效地降低摩擦系數。在大斜度定向井和長水平段水平井中能夠明顯降低起下鉆摩阻，減少托壓現象發生；③現場易維護。有機鹽鉆井液處理劑品種少、固相含量低、性能穩定，且抗污染能力強，在現場施工過程中易與維護和處理；④安全環保性好。有機鹽鉆井液無毒、無害、無腐蝕、無污染、易生物降解，滿足SHE要求，有利于油氣層保護和環境保護。

1.2 抑制機理分析

有機鹽鉆井液的主要技術優勢就是具有良好的抑制性，適合于易水化膨脹、易垮塌泥巖、頁巖鉆井。抑制機理主要表現在以下幾方面：①水活度低。有機鹽鉆井液中水的活度遠比地層水的活度小得多，這將產生一個滲透壓力使巖石中的水保持滲流入鉆井液的趨勢，鉆井液中的水不會滲流入巖石，這有利于井壁穩定及鉆屑、粘土的不分散；②離子交換。有機鹽溶液中電離出的大量的陽離子K+、NH4+、[NHxR4-x]+可通過靜電引力吸附進入粘土晶格（尤其是蒙脫石晶格中），抑制粘土表面水化及滲透水化膨脹；③有機酸根離子吸附。有機酸根陰離子XmRn（COO）lq-可吸附帶負電的粘土端面，抑制其水化分散；④壓縮雙電層。有機鹽陰、陽離子對粘土顆粒的吸附擴散雙電層具有較強的壓縮作用，從而較強地抑制坂土分散。有機鹽水溶液的抑制性，在很大程度上取決于有機鹽的加量，也就是說能否達到平衡巖石中的吸附壓，讓巖石中的水向鉆井液完井液方向移動，有機鹽的加量越多，移動的動力越大。

2 有機鹽系列鉆井液技術

2.1 甲酸鹽鉆井液

甲酸鹽（甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫等）鉆井液屬于20世紀90年代就開始研究和使用的一種有機鹽鉆井液體系，主要是為了降低常規水基鉆井液中土粉、加重劑等固相顆粒對儲層的傷害，以及減少油基鉆井液使用對環境造成的污染。甲酸鈉、甲酸鉀等有機鹽類比氯化鈉、氯化鉀等無機鹽的溶解度更高，可以廣泛溶解于淡水、海水，且對鉆具的腐蝕性較小，在20世紀80年代末國外已經有甲酸鹽體系成功打成多口大難度井的施工案例。之后在國內大港油田等區塊也成功應用，相比常規水基鉆井液，甲酸鹽鉆井液配方簡單，現場施工維護簡單，且鉆井液性能穩定性強，鉆進中漏斗粘度波動值在25s 以內，還表現出良好的潤滑性和儲層保護能力。但甲酸鹽的高成本問題，也限制了推廣應用的范圍。

2.2 有機鹽鉆井液

最早的有機鹽鉆井液體系是由Weigh2 和Weigh3兩種水溶性加重劑、Redu1 和Redu2 兩種配套降濾失劑、Visco1 和Vsico2 兩種提切劑、無熒光白瀝青封堵劑NFA-25 和強包被抑制劑IND10 組成。2000 年在塔里木東河油田DH 區塊進行了現場應用，在井深小于5000m 時，有機鹽濃度控制在10%左右，井深大于5000m 時，有機鹽濃度在15%左右，鉆井液成本有效控制基礎上，鉆井液抑制性等綜合性能得到極大提升，二開井段平均井徑擴大率僅為5.4%，取芯、起下鉆和完井作業，3次電測以及下套管作業順利[1]。

渤海鉆探為解決大港油田甲酸鹽、硅基防塌、有機正電膠等常規鉆井液形成濾餅和進入儲層的濾液堵塞了油氣通道,不能最大限度發揮水平井瀉油面積的難題，開發了一套有機鹽鉆井液體系，綜合性能穩定，抑制性、抗污染能力強、環保、無固相，有利于保護油氣層、提高機械鉆速和提高固井質量等優點，解決了井壁穩定和保護油氣層之間的矛盾，通過在大港油田的應用，取得了非常好的效果[2]。

2.3 有機鹽聚合醇鉆井液

川慶鉆探工程公司針對四川頁巖氣開發過程中頁巖易吸水導致的井壁剝落、掉塊和坍塌等復雜情況，在有機鹽鉆井液基礎上引入具有“濁點效應”的聚合醇，最終形成一套有機鹽聚合醇鉆井液體系。這套鉆井液體系除了具有有機鹽鉆井液的強抑制性外，封堵性能也得到大幅度提高，因為當井底溫度大于聚合醇“濁點”溫度時，會向鉆井液中析出具有彈性的膠體顆粒，膠體顆粒會在鉆井液壓差作用下進入到頁巖裂縫中起到封堵降失水的作用[3]。這套鉆井液體系的配方如表1所示。

表1 有機鹽聚合醇鉆井液配方

在室內對體系抑制性、封堵性等綜合性能進行了評價，并與聚合物鉆井液、聚磺鉆井液性能進行了對比。從實驗結果可知：①有機鹽聚合醇鉆井液24h頁巖滾動回收率達到99%（清水回收率92.4%），高于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的92.4%和98.0%，8h線型膨脹量為1.05mm（清水），遠低于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的1.39mm和1.15mm，說明有機鹽聚合醇鉆井液抑制性比同類其他鉆井液強；②在90℃條件下的高溫高壓失水實驗，有機鹽聚合醇鉆井液濾失量僅為5.0mL，遠遠低于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的17.6mL和11.0mL；③活度檢測實驗顯示，有機鹽聚合醇鉆井液活度為0.541，小于聚合物鉆井液和聚磺鉆井液的0.571 和0.569。體系在N206井取得成功應用，連續取芯和起下鉆作業均沒有壓差卡鉆現象，提速效果明顯，PDC鉆頭機械鉆速達10.97m/h，牙輪鉆頭機械鉆速達6.29m/h。

2.4 KCl-有機鹽鉆井液

為解決空氣鉆后地層井壁容易發生吸水膨脹導致井壁失穩的井下難題，西南油氣田公司工程技術研究院在有機鹽鉆井液基礎上對鉆井液抑制性進一步升級，形成了KCl-有機鹽聚合物鉆井液[4]。鉆井液在有機鹽和KCl 雙重作用下能夠有效抑制空氣鉆后裸露地層水化分散和膨脹的難題，鉆井液配方如表2所示。室內評價實驗可知，這套體系的滾動回收率（清水，27.5%）和線型膨脹率（清水，23.0%）分別為91.2%、11.0%，均高于KCl-聚合物鉆井液和有機鹽聚合物鉆井液，加入5%土粉后，鉆井液性能變化小；鉆井液體系API濾失量在老化前后都只有2mL，150℃高溫高壓濾失量小于10mL，且攜巖能力較強，綜合性能大幅度提升[5]。

表2 KCl-有機鹽鉆井液配方

KCl-有機鹽聚合物鉆井液在雙魚石區塊進行了現場應用，順利鉆過沙一段、涼高山組、自流井組及須家河組強水敏性泥巖地層，施工中井壁穩定，井眼通暢，振動篩上返出巖屑規整、棱角分明，井徑規則，平均井徑擴大率小于10%，起下鉆及后期電測、下套管作業順利，為該區塊深層頁巖氣的高效勘探提供了技術支持。

3 有機鹽鉆井液發展趨勢

近年來，隨著鉆井工藝和化工材料科學進步，水基鉆井液技術得到了飛速發展，有機鹽鉆井液技術的獨特優點也越來越受到重視和廣泛應用。但從有機鹽鉆井液多年來的應用實例來看，有機鹽鉆井液的性能和成本等方面還有許多工作需要開展：①要解決有機鹽成本較高的難題，為保證鉆井液體系的強抑制性和良好流變性，有機鹽的加量通常在30%以上，由于有機鹽單位成本較高，這就導致鉆井液總體成本居高不下，有研究者選擇添加無機鹽或者復合無機鹽來降低有機鹽加量，但也會損害有機鹽鉆井液的總體性能，往往得不償失，也限制了有機鹽鉆井液的推廣應用范圍。因此，需要通過技術手段或改善合成工藝來降低有機鹽單位成本；②要對有機鹽鉆井液作用機理、有機鹽與配套處理劑相互作用機理以及高溫高密度條件下有機鹽流變性控制機理進行深入研究，只有對機理深入研究基礎上，才能開發出抗溫性好、綜合性能優異的有機鹽鉆井液；③加強有機鹽鉆井液回收和重復再利用技術研究，加強廢棄鉆井液重復利用方面的研究工作，不僅僅是基液回收的問題，還包括鉆井液的繼續利用以及轉化成其他工作液問題。