文章编号:100125620(2007)0320074204国外高性能水基钻井液技术发展现状张启根　陈馥　刘彝　熊颖(西南石油大学化学化工学院,四川成都)摘要　介绍了贝克休斯公司开发的高性能水基钻井液的基本组成、优良性能以及在世界部分油田的现场应用情况。

该钻井液具有油基钻井液的各种性能,可有效稳定页岩、提高岩屑整体性和机械钻速、减小扭矩和阻力,且有利于环保,已被广泛应用于各种钻井。

从应用效果看,无论是PDC 钻头还是牙轮钻头,机械钻速都达到了27.4m/h ,实现了较低的稀释率和较高的固相清除率,其摩擦系数与油基钻井液相同,最大程度地减少了钻头泥包和聚结现象。

与油基钻井液相比,可大幅度节省钻井期间的完井时间,解决了高性能钻井与环保要求的协调问题。

关键词　高性能水基钻井液　钻井液性能　钻速　井眼稳定　综述中图分类号:TE254.3文献标识码:A 随着全世界各油田的开发逐渐进入中后期,钻井作业的难度和油气井开发成本都在急剧地增加。

典型的高难度井有超深井、高温井、高压井、大位移井和深水井,在多数情况下,井身剖面设计越复杂,在钻井中遇到的井下复杂情况也越多,经常遇到的问题有扭矩过大、起下钻遇阻、卡钻、机械钻速低、井眼失稳、井漏和地层伤害等。

在国外,解决这些问题的传统方法是采用油基和合成基钻井液。

但是,随着环保部门对钻井液和钻屑毒性的控制日益严格,油基和合成基钻井液的使用受到了很大程度的限制。

因此各国石油工作者做了大量的工作,研制出了一系列的功能独特的新型环保钻井液,它们在解决世界各油田的复杂钻井过程中发挥了各自的作用。

其中具有代表性的是美国贝克休斯公司近期开发出的高性能水基钻井液,其性能与油基钻井液相似,且具有环保和低成本的特点。

1　高性能水基钻井液介绍贝克休斯公司的研究人员从考察油基逆乳化钻井液所具有的特性入手,研究了油基逆乳化钻井液的作用机理,做了大量的基础试验、处理剂的筛选试验、体系配伍性试验,采用了一系列来自于非石油行业领域的技术,研制、筛选、改性以及复配了各种新型处理剂,并使用了一些独特的专利产品,最终开发出了这种高性能水基钻井液。

该体系的设计思路采取了“总体抑制”理念,即在保证页岩、黏土和钻屑稳定性的同时,改善一些关键性能,如提高机械钻速、防止钻具泥包及降低扭矩、起下钻遇阻现象等。

开发出的高性能钻井液基本配方为[2]:25.7kg/m 3膨润土+4.3kg/m 3P HPA +10.0kg/m 3铝络合物+14.3kg/m 3聚胺+3.1kg/m 3低黏度PAC +2.0kg/m 3常规PAC +11.4kg/m 3沥青颗粒该体系已在世界范围内得到广泛应用,其应用效果已在墨西哥湾、巴西、利比亚、澳大利亚和沙特阿拉伯等地区的现场试验中得到证实。

在中东钻井时测得的钻井液性能[2]如下。

<444.5mm 井眼:密度为1.28g/cm 3,塑性黏度为24mPa ・s ,动切力为104.3Pa ,胶凝强度为28.7Pa/71.8Pa/86.2Pa ,滤失量为4.8mL ,p H 值为10.8,高温高压滤失量为15.0mL ,膨润土含量为64.2g/L ,L GS (低密度固相)为7.49%(V /V )。

<311.1mm 井眼:密度为1.88g/cm 3,塑性黏度为36mPa ・s ,动切力为119.7Pa ,胶凝强度为38.3Pa/71.8Pa/91.0Pa ,滤失量为4.0mL ,p H 值为10.7,高温高压滤失量为12.5mL ,膨润土含量为57.1g/L ,L GS 为6.20%(V /V )。

从以上数据可以看出,高性能钻井液的组成与常规水基钻井液有较大的区别,其性能与油基钻井液相差很小,是性能优良又环保的新型水基钻井液。

第一作者简介:张启根,1981年生,西南石油大学在读研究生,主要从事油田应用化学的研究。

地址:四川省成都市西南石油大学硕05级5班;邮政编码610500;E 2mail :zhangqigen1981@ 。

第24卷第3期 钻　井　液　与　完　井　液 Vol.24No.32007年5月 DRILL IN G FL U ID &COMPL ETION FL U ID May 20072　高性能水基钻井液的特点2.1　页岩稳定性[3]在钻井过程中,大约有占总数75%的地层为页岩层,而且超过90%的井眼失稳问题是由页岩不稳定所引起的,所以提高页岩稳定性是高性能钻井液的重要指标之一。

保持页岩稳定最重要的方法是防止压力传递入页岩中,这是一个依时性的过程,并且页岩在钻井液中的浸泡时间比钻屑在钻井液中的浸泡时间高出许多倍。

页岩自身实际上扮演了半透膜的作用,因为其富含黏土矿物的基质能够抑制溶质的移动。

滤液的侵入改变了近井壁地层的压力分布情况并促使页岩失稳。

当滤液侵入减少,支撑压力稳定时,便可实现页岩稳定。

1)力学角度分析。

高性能水基钻井液中加入了一种微细且可变形的聚合物来封堵页岩孔隙、喉道和微裂缝。

该聚合物即使在高浓度的盐溶液中依然能保持稳定的颗粒尺寸分布。

特殊的颗粒尺寸分布再加上它的可变形特点,使其可以与页岩上的微孔隙相匹配并沿着裂缝架桥同时紧密充填,从而提高钻井液的封堵效率[425]。

对于常规的封堵剂,如碳酸钙等超细颗粒,其粒度经常不能与这些微孔隙和微裂缝很好匹配,因此不能实现有效的封堵。

2)化学角度分析。

高性能水基钻井液中还加入了一种铝酸盐的络合物。

这种络合物在强酸性水溶液中以[Al(O H2)6]3+的形式存在;当p H值为4.6时,两个羟桥又连接形成双核的铝离子的络合物[Al(O H)(O H2)5]2+;当溶液碱浓度继续升高时,铝的羟化络合物又转化成白色羟化铝沉淀[6]。

根据铝络合物的这一原理,其在钻井液中是可溶的,但当它进入页岩内部后,由于碱浓度的升高以及与多价阳离子的反应,则会生成沉淀[2]。

一项关于孔隙压力传递和页岩膜效率的研究表明,在水基钻井液中使用铝酸盐可以获得最高的膜效率。

一组常规聚合物钻井液、油基钻井液和高性能水基钻井液对页岩抑制作用的比较数据如下:回收率分别为97.6%、101.7%和103.6%;水化率分别为17.6%、-3.0%和4.2%;膨胀率分别为23.0%、12.8%和11.3%。

高性能水基钻井液之所以比常规聚合物钻井液具有更高的页岩稳定性,是因为该体系采用了这种独特的新方法来获得选择性半透膜,其中既用到了力学方法,也用到了化学方法。

研究结果表明:使用常规水基钻井液,地层压力随时间延长而升高;而使用高性能水基钻井液和合成基钻井液,地层压力随时间的延长而降低。

这是因为:后2种钻井液的压力传递及膜效率特性十分高,使地层中流体单向流入钻井液中,而普通水基钻井液的膜效率极低,使钻井液中水单向流入页岩中,使地层压力高,导致页岩不稳定[5]。

2.2　对黏土、钻屑的抑制性[7]钻井过程中若钻井液不能有效地抑制黏土矿物的水化分散,钻井就会出现一系列的问题,如钻头泥包、钻井液净化不良、很高的稀释效率以及流变参数和滤失量难以控制等。

高性能钻井液可以通过以下途径使钻屑变得稳定:抑制黏土膨胀,减小膨胀压力;堵塞孔隙,防止逆向渗透,使水流入钻屑内部的趋势减弱;利用聚合物的包被作用,防止钻屑分散。

高性能水基钻井液使用了一种具有保持性、易溶于水的聚胺类衍生物的混合物CHS来抑制黏土的水化分散。

CHS的作用机理与KCl一样,通过利用阳离子交换抑制黏土和钻屑的水化分散,但是不存在像KCl那样潜在的环境保护问题[7]。

表1是基浆和加了聚胺类黏土抑制剂的钻井液对黏土的抑制作用的对比。

表1　聚胺对黏土的抑制作用[1]体系硬度变化率/%水化率/%膨胀率/%基浆23.4014.2931.49加了聚胺的钻井液13.8311.2223.50因为C HS可有效地抑制黏土和黏性页岩地层的水化和塑化作用,所以它还具有防止钻头泥包的作用。

低分子量聚胺类处理剂与黏土的反应机理包括:氢键力、偶极作用和离子交换作用,此外还有与低分子量的胺所发生的相互作用[8]。

高性能水基钻井液还使用了一种高分子量的部分水解聚丙烯酰胺来包被钻井过程中产生的钻屑,防止钻屑在环空中循环时发生破裂。

因为P H PA 是一种高分子量的阴离子型聚合物,它吸附钻屑带正电荷的部位后可以起包被作用,从而使钻屑的分散程度尽可能降低,提高固控设备的清除效率。

高性能水基钻井液通过加入部分水解聚丙烯酰胺和聚胺类,使固相清除效率和所钻地层稀释效率的效果比常规水基钻井液高许多,在不少情况下能达到油基钻井液的效果[5]。

75　第24卷第3期 张启根等:国外高性能水基钻井液技术发展现状 2.3　提高机械转速和防止钻头泥包特性[9]钻头泥包和机械钻速的提高受许多因素的影响,如钻井液的类型、水马力、冲击压力和钻头类型,钻屑的尺寸和黏附性也影响钻头泥包的趋势。

用于提高钻速的最有效添加剂是能够在金属和岩石表面产生润湿性反转并形成亲油膜的处理剂,这样就可以减弱甚至在多数情况下可完全消除水化黏土和钻屑对金属表面的黏附作用。

在高性能水基钻井液中使用了一种获得了专利的抗泥包添加剂,该处理剂可覆盖在金属和岩石表面,而且其所用基液和表面活性剂都具有良好的环保特性。

该处理剂还具有防止钻屑聚结的能力,因而可以提高井眼净化效率。

加入抗泥包/提高钻速添加剂还可以降低在钻具组合、钻杆与井眼之间的摩擦阻力。

目前,使用高性能水基钻井液的平均摩擦系数为0.23。

典型乳化钻井液的摩擦系数为0.16～0.57,水基钻井液摩擦系数为0.21～0.23。

2.4　温度稳定性[1,10]当钻井液达到更深地层的时候,由于地层处于高温高压,钻井液要求更高的性能以维持在高温条件下的稳定。

目前油基钻井液已经能在232℃的高温条件下保持较好的钻井性能并进行正常钻进。

但是,高性能钻井液还不能达到232℃这个极限,此钻井液不抗高温主要是由于含有水溶性聚合物所造成的,在本体系中水溶性聚合物主要用来作为抗滤失剂和黏度控制剂。

因此将来的工作需要扩大钻井液在高温下维持体系的稳定和保证钻井液性能,目前高性能水基钻井液的最高使用温度为149℃。

2.5　环境保护方面目前,处理钻屑和废弃钻井液的方法主要有3种:直接排放到海里、回注井下和陆上处理。

在美国、英国、挪威和黑海等地区,对控制环境污染的要求更为严厉,现场操作人员使用多种方法处理钻井废弃物,因为管理钻井废物的总成本大大高于收集和排放钻井废物的理论成本[11]。

在许多地方,操作人员必须考虑钻井液对环境的长期潜在的危害和当今对钻井废弃物管理的法令。

英国北海的环保部门规定如果油基钻井液和合成基钻井液在钻屑上的滞留质量超过了总量的1%,那么就不能向环境排放。

因此油基钻井液和合成基钻井液必须经过处理,做到“零排放”。