苏53区块全油基钻井液的研究与应用

李建成， 关 键， 王晓军， 孙延德， 鲁政权， 任 艳

(中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁盘锦 124010)

苏53区块位于苏里格气田的西北部，区域构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部中带。该区块含气地层为古生界二叠系的石盒子组，储层孔隙度5.0%～14.0%，平均8.9%，渗透率0.1～1.0 mD，平均0.782 mD，属低孔隙、低渗透储层。为了增大油气泄流面积、提高单井产量、实现规模效益开发，采用长水平段水平井技术开发[1-3]。由于储层上部为粗砾及中粗粒砂岩，地层存在大量原生裂缝，加之该区块地层压力系数低，钻井过程中容易发生漏失。目的层段存在硬脆性泥岩，极易发生化学失稳从而导致坍塌掉块。此外，随着水平位移越来越大，钻进过程中的传压、防卡及预防岩屑床形成等问题也越来越突出。以往应用的聚合物有机硅钻井液体系及复合盐钻井液体系需要的处理剂种类繁多、配制工艺复杂、维护困难，而且使用效果不够理想，经常出现下钻遇阻、卡钻、井漏等井下故障。针对苏53区块的储层特点及钻井液技术难点，笔者研发了全油基钻井液体系，该体系性能稳定、抑制性强、润滑性好、抗污染、储层保护效果好，能够解决苏53区块目的层段井壁失稳、裸眼漏失和润滑防卡等难题[4-6]。

1 全油基钻井液处理剂优选

全油基钻井液的基础配方由有机膨润土、激活剂、降滤失剂和润湿剂等4种主处理剂组成，处理剂种类少，现场易于配制，维护便捷。其中有机膨润土 GW-GEL、激活剂 GW-OGA、降滤失剂 GW-OFL 为自主研发，润湿剂 MO-WET 采用试验对比优选。

1.1 有机膨润土

有机膨润土在钻井液中主要起增黏提切的作用，因此其性能的好坏将直接影响钻井液的流变性能和携岩能力[7]。各种有机膨润土均是由不同结构的季铵盐阳离子或具有离子交换能力的有机改性剂与钠基膨润土发生阳离子交换而制得的。合成有机膨润土的方法采用环保的干法生产工艺，其流程为：钠基膨润土分散制浆—提纯—改性—覆盖—过滤—干燥—研磨—包装。室内测试“白油+3.0%GW-GEL有机膨润土”在不同温度下的流变性，测试结果(见表1)表明，所制备的有机膨润土性能满足油基钻井液的要求。

表1有机膨润土成胶率和流变性评价

Table1Evaluationonthegellingrateandrheologyofhistosol

温度/℃成胶率,%表观黏度/(mPa·s)塑性黏度/(mPa·s)动切力/Pa静切力/Pa259413.510.03.51.0/1.512010014.010.53.51.0/2.015010014.59.55.02.5/3.518010016.510.06.53.0/4.020010018.011.07.03.0/5.0

1.2 有机膨润土激活剂

用于油基钻井液的有机膨润土由于使用的原料不同、有机改性剂不同，其在不同油品中的造浆能力差异较大，有时达不到油基钻井液所需的黏度和切力要求，为此，研发了一种可以改善有机膨润土配浆能力的有机膨润土激活剂GW-OGA。该处理剂为多官能团的小分子聚合物，其特点是在较短时间内能使有机膨润土在白油中迅速分散、溶胀成胶，提高和改善有机膨润土的成胶率和造浆能力。在基浆中分别加入自主研发的激活剂GW-OGA和其他激活剂进行了对比试验，结果见表2。由表2可知，在常温下几种激活剂对试验所用有机膨润土的作用效果较小，加温后作用效果均有明显提高，相比之下，自制的激活剂略好于其他激活剂。

表2 有机膨润土激活剂的对比试验Table 2 Comparison and test of various histosol activators

注：基浆为白油+3.0%有机膨润土(美国SWACO)。

1.3 降滤失剂

自主研发的油基钻井液降滤失剂GW-OFL为合成油溶性高分子聚合物，是通过对油基钻井液中游离油相的吸附和高分子的封堵作用而起到降滤失作用。该降滤失剂在降低滤失量的同时，还有明显的增黏提切效果。在基浆中分别加入不同产地的降滤失剂进行对比试验，结果(见表3)表明，该降滤失剂比现有的同类降滤失剂降滤失效果好。

表3 国内外不同油基钻井液降滤失剂性能对比Table 3 Evaluation of filtrate reducer for various oil-based drilling fluids in the world

注：基浆配方为白油+3.0%GW-GEL+0.5%GW-OGA+0.5%CaO，密度0.92 kg/L。

1.4 润湿剂

重晶石表面是亲水的，在油相中不分散，全油基钻井液中加入未经改性的重晶石粉后会导致流动性变差,甚至丧失流动性[8-11]。因此，全油基钻井液中需加入润湿剂，使重晶石粉和劣质土表面发生润湿反转，由亲水变为亲油。分别在基浆中加入2.0%不同产地的润湿剂，然后加重至2.0 kg/L，对润湿剂进行优选,结果见表4。从表4可以看出，几种润湿剂在常温下均有良好的润湿效果，但高温老化后，有4种润湿剂导致基浆流变性变差甚至丧失，YB-307和MO-WET的润湿效果较好，但YB-307经高温老化后，有刺鼻的异味。综合评价后，选用MO-WET作为全油基钻井液体系的润湿剂。

表4 润湿剂筛选试验结果Table 4 Screening result of wetting agents

注：基浆配方为白油+3.0%GW-GEL+0.5%GW-OGA+1.5%GW-OFL+0.5%CaO，密度2.0 kg/L。

2 全油基钻井液体系性能评价

经过对各种全油基钻井液主处理剂的优选，确定以5#白油作为分散相，以保证钻井液具有良好的流变性和润滑性能[12-15]，用有机膨润土 GW-GEL 和激活剂GW-OGA来提高钻井液的黏度和切力，以降滤失剂GW-OFL控制滤失量，用润湿剂MO-WET来调整重晶石粉和岩屑的表面活性，用乳化剂VERSA-MUL提高钻井液的稳定性，遇到漏失性地层时可加入超细碳酸钙和乳化封堵剂作为钻井液的防漏堵漏剂。在室内对各处理剂加量进行反复优化，最终形成了密度为0.92～2.00 kg/L、抗温能力达200 ℃的全油基钻井液体系，其配方为：5#白油+3.0%GW-GEL+0.5%GW-OGA+1.5%GW-OFL+0.5%CaO+2.0%MO-WET+3.0%CaCO3+ 1.0%乳化剂+2.0%乳化封堵剂+重晶石粉。

2.1 抗温性能

配制不同密度的全油基钻井液，分别测定其在200 ℃下的流变性和滤失量，结果见表5。

表5200℃下不同密度全油基钻井液性能评价

Table5Performanceevaluationofoil-baseddrillingfluidswithdifferentdensityat200℃

密度/(kg·L-1)表观黏度/(mPa·s)塑性黏度/(mPa·s)动切力/Pa静切力/Pa高温高压滤失量/mL0.9225.5157.52/45.21.2034.52014.53/57.01.5047.52917.55/77.51.8059.04316.09/117.42.0071.05021.013/158.2

由表5可知，全油基钻井液在200 ℃下仍然具有良好的流变性和较低的滤失量，说明自主研发的全油基钻井液体系能够满足不同的密度要求，密度达2.0 kg/L时仍具有良好的热稳定性，抗温达200 ℃。

2.2 抗污染性能

室内评价了密度1.5 kg/L的全油基钻井液的抗水污染、抗盐污染及抗岩屑污染性能，老化条件为150 ℃×16 h。试验结果表明，向全油基钻井液中分别加入不同质量分数的淡水、无机盐及岩屑后，钻井液性能仍保持稳定，说明该全油基钻井液体系具有良好的抗污染性能。

2.3 抑制性能

测试过100目筛的岩屑在3种常见的抑制性较好的钻井液中的CST值，以及在200 ℃下滚动16 h后的岩屑回收率(结果见表6)。CST值越小，回收率越高，表明钻井液抑制岩屑分散的能力越强。

表63种钻井液对岩屑的抑制性比较

Table6Comparisonofcuttinginhibitionbythreekindsofdrillingfluids

钻井液CST值/s回收率,%全油基钻井液116.795.8阳离子聚合物钻井液131.482.7PHPA/KCl水基钻井液135.978.4

从表6可以看出，全油基钻井液具有优良的抑制性和控制泥页岩水化分散的能力，有利于稳定井壁和减少井下复杂情况的发生。

2.4 悬浮性能

将井场取回的钻屑用不同目数的筛网分成不等粒径的岩屑颗粒，然后放入不同密度的全油基钻井液中，发现岩屑颗粒(最大粒径达1.0 cm)在不同密度的全油基钻井液中均能较好地悬浮，说明自主研发的全油基钻井液具有很强的悬浮能力。这种优异的悬浮能力与该油基钻井液具有较高的动塑比、良好的抗岩屑污染能力、极强的页岩抑制性相关。全油基钻井液的这种特性有利于长水平段钻进的高效携岩和井眼净化。

2.5 封堵性

在静滤失仪杯中放入200 g不同粒径的砂子，将密度为1.5 kg/L全油基钻井液加入到静滤失仪中，测定全油基钻井液在25 ℃、0.7 MPa下的漏失量，结果见表7。

表7 全油基钻井液封堵性能试验结果Table 7 Plugging experiment result with oil-based drilling fluids

由表7可知，全油基钻井液在40/80目砂石构成的漏层中没有出现漏失；在10/40目砂石构成的漏层中其漏失量很少，30 min仅有2.4 mL。这表明，全油基钻井液封堵能力较强，有利于防漏堵漏。

2.6 储层保护效果

在温度200 ℃、压力3.5 MPa条件下，采用不同物性的岩心，结合相应地层水资料，利用高温高压动态滤失仪来模拟密度1.5 kg/L的全油基钻井液在钻井条件下对储层的动态污染,结果见表8。

表8全油基钻井液室内模拟损害评价结果

Table8Laboratorysimulateddamageevaluationofoil-baseddrillingfluids

岩心孔隙度,%气测渗透率/mD初始渗透率/mD污染后渗透率/mD渗透率恢复率,%C114.018.459.618.6690.11C216.722.3711.9411.0792.71C311.529.6216.7015.2691.38C410.82.930.920.7990.80C57.92.260.590.5491.53

由表8可知，储层岩心被伤害后，其渗透率恢复率均在90%以上，平均恢复率91.31%，说明被测试的全油基钻井液具有优良的储层保护性能。分析认为，这是因为全油基钻井液具有较低的滤失量和较强的抑制性，避免了黏土颗粒水化膨胀给储层带来的伤害，同时全油基钻井液能够对储层孔隙裂缝进行有效封堵，降低了固相颗粒及液相侵入储层的机会。

3 现场应用

苏53-82-50H 井是苏53地区的一口超长裸眼水平段水平井，钻探目的层为盒8段4、5、6小层。设计井深5 097 m，实际水平段入靶点井深3 497.00 m，完钻出靶点井深5 697.00 m。水平段长2 200.00 m，采用全油基钻井液钻进，钻井周期48 d，在钻遇727.00 m泥岩段的情况下，整个水平段平均机械钻速7.21 m/h，井径规则，电测一次成功，未出现井下故障。

苏 53-82-50H 井一开井段(0～502.00 m)采用普通水基膨润土钻井液，其配方为：水+4.0%膨润土+0.6%纯碱+0.2%CMC；二开直井段(502.00～

2 900.00 m)采用无固相聚合物钻井液,配方为：水+0.20%PAM+0.15%K-PAM+0.20%CMC+0.30%PAC；二开定向井段(2 900.00～3 497.00 m)采用低固相聚合物有机硅钻井液，其配方为：水+3.00%膨润土+0.60%纯碱+0.15%烧碱+0.90%高聚硅稳定剂+0.90%复合硅降黏剂+2.00%SMP-Ⅱ+3.00%SPNH+2.00%KH-931+2.00%FT-1A+2.00%聚合醇+2.00%液体润滑剂+0.20%CMC+0.15%PAC+0.30%XC+0.15%K-PAM+2.00%超细CaCO3+重晶石粉；三开裸眼水平段(3 497.00～5 097.00 m)采用全油基钻井液体系，其配方为：白油+ 3.0%GW-GEL+0.5%GW-OGA+1.5%GW-OFL+0.5%CaO+2.0%MO-WET+2.0%乳化封堵剂+3.0%超细CaCO3+1.0%乳化剂+重晶石粉。

全油基钻井液在整个实钻过程中始终保持良好的流变性、较低的滤失量和较高的破乳电压(见表9)，满足了裸眼水平段高效携岩的需求。

表9 苏 538250H 井水平段钻井液性能Table 9 Drilling fluid performance in the horizontal section of Well Su 538250H

观察全油基钻井液中起出的完成了501.00 m进尺的PDC钻头的磨损情况，可以看出，牙齿无任何脱落，磨损程度低，说明全油基钻井液具有优良的润滑性能。

苏 53-82-50H 邻井采用水基复合盐钻井液在在同层位钻进时密度为1.22～1.30 kg/L，全油基钻井液可以在1.06～1.10 kg/L的较低密度下保证钻井过程安全顺利，避免了高密度带来的裸眼漏失难题。同时密度的降低及全油基钻井液的强抑制性又能较大程度地提高机械钻速，苏53-82-50H井水平段钻遇泥岩时的平均钻时为5.54 min/m，小于采用水基钻井液的邻井钻时(见图1)。

苏53-82-50H井泥岩段平均井径扩大率6.01%，钻井过程中井壁未发生化学失稳现象，尤其是在2 200.00 m超长裸眼水平段的施工过程中，未出现由于浸泡时间较长导致的井塌和掉块事故，说明全油基钻井液抑制性强，较好地解决了苏53区块石盒子组泥岩的垮塌掉块等井壁失稳问题。

图1 苏53区块典型井泥岩段钻时对比Fig.1 Comparison of drill time in the mudstone section of typical wells in Block Su 53

4 结 论

1) 优化后的全油基钻井液体系具有抗高温及抗污染能力，同时具有较强的悬浮能力和抑制性及良好的润滑性和储层保护效果。

2) 与其他邻井花费大量时间处理复杂情况相比，全油基钻井液在苏53-82-50H井长2 200.00 m的裸眼水平段中共钻遇泥岩727.00 m，钻进工作顺利，机械钻速高。

3) 下一步应致力于油基提切剂、降黏剂及堵漏剂的优选或研制，以适应深井、超深井高温高密度油基钻井液及处理恶性漏失等井下故障的需要。

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