中国石化页岩气油基钻井液技术进展与思考

林永学，王显光

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

2009年以来，中国石化集团公司大幅增加了非常规油气资源[1］的勘探投入，并开始建成我国第一个年产50×109m3页岩气的焦石坝页岩气田，拉开了我国页岩油气开发的序幕。在非常规油气勘探开发中，钻井施工的主要挑战来自在页岩地层水平井段的井眼稳定。在北美页岩油气开发中，油基钻井液占70%左右，水基钻井液占30%。根据Marcellus、Eagle Ford和Haynesville等3个地区上千口井的统计，使用水基钻井液的主要问题是卡钻复杂情况突出，钻井周期、下套管时间、施工安全风险都高于油基钻井液。油基钻井液的主要问题是成本与环境保护突出，并且井漏会增大油基钻井液的成本。国内完成的页岩勘探水平井与开发水平井全部采用油基钻井液，在页岩油气勘探的初期，在个别井的定向段层采用过水基钻井液，但出现过严重的井眼失稳问题，甚至导致侧钻的严重复杂情况。

油基钻井液（oil-based mud，简称为OBM）是一类完全以非（弱）极性油品作为连续相的钻井液体系，与国内长期以来广泛使用的水基钻井液相比，OBM几乎不与水敏性地层矿物发生作用，具有抑制性强、润滑性好、抗污染能力突出等特点。油基钻井液是钻井行业钻探各类页岩、泥岩、盐膏层等复杂地层的重要手段，也是高温高压深井和复杂定向井安全钻井的重要技术措施[2］。因此，OBM是深层常规油气与非常规油气资源勘探开发的有力保障，研制具有自主知识产权的油基钻井液也成为中国石化近几年来钻井液技术持续攻关的重要方向。

国内自20世纪80年代开始应用油基钻井液以来，发展较为缓慢，与国外同类技术相比具有一定的差距，主要表现为流变性差、处理剂用量大、高品质处理剂缺乏、配套技术极其不完善，导致页岩气勘探初期的重点水平井不得不使用国外的油基钻井液，从而大幅度增加了钻井成本。为此，自2009年起，随着页岩油气资源勘探开发的迅速发展，中国石化集团公司开展了油基钻井液体系及其配套技术的研究与应用。截至2014年，研发了多种关键处理剂，形成了柴油基、矿物油基等多套油基钻井液体系[3-4］，已经基本解决了国内传统油基钻井液技术的不足，在涪陵、彭水等地区共50余口井进行了应用[5-7］，有力保障了中国石化上述地区页岩气的勘探开发，取得了良好的经济效益和社会效益。

1 页岩油气勘探对油基钻井液技术的挑战

页岩油气资源的商业开发采用水平井技术，页岩气水平井水平段的长度通常为800.00～2500.00m。首先，页岩气井的目的层是以硬脆性矿物为主的地层，其页理、层理、微裂隙发育，钻井过程中井壁失稳和井漏的风险大；其次，为有利于后续水力压裂和达到获得更高产能的目的，页岩油气水平井通常沿着或者接近最小水平主应力的方位钻进，这种轨道设计增大了井壁失稳的风险；另外，长水平段钻进对井眼清洁能力也提出了极高的要求。综上所述，页岩油气资源的开发对油基钻井液提出了严峻的挑战，需要深入研究解决低油水比条件下的乳化稳定性、保障井眼净化的低ECD流变性能控制、防漏堵漏和含油废弃物的处理等系列技术难点。

1.1 低油水比条件下的乳化稳定性

确保OBM中的水相液滴在油相中均匀分散、乳化稳定是OBM的基本要求，也是对其流变性、封堵性等其他性能进行有效调控的基础与根本前提[8］。一般情况下，OBM的油水比大多为70～90∶30～10，以破乳电压（ES）衡量其乳化稳定性，ES高于400V即可达到钻井施工的需求。就OBM的组成而言，油水比越低、其成本越低，但意味着其乳化稳定性会变差。因此，低油水比是衡量OBM技术水平的一项重要技术指标，也是降低OBM成本的重要措施，而设计、研发、使用高性能的乳化剂是提高低油水比OBM乳化稳定性的关键与核心。

1.2 保障井眼净化的低ECD流变性能控制

与水相比，用作OBM连续相的基础油均具有较强的温度敏感性，即其黏度受温度影响较大。因此，OBM通常在低温条件下具有较高的黏度与切力，随着温度的上升，其黏度和切力大幅降低。另外，国内可以用于OBM调控黏度和切力的处理剂很少，因此，OBM流变性能调控的难度很大。国内OBM配制完成后通常具有较理想的流变性能和相对合理的黏度和切力，但经过高温老化或者入井后其流变性能迅速变差，表现为切力低、悬浮能力差。钻井过程中为了提高OBM的切力，增强携岩能力，不得不大量使用有机膨润土、乳化剂等亲油胶体，结果使OBM的漏斗黏度和塑性黏度大幅升高，从而造成环空压耗明显上升、ECD大幅升高，不仅导致钻速下降，而且增大了诱导性漏失的风险。总之，OBM的流变性能控制一直是国内OBM研发面临的突出问题，也是与国外OBM的主要差距所在[9］。因此研发高效的流变性能调节剂是解决该问题的关键。

1.3 与油基钻井液配套的防漏堵漏

OBM由于成本较高，因此钻井过程中如何减少消耗、避免漏失是有效降低OBM应用成本的关键。由于与水基钻井液具有本质的区别，因此常规的防漏堵漏材料与技术措施在OBM中难以获得理想的效果。国外在使用OBM钻井时，广泛使用Soltex、Baracarb等专用封堵材料解决其漏失问题，但截至目前仍未能有效解决OBM的漏失问题；国内也很少进行OBM专用防漏堵漏技术的研究。因此，OBM的漏失问题也是钻井液工作者亟待解决的技术难题之一。

1.4 含油钻屑或废弃油基钻井液的处理

含油钻屑或废弃OBM不经处理直接排放会对环境造成较大的影响：其影响程度取决于OBM的毒性、生物可降解性和聚集特性；影响范围主要取决于废弃物的排放量、排放深度等，在深水区域由于水流作用，排放点越深，影响区域就越广。国内含油钻屑与废弃OBM的处理技术发展较慢，尚不成熟，现阶段难以完全达到我国环保法律法规规定的要求，这也是环境保护和钻井液科技工作者亟待解决的突出问题之一[10］。

2 中国石化油基钻井液技术主要进展

近5年来，中国石化针对国内OBM体系流变性差、处理剂用量大、高品质处理剂缺乏、配套技术不完善等突出问题，通过借鉴吸收、自主研发等技术手段，在OBM关键处理剂、钻井液体系和含油废弃物处理技术方面均取得了可喜的进展，为OBM技术的自主化应用奠定了良好的基础。

2.1 油基钻井液处理剂

2009年以来，中国石化围绕OBM乳化剂、有机膨润土、流变性调节剂和降滤失剂等开展了相关的技术攻关，并在有机膨润土、乳化剂和流变性调节剂的研发方面取得了突出的进展，研制的产品在现场取得了良好的应用效果。

2.1.1 有机膨润土

有机膨润土是OBM的基本组分，它可以有效提高OBM的黏度、切力，并能降低OBM的滤失量。国内的有机膨润土主要应用于油漆、印染、日化等领域，专门用于OBM的有机膨润土类型较少，质量也差别很大。为此，董天雷等人[11］利用钠膨润土与季胺盐类表面活性剂、插层剂等进行充分吸附反应，制得了具有良好造浆性能的有机膨润土，这种亲油膨润土在柴油和白油中具有良好的分散性能和增黏效果，其胶体率达到95%以上，整体指标优于国外的同类产品。

2.1.2 乳化剂

乳化剂是确保OBM乳化稳定性的关键与核心处理剂。国内OBM乳化剂一直以脂肪酸、脂肪酸皂和烷基苯磺酸皂等表面活性剂为主，其分子内通常含一个亲水基团和一个亲油基团，其亲油基团分布于油相中，亲水基团带有负电荷，通过与水相中的Ca2＋作用，呈“锚状”分布于油水界面上（见图1（a））。但由于亲水基团均带有负电荷，在油水界面上铺展时，分子间由于同性电荷的斥力作用会显著影响其分布的致密程度，因此不利于油水界面膜强度的提高，也不利于钻井液切力的提高，表现为乳化稳定性不高、切力很低。

为了克服上述不足，王显光等[3］设计、研发了分子内具有多个吸附基团、通过化学键将吸附基团内部链接的低聚大分子乳化剂SMEMUL。相比传统乳化剂，SMEMUL具有较大的分子伸展体积，其多个亲水基团可以同时在界面上吸附，像多个锚嵌入水相中（见图1（b）），由于其分子直接通过化学键相连，避免了多个亲水基团间的电荷斥力，因此，乳化剂在油水界面上排列的更加致密、稳定性更高。同时，由于亲油基团数量更多，分子间多个亲油基团发生缠绕，形成胶束的概率大幅增大，利于油相结构力的提高。通过上述2方面的综合作用，使这种新型的大分子乳化剂具有传统乳化剂无法比拟的乳化效果。

图1 传统乳化剂和大分子乳化剂乳化原理Fig.1 Schematic diagram of emulsification principles of traditional emulsifier and macromolecule SMEMUL

2.1.3 流变性调节剂

针对OBM结构力低、切力调控措施少的问题，何恕等人[7］基于界面吸附和电性吸附理论，通过电性材料和强吸附材料的设计与使用，研制了一种新型OBM流变性调节剂SMHSFA。通过与SMEMUL的协同作用，加入少量SMHSFA即可显著提升OBM的切力、结构力、动塑比和低剪切速率下的黏度（见图2），改善其流变性能，尤其适用于长水平段水平井或大位移井的钻井施工。

2.2 油基钻井液体系

中国石化根据不同区块的地质情况、工程施工需求，研发了柴油基、矿物油基、合成基等OBM，部分OBM的性能达到了国外先进OBM的水平。

图2 SMHSFA加量对油基钻井液性能的影响Fig.2 Influence of SMHSFA amount on property of oil-based drilling fluid

王显光、何恕等人[3，7］以研发的高效乳化剂SMEMUL和流变性调节剂SMHSFA为核心处理剂，基于页岩水平井工程要求，构建、形成了具有低塑性黏度、高切力特征的柴油基和矿物油基2套油基钻井液（简称为LVHS OBM）体系，并且配套了LVHS OBM的现场施工工艺、回收再利用技术、防漏堵漏技术和与含油废弃物处理工艺，从而形成了完善的LVHS OBM技术。LVHS OBM的配方为0号柴油（或3号白油）＋20.0%CaCl2溶液＋3.5%SMEMUL＋2.0%CaO＋2.0% 有机膨润土＋2.0%降滤失剂＋0.3%SMHSFA＋3.0%封堵剂，其与国外先进OBM的性能指标对比见表1。

表1 LVHS OBM与国外OBM性能的对比Table 1 Comparison of properties between LVHS OBM and OBM of foreign companies

由表1可以看出，LVHS OBM的性能指标达到了国外公司OBM的水平，并且还具有以下技术特点：1）漏斗黏度和塑性黏度较低、切力较高、动塑比理想，有利于长水平段井眼净化；2）油水比为70～90∶30～10，具有良好的乳化稳定性，破乳电压700～1 600V；3）柴油和矿物油均可做为基油，可满足不同环境条件下钻井施工的要求；4）具有良好的封堵防漏效果，可以有效保障微裂缝发育地层的井壁稳定。

侯业贵等人[4］针对柴油基钻井液生物毒性大的问题，通过优选基础油和处理剂，形成了一套以精制白油为基础油的低芳烃、强封堵OBM体系，其配方为精制白油＋25.0%CaCl2溶液＋3.0%主乳化剂＋1.5%辅乳化剂＋2.0%润湿剂＋3.0%有机膨润土＋3.0%降滤失剂CFA＋2.0%CaO＋2.0%复合封堵剂FB＋0.5%提切剂。该OBM体系在油水比为80∶20、1.20～1.80kg／L的密度范围内均具有较好的流变性能、乳化性能和沉降稳定性。由于使用了刚性、柔性和树脂类封堵材料的复合处理剂作封堵剂，具有良好的封堵性能。该钻井液体系满足了济阳坳陷页岩水平井钻井的需要，而且对人体健康的影响较小。

刘明华等[5］针对中原油田非常规油气资源钻探的需求，先后研发了全油基和油包水两套OBM体系。全油基钻井液以白油为基础油，其配方为5号白油＋4%～5%乳化剂＋4%～5%有机膨润土＋4%～6%降滤失剂＋1%～2%润湿剂＋1%～2%提黏切剂＋3%CaO。该钻井液体系具有较低的生物毒性和较好的综合性能，很好地满足了中原油田等环境敏感地区的钻井要求。油包水钻井液体系以柴油为基础油，其配方为0号柴油＋4%～5%乳化剂＋2%～4%有机膨润土＋3%～6%降滤失剂＋1%～2%润湿剂＋1%～2%流变性调节剂＋3%CaO＋3%封堵剂，其性能稳定、抑制性强、井壁稳定性好，在涪陵地区取得了良好的应用效果。

2.3 含油废弃物处理技术

针对使用OBM钻井过程中产生的含油钻屑污染严重的问题，中国石化集团公司的多家研究单位均开展了废弃物处理研究，实现了该领域的技术突破。徐力等人[12］研制了一套含油钻屑清洗装置，该装置具有搅拌、混合、清洗、脱液干燥等功能，处理量大（钻屑处理量5m3／h），采用移动式组装设计，处理后钻屑的含油量可降至3%左右，基本满足了钻井过程油基钻屑随钻处理的要求。位华等人[13］将固相清洗技术与生物处理技术有效结合，设计集成了具有高速离心、快速脱液、固液分离等功能的新型含油钻屑处理装置，含油钻屑经该装置处理后其含油量可降至3%以下，再利用生物处理技术进行集中处理。室内效果表明，经过30～90d可彻底实现钻屑的无害化，达到GB 4284—1984《农用污泥中污染物控制标准》规定的排放要求。

3 中国石化油基钻井液技术的应用

近5年来，通过关键处理剂的研发与OBM体系及其配套技术的攻关，中国石化页岩气OBM技术得到了迅速发展，基本解决了传统OBM技术的不足，研发了以LVHS OBM、低芳烃强封堵OBM和全油基钻井液为代表的多套OBM体系和配套技术，在非常规油气资源与常规深层油气资源的勘探开发中得到了广泛的应用。截至2014年4月，中国石化采用OBM技术钻进的页岩油气水平井达50余口，均取得了良好的应用效果，大幅提高了中国石化页岩气OBM技术水平，实现了高性能OBM技术的自主化，为涪陵页岩气获得商业性开发、彭水页岩气取得重大进展提供了技术保障，取得了良好的经济效益和社会效益[14］。下面以中国石化重点地区的页岩气水平井焦页1HF井和彭页2HF井为例介绍现场应用情况。

3.1 焦页1HF井

焦页1HF井是中国石化部署在川东南地区川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜带焦石坝构造高部位的一口评价井。该井采用三级井身结构，三开（φ215.9mm井眼）钻探目的层为下志留统龙马溪组下部地层，岩性主要为深灰色-黑色页岩、碳质泥岩，设计水平段长1 000.00m，完钻井深3 692.00m。该井在二开造斜井段使用水基钻井液钻至龙马溪组上部地层时，井壁失稳严重。为了保证三开长裸眼水平段钻进安全顺利，在室内试验和技术论证的基础上，三开井段采用强封堵全油基钻井液进行钻井施工，其配方为4.30%有机膨润土＋5.00%主乳化剂＋0.50%辅乳化剂＋3.00%降滤失剂＋1.00%润湿剂＋3.00%CaO＋4.00%FT＋0.95%CaCO3（800目）＋1.35%CaCO3（1 200目）＋3.80%Ca-CO3（1 600目）＋0.40%超细凝胶＋1.00%封堵剂＋重晶石，三开不同井段强封堵全油基钻井液性能如表2所示。

表2 焦页1HF井三开井段强封堵全油基钻井液的性能Table 2 Properties of whole oil-based drilling fluid with plugging in the third spud of Well Jiaoye 1HF

现场应用表明，采用强封堵全油基钻井液钻进期间，在1.48～1.61kg／L的密度范围内，其性能稳定，确保了页岩地层井段的井眼稳定和井眼净化，水平段平均井径扩大率仅为1.05%，取得了良好的应用效果。

3.2 彭页2HF井

彭页2HF井是部署在上扬子盆地武陵褶皱带彭水德江褶皱带桑柘坪向斜构造的一口页岩气评价水平井。该井采用三级井身结构，钻探目的层为下志留统龙马溪组地层，岩性主要为深灰色-灰黑色页岩、灰黑色-黑色碳质页岩，设计水平段长1 200.00m。由于龙马溪组地层页岩页理和微裂隙发育，极易发生井壁失稳，且该井设计水平段长，易形成岩屑床和出现托压现象，因此该井存在井壁稳定难度大、井眼清洁要求高、钻具摩阻大和漏失风险高等钻井技术难点。

针对彭页2HF井存在的钻井技术难点，在室内试验和技术论证的基础上，三开采用LVHS OBM进行钻进，钻进井段为1 620.00～3 990.00m，累计进尺2 370.00m，完钻水平段长1 650.00m，水平位移1 932.84m，创2012年国内陆上页岩气水平井水平段和水平位移最长的纪录，不同井段LVHS OBM性能见表3。

彭页2HF井三开实钻表明，LVHS OBM性能稳定，漏斗黏度和塑性黏度低、切力高，动塑比一直保持在0.36～0.50，携岩返砂正常，起下钻通畅。与LVHS OBM配套的防漏堵漏技术效果显著，与同区块邻井相比，LVHS OBM日消耗量减少达15.8%，总漏失量仅260m3，减少48%，井漏损失时间减少高达30%，大幅度降低了钻井成本。

LVHS OBM成功解决了彭水区块的页岩井壁失稳、长水平段携砂困难、摩阻大和漏失频发等钻井技术难点，经济效果显著。

4 中国石化油基钻井液技术展望

随着非常规油气资源和常规深层油气资源勘探开发的深入，中国石化页岩气OBM技术得到了迅速发展，已经形成了多套具有自主知识产权的高性能OBM体系，并初步形成了防漏堵漏、回收再利用等配套技术，部分技术指标已经接近国外同类技术水平，大幅缩小了与国外先进技术的差距。然而，与国外先进技术相比，国内OBM技术仍还有一定的差距，今后应加强以下技术研究：

表3 彭页2HF井三开井段LVHS OBM的性能Table 3 Properties of LVHS OBM in the third spud of Well Pengye 2HF

1）围绕改善OBM的乳化稳定性和流变性能控制，研制新型高品质、低成本处理剂，特别是抗高温高效乳化剂、具有类似恒流变特征的增黏剂、高效黏度稀释剂和低荧光、低成本的降滤失剂；

2）研发抗高温的高密度OBM，以满足特殊勘探地区的高压深井、超深井钻探需求；

3）以注重环保、降低成本为重点，开展以气制油、合成油等多种新型油品为基油的OBM体系研究；针对不同地质情况、工程的需要，形成具有自主化知识产权的OBM体系，以满足不同地区、不同工况的勘探开发要求；

4）加强与OBM匹配的防漏堵漏技术研究，通过研发专用材料和制定技术措施，形成与OBM匹配的防漏堵漏技术，降低实钻时的OBM消耗和井下漏失，降低钻井成本；

5）深入开展OBM循环利用、固液分离和含油钻屑处理等方面的研究，通过与环境保护、工程机械等领域结合，集成相关技术，形成经济可行的含油钻屑和废弃OBM处理技术，满足环境保护的需要；

6）依据OBM技术的发展，建议由集团公司相关管理部门牵头，不断建立、修订、完善中国石化OBM技术的相关规范与技术标准，指导OBM安全、高效施工；

7）建议加大高性能水基钻井液的研究与攻关，有针对性的“量身定做”页岩油气水平井专用水基钻井液体系，实现非常规资源的低成本、绿色开发。

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