XZ-新型高性能水基钻井液的研究及应用

蒋官澄，　董腾飞，　张县民，　李亚林，　赵利，　刘鹏

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.西部钻探克拉玛依钻井公司泥浆技术服务公司，新疆克拉玛依 834009）

0　引言

准噶尔盆地深井储层埋藏相对深，这些井井下温度和压力高、地层情况不明了、地层压力变化大、岩性复杂多变，存在阻卡严重，恶性漏失、溢流井涌等难点，钻探困难，时效低，复杂事故时率高，成本居高不下。

目前使用的油基钻井液存在一系列问题，如成本高、环境污染严重、固井质量差、影响测井等，这成为全面、经济开发深层地层油气的重要障碍。同时，水基钻井液虽不存在油基钻井液的缺点，但因为水基钻井液抑制性差、井壁稳定性差、润滑防卡能力不足以及纳-微米孔隙和微裂缝封堵能力不足等，所以目前水基钻井液技术难以满足要求。因此，提高水基钻井液的井壁稳定性、抑制性、微纳米级封堵、润滑防卡能力等，研发适合西部地区复杂井安全、高效、顺利钻探的水基钻井液新方法和新技术成为发展的必然趋势[1-7]。

鉴于以上原因，将油基钻井液和水基钻井液的优点融为一体，研发出一种XZ-高性能水基钻井液新技术。该项技术从提高钻井液井壁稳定性、抑制性、微纳米级封堵、润滑能力等方面入手，创建适合准噶尔盆地深井及深井大位移水平井的“封堵、抑制、固化、双疏、润滑”一体化水基钻井液新技术，实现深井安全、高效、环保钻井。基于室内研究的基础，在玛西泉井区进行了2口井和吉木萨尔致密油1口井的现场应用。现场应用表明，XZ-高性能水基钻井液技术针对深井、超深井的钻探，拥有钻井周期短、钻井复杂事故少，经济效益高等优点，具有很好的应用前景。

1 XZ新型水基钻井液处理剂的优选

XZ-新型高性能水基钻井液是基于“固化、封堵、抑制、双疏、润滑”理论建立起来的。

1.1　钻井液用抑制剂的优选

钻井液用仿生抑制剂XZ-YZJ是以一种常见芳香胺为原料，通过多步有机反应，合成了带有仿生基团的芳香胺盐酸盐。选用小阳离子、聚胺、氯化钾和XZ-YZJ进行优选评价。

1.1.1线性膨胀实验

通过膨润土岩心在不同抑制剂溶液中的线性膨胀实验（见图1），将XZ-YZJ的页岩抑制能力与其他常用抑制剂进行对比。从图1可以看出，4 h时，岩心在各抑制剂溶液中已基本停止膨胀，然而，此时岩心在KCl、小阳离子和聚胺中的膨胀高度与在清水中基本相同。这是因为在初始的几小时内，由于K+和聚胺分子的溶剂化层以及小阳离子较大的分子半径所导致膨润土层间距的增大，接近晶格水化所导致的膨胀程度，而XZ-YZJ在层间吸附时使黏土晶格扩大程度较小，因而不仅与其他抑制剂一样可以在短时间内完全抑制黏土膨胀，又可以使最终膨胀程度较小。因而其在抑制泥页岩水化膨胀，防止泥岩层缩径卡钻等问题上，作用要优于其他几种常用抑制剂。

图1　不同抑制剂溶液中膨润土岩心的线性膨胀曲线

1.1.2热滚回收实验

泥页岩在清水和不同抑制剂中的滚动回收实验结果见图2。

图2　泥页岩在不同抑制剂中的滚动回收率（150 ℃、16 h）

由图2可以看出，在150 ℃热滚条件下，1%KCl和小阳离子的滚动回收率都只有50%左右，相比清水的回收率并没有显著提高；而岩屑在抑制剂XZ-YZJ溶液中的滚动回收率高达84%，甚至比聚胺抑制剂还要高出7%。进一步说明了XZ-YZJ不仅能够很好地抑制泥页岩水化膨胀，其抑制泥页岩分散、剥落的能力也强于目前常用的几种抑制剂。

1.2　钻井液用封堵剂的优选

仿生封堵剂XZ-FDJ是一种具有纳米尺度，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，通过仿生基团对氧化石墨烯纳米材料进行表面改性合成。合成的纳米封堵剂具有柔性可变形性，变形的纳米颗粒进入不同粒径的纳米孔隙，纳米颗粒具有强的吸附基团，可吸附在岩石表面，通过进入孔隙和表面吸附的内外协同作用，达到封堵纳米孔隙以及降滤失的作用。PAC-LV、SPNH和超微碳酸钙是油田常用的封堵降滤失剂，选用PAC-LV、SPNH、XZ-FDJ和超细碳酸钙作为优选钻井液用封堵剂进行滤失性能评价，如图3所示。由于多数降滤失剂需要膨润土的存在才能发挥较好的作用，因此所有的降滤失剂包括氧化石墨烯都加入到4%的膨润土基浆中进行测定。从图3可以看出，3%XZ-FDJ与4%膨润土基浆复配后的API滤失量非常低，仅为7 mL；而其他降滤失剂除了PAC-LV的效果稍好外，均远差于XZ-FDJ。说明XZ-FDJ具有较好的封堵效果。

图3　加入不同降滤失剂基浆的API滤失量

1.3　钻井液用润滑剂的优选

新型水基钻井液的处理剂XZ-RHJ，是模仿蚯蚓分泌的黏液与黏土间产生键合作用，提高孔道表面润滑性的原理而研发出的。采用现场常用润滑剂，通过极压润滑实验和滤饼黏附实验，进行润滑性能评价，结果见表1和表2。可以看出，键和型润滑剂XZ-RHJ与其他润滑剂相比，其润滑剂系数降低率和黏附系数降低率都优于其他处理剂，并且在150 ℃的高温下依然具有良好的润滑性，因此将其作为体系的润滑剂。

1.4　钻井液用双疏剂XZ-SSJ优选

钻井液用双疏剂XZ-SSJ是一种带有吸附基团及低表面能基团的特种表面活性剂，首先通过吸附基团在岩石表面吸附，双疏剂附着在岩石表面，然后双疏剂中低表面能基团可在岩石表面形成低表面能“涂层”，从而高表面张力的自由水及油无法在岩石表面润湿铺展，起到了疏水疏油的作用，有效减少了水敏地层岩石的表面水化及渗透水化，达到了稳定井壁的效果。双疏剂与常用表面活性剂的表面张力对比见表3。可以看出，双疏剂XZ-SSJ溶液的表面张力远低于其他表面活性剂。

表1　加入不同润滑剂基浆润滑系数对比实验

表2　加入不同润滑剂基浆泥饼黏附系数对比实验

表3　双疏剂与常用表面活性剂的表面张力对比

2 XZ-新型高性能水基钻井液体系

2.1　理论机理

仿生抑制剂XZ-YZJ是一种带有仿生基团的小分子有机物， 通过在黏土层间的超强吸附， 起到抑制黏土水化膨胀的作用[8-9]。仿生封堵剂XZ-FDJ以纳米尺度分散在钻井液中时， 巨大的比表面积会使其在浓度很低的情况下大面积贴附于井壁表面， 并通过类似瓦片的连接方式形成薄而坚韧的一体化薄膜材料， 从而起到封堵地层微米至纳米级孔隙的作用[10-12]。键和润滑剂XZ-RHJ中的活性组分与井眼内的自由离子缔合在钻具、 井壁表面产生平滑表面，有效控制流动界面内的固有涡流， 降低大位移井增斜井段等复杂钻井施工中的摩阻， 提高机械钻速， 延长钻具寿命， 降低作业成本， 提高钻井整体效益。双疏剂XZ-SSJ是一种带有吸附基团及低表面能基团的特种表面活性剂， 首先通过吸附基团在岩石表面吸附， 双疏剂附着在岩石表面， 然后双疏剂中低表面能基团可在岩石表面形成低表面能“涂层”， 从而高表面张力的自由水及油无法在岩石表面润湿铺展， 起到了疏水疏油的作用， 减少了水敏地层岩石的表面水化及渗透水化， 达到稳定井壁的效果[13]。固化成膜剂XZ-CMJ中由于仿生基团能够自发氧化交联，因此XZ-CMJ不仅能够吸附在黏土表面抑制其水化，还可以吸附在岩石表面自发聚合形成一层聚合物膜，起到封堵泥页岩微孔隙和微裂缝，降低次生裂缝发育以及钻井液压力传递的作用[14-18]。基于 “固化、 封堵、 抑制、双疏、润滑”理论，通过处理剂的协同作用，形成适合准噶尔盆地深井及深井大位移井的XZ-新型高性能水基钻井液。

2.2 XZ-新型高性能水基钻井液性能

2.2.1基本性能

评价了XZ-新型高性能水基钻井液的基本性能及配伍性，配方如下，数据见表4。由表4可知，XZ-新型高性能水基钻井液中各处理剂之间具有良好的配伍性，体系在100 ℃下老化16 h后，仍具有良好的流变性、润滑性和滤失造壁性。

1#2%膨润土+0.5%NaOH+1%复合型降滤失剂XZ-JLS+3%SPNH+2%防塌剂+3%成膜剂XZ-CMJ+4%仿生封堵剂XZ-FDJ+3%仿生抑制剂XZ-YZJ+1%润滑剂XZ-RHJ+0.5%双疏剂XZ-SSJ+0.3%PMHA-2+10%NaCl+重晶石， 密度为1.70 g/cm3

表4 XZ-新型高性能水基钻井液的基本性能和抗老化性能

2.2.2长时间老化评价结果

为了进一步评价XZ-新型高性能水基钻井液的性能，通过延长老化时间和对体系进行污染来进行评价，结果见表4。由表4可知，XZ-新型高性能水基钻井液体系在长时间（72 h）老化后，体系的基本性能并没有发生太大的变化，其中体系的动塑比及降滤失性能反而有所提高，说明体系抗老化性能较好，相应的处理剂经过长时间老化后并未发生失效现象。长时间老化后，API滤饼的黏滞系数增加，主要是因为该体系重晶石含量较多（密度为1.70 g/cm3），大大制约了体系的润滑性，同时，随着老化时间的增加，润滑剂得到一定消耗，降低了体系的润滑性。

2.2.3抗污染评价结果

在XZ-新型高性能水基钻井液中分别添加2%CaSO4、10%膨润土，对其进行污染来评价体系抗污性能，在100 ℃老化16 h后体系性能见表5。

表5 XZ-新型高性能水基钻井液体系的抗污染性能

由表5可知，XZ-新型高性能水基钻井液加入CaSO4，体系的基本性能发生一些变化，变化不是很大；加入10%膨润土后，体系的黏度明显增加，但是由于抑制剂良好的抑制造浆性能，体系的流变性能仍然可以接受，同时由于膨润土含量的增加，体系的黏滞系数增加。综上，该体系具有良好的抗污染性，可以抗2%CaSO4或10%膨润土污染。

2.2.4抑制性评价

测试岩心在清水和XZ-新型高性能水基钻井液中的膨胀量，结果见图4。由图4可以看出，钠基膨润土岩心在水中的膨胀量很大，16 h后在XZ-新型高性能水基钻井液中膨胀量较低，膨胀降低率为93.4%，所以高性能水基钻井液能够很好地抑制泥页岩的水化膨胀。

称取50 g粒径为2.00～3.20 mm的现场泥页岩岩屑，分别在清水和XZ-新型高性能水基钻井液中热滚16 h，老化温度为130 ℃。老化后用孔径为0.45 mm筛网回收，在100 ℃下烘干4 h，冷却至恒重后称量岩样质量，计算回收率。对于泥页岩，水化分散能力较强，在清水中的滚动回收率只有6.42%，但是XZ-新型高性能水基钻井液的滚动回收率达到95.48%，说明高性能水基钻井液具有很好的抑制页岩水化分散能力。

2.2.5对微纳米孔缝的封堵强度实验

采用页岩稳定性综合模拟评价系统JHWD-1评价XZ-新型高性能水基钻井液的封堵性能，实验选用超低渗透率天然页岩岩心，结果见图5。

图5 XZ-新型高性能水基钻井液的封堵性能评价

由图5可知，新型水基钻井液体系对超低渗透率天然页岩岩心的封堵强度在35 MPa以上，氯化钾溶液的封堵强度在5.4 MPa。同时可知，在同等条件下，新型水基钻井液体系对纳微米孔缝的封堵强度在29.6 MPa以上。

3　现场应用

XZ-新型高性能水基钻井液具有较好的抑制性、纳微米封堵性等，能够很好地抑制泥页岩水化膨胀和阻止微裂缝漏失，所以能够很好地应用在含泥页岩的地层中。现场应用中，由于泥页岩地层对抑制剂和润滑剂的消耗，所以要补填抑制剂和润滑剂，保证钻井顺利进行。

3.1　在XQD3020、XQD3044井的应用

XQD3020、XQD3044井中新近系、古近系和白垩系膏质泥岩易缩径、垮塌；二叠系梧桐沟组泥岩水敏性强，炭质泥岩易垮塌；石炭系火山岩局部孔洞、裂缝发育，易井漏；白垩系底部到石炭系地层压力高，易井漏和井喷，为了能够顺利高效地钻井，采用了XZ-新型高性能水基钻井液体系。现场钻井液配方如下。

2#2%膨润土+0.5%NaOH+1%XZ-JLS+3%SPNH+2%防塌剂+2%XZ-CMJ+4%XZ-FDJ+3%XZ-YZJ+2%XZ-RHJ+0.5%XZ-SSJ+0.4%PMHA-2+10%NaCl+重晶石

该钻井液在钻井过程中性能比较稳定，该体系的流变性和抗污染能力较强，见表6。

表6 XQD3044井XZ-新型高性能水基钻井液基本性能

XZ-新型高性能水基钻井液在试验井与邻井的对比情况，见表7和表8。可以看出，该体系具有较好的抑制性和固化封堵性，能够提高钻井过程中井壁的稳定性，降低复杂情况发生率。所以试验井的井径扩大率及复杂情况发生率要小于该地区定向井的平均值，而且规则的井眼有利于电测一次成功。由于复杂情况小于邻井，试验井的钻井周期要小于邻井，钻机月速和机械钻速要高于邻井。

表7　试验井与区块定向井复杂情况的对比

表8　试验井与邻井的钻井工艺对比

3.2　在JHW023井的试验情况

该区块白垩系土谷鲁群组大段泥岩质软、水敏性强，易吸水膨胀、造成缩径；侏罗系砂泥岩互层较多，还含有煤层，容易出现砂岩虚泥饼和煤层掉块；侏罗系八道湾底砾岩及承压能力低，易发生井漏；韭菜园组地层褐色泥岩易造浆，水敏性强，容易吸水膨胀缩径，剥落后造成井眼不规则，起下钻遇阻；梧桐沟组灰色泥岩与砂岩互层，砂岩渗透性强，下部的砾岩层易发生井漏，易垮塌。针对这些复杂地层，采用XZ-新型高性能水基钻井液体系钻井，配方如下，性能见表9。

3#2%膨润土+0.5%NaOH+3%XZ-CMJ+0.8%SP-8+3%SPNH+4%XZ-FDJ+3%XZ-YZJ+1%XZ-RHJ+0.3%XZ-SSJ+0.6%PMHA-2+10%NaCl+2%磺化沥青+2%QCX-1+1%WC-1+重晶石

表9 JHW023井的钻井液性能参数

同区块同井型使用XZ-新型高性能水基钻井液比钾钙基钻井液缩短钻井周期30%以上，与同井型邻井相比， 井径扩大率非常低， 平均值在-1.35%， 体现了XZ-新型高性能水基钻井液井壁稳定性好，对储层的保护效果非常理想[12-17]。

表10 JHW023井与邻井钻井工艺对比

4　结论

1.基于“封堵+抑制+固化+双疏+润滑”理论，形成了适合准噶尔盆地深井及深井大位移井的XZ新型高性能水基钻井液。该钻井液可以抗温120 ℃，同时该体系在老化72 h后依然有较好的性能以及抗2%CaSO4、10%土粉污染的能力。

2.XZ新型高性能水基钻井液具有较好的抑制性，对钠基膨润土的线性膨胀抑制率达到94%以上；对于现场的泥页岩岩屑的滚动回收率均能达到95%以上，该体系对纳微米孔缝的封堵强度在29.6 MPa以上。钻井液的这种较好的封堵性及抑制性有利于维持井壁稳定，适用于复杂情况较多的深井及深井大位移井。

3.XZ新型高性能水基钻井液在准噶尔盆地2个区块的现场应用表明，该钻井液可以降低井底复杂情况，缩小井径扩大率，缩短建井周期。特别是在JHW023井的应用，建井周期比邻近JHW025缩短30%以上，满足了安全、高效钻井的需要，具有很好的推广应用前景。