国内抗高温油基钻井液研究进展与应用

赵远远，周书胜，高 阳，邓亚慧

（1.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，广东深圳 518000；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000）

近20 年来，工业水平不断提高，国内能源消耗大幅增长，那么油气资源供给成为国家安全、发展的重要保障。目前，油气资源钻采重点部署在新疆、四川、大庆以及东海、渤海、南海海域。为了稳产油气资源，逐步开发深部油气藏以及复杂油气井，高温深井（高温＞175 ℃，深井＞4 500 m）、易垮易漏井的钻采工作逐渐增多[1，2]。准噶尔盆地地温梯度2.0～2.4 ℃/100m，四川盆地地温梯度2.1～2.7 ℃/100m，大庆油田地温梯度4.4～4.9 ℃/100m，南海、东海领域地温梯度分别为2.8～4.4 ℃/100m、2.3～3.8 ℃/100m，油藏埋藏深度、地温梯度越大，则地层温度越高。目前国内外学者分别对碳酸盐岩、砂岩、油页岩、泥页岩在高温条件下的力学状态进行了研究，研究表明：随着地层深度增加使温度升高，造成岩石胶结强度、整体刚度降低；经过地面循环钻井液冷却钻头，且与地层岩石有较大的温度差，该差值会对井壁岩石的力学性质造成影响，进而改变井径应力分布[3]。高温状态下，易造成钻井液的流变携岩性、护壁性能恶化，严重时可能造成钻井报废。油基钻井液主要由乳化剂、有机土、降滤失剂等处理剂以及盐水、基油组成，具有强抑制性能、优异润滑性能、强护壁性能（亲油胶体黏结作用）、抗侵污性能强的特点，使其广泛地应用于各油田钻探过程中[4，5]。国内抗高温油基钻井液技术近些年来取得一定进展，笔者从高温对油基钻井液性能的影响以及重要油基钻井液抗高温处理剂的研究进展进行综述，为后续油基钻井液技术进展提供参考。

1 高温对油基钻井液性能的影响

1.1 高温对油基钻井液流变携岩的影响

搅拌作用下，油水界面在乳化剂的作用下，界面张力降低，形成稳定的油包水乳液，由于乳化剂定向吸附在油水界面上，形成一定强度的界面膜，阻止了液滴之间的碰撞概率以及液滴聚集，使乳液稳定。有机土、降滤失剂高度分散在油相中，以及通过分子间作用力吸附在乳液界面膜上，并互相黏附形成稳定的空间网架结构，达到增黏提切的作用。高温作用下，增大了液滴碰撞聚集成大液滴，甚至破乳，降低了乳液的稳定性；高温使钻井液处理剂分子运动剧烈，易造成分子断裂，使钻井液的网架结构破坏，高温使钻井液黏度切力下降明显，甚至无法悬浮重晶石[6]，钻屑无法有效及时地返出井眼，易造成卡、环空憋泵[7]。

1.2 高温对油基钻井液护壁性能的影响

当温度低于150 ℃，油基钻井液钻进过程中滤失量较小（小于5 mL），该温度下，对比水基钻井液，油基钻井液具有天然的封堵性能，油基钻井液中的亲油胶体物质（如：有机土、降滤失剂）在井壁上的吸附、沉积粘结孔隙、微裂缝，并形成致密、薄韧的泥饼，达到护壁的效果；当温度高于150 ℃，甚至高达220 ℃，高温使钻井液处理剂分子运动剧烈，易造成分子断裂或完全失效[8]，使钻井液的网架结构破坏、滤失泥饼虚厚、不致密，进而造成钻井液滤失量变大，使地层孔隙压力增大，弱化了油基钻井液对井壁的有效支撑，滤液对岩石中的黏土矿物作用，黏土吸水造成膨胀压，改变井壁应力平衡，泥饼对微裂缝黏结力降低，易造成井壁失稳。

2 油基钻井液抗高温处理剂的研究进展

2.1 抗高温乳化剂研究进展

抗高温乳化剂作用机理：乳化剂定向吸附在油水界面上，降低油水界面张力，并形成稳定的界面膜，其膜越稳定，则破乳电压越高，体系就越稳定。目前抗高温乳化剂采用双子型表面活性剂结构，或者乳化剂含有多个长碳链以及多个亲水基团，采用化学键（联接基团）联接在一起，常见的联接基团有苯环基团，该基团的空间位阻大，可降低亲水基团的电斥力作用[9]，在油水界面由于氢键作用形成络合物，使膜强度提高，达到提高乳化剂的稳定性（抗温性）；乳化剂含有多个长碳链使之比传统乳化剂的分子链大，展现出弧状梳型结构，长碳链之间的分子间作用力使乳化剂的抗高温性能提高，很大程度降低其分子热运动以及分解速率，并可提高外相（油相）的黏度，阻止液滴热运动引起的聚集现象[10]。

覃勇等[11]采用妥尔油脂肪酸通过氧化反应打开双键形成具有网状结构的乳化剂（HT-MUL），该乳化剂具有强乳化性能、抗高温性能，由其配制的油基钻井液在220 ℃的高温下老化后，其黏度、切力变化小，滤失量小于5 mL，且体系稳定；王星媛等[12]采用多元胺、羟基脂肪油、马来酸为原料合成乳化剂，并与非离子乳化剂复配配制油基钻井液体系，该体系220 ℃老化后破乳电压大于1 000 V，滤失量小，体系稳定，并成功地应用于井底温度高于200 ℃的四川盆地塔探1 井中，采用该体系钻进过程中，起下钻顺利通畅并无阻卡现象。吴雄军等[13]采用乳化剂SMEMUL-1、SMEMUL-2 配制油基钻井液成功地应用于高温深井（顺北5-7 井），钻进中未出现井壁失稳、憋停现象；闫晶等[14]采用有机酸、有机胺反应，通过季铵盐反应改性合成抗高温乳化剂，属于双子季铵盐乳化剂，配制的油基钻井液在200 ℃老化后，动塑比高，可确保有效携岩，滤失量较小，并在大庆油田GS-3 井应用成功，钻进过程中无复杂情况发生，井眼扩大率小于6%。

2.2 抗高温有机土研究进展

有机土通过分子间作用力、氢键作用吸附在乳液界面膜上，形成稳定的空间网架结构，起到悬浮重晶石、增黏提切的作用。有机土常见制备方法为：通过膨润土层间金属离子（如Ca2+、Na+）与有机改性剂（季铵盐）进行离子置换，季铵盐离子吸附在膨润土层间，扩大其间距，提高其提黏切的效果[15]。常见抗高温有机土是通过改性季铵盐、季铵盐与非离子表面活性剂与膨润土作用制备，提高其抗高温性能。改性季铵盐常见有双长链季铵盐、烷氧基季铵盐，使有机土在乳状液中更好地分散，并具有优异的抗温性能。

李建成等[16]采用十六、十八烷基等长碳链的季铵盐改性钠基膨润土制备的有机土在全油基钻井液体系中应用，表现出优异的增黏提切性能，由其配制的油基钻井液可抗200 ℃高温，不同密度下流变性良好，并成功应用于苏10-32-45CH 井中，钻进过程中，摩阻小，井壁未出现失稳现象，对比水基钻井液钻进，其钻速更快；郝广业[17]通过有机改性剂与膨润土置换离子制备有机土LWTRO-250，该有机土配制的油基钻井液抗高温性能优异，在250 ℃老化后，其黏度、切力值变化小，破乳电压大于1 000 V，表明LWTRO-250 配制的油基钻井液性能稳定，且抗高温性能优异；范胜等[18]采用环氧乙烷改性、伯胺、一氯甲烷为原料合成改性季铵盐，再与非离子表面活性剂复配改性膨润土，通过非离子表面活性剂加固季铵盐与膨润土的吸附作用，使其在高温条件下性能稳定，该有机土在柴油中的成胶率高，具有优异的增黏提切作用，在低密度油基钻井液表现出优异的抗高温性能。

2.3 抗高温降滤失剂研究进展

随着钻探深度增加，高温使钻井液的滤失量大幅增加，通常在油基钻井液体系加入2%～5%降滤失剂，并与封堵剂协同起到降滤失作用，既要降滤失效果明显又对油基钻井液流变性能影响小。钻头刚钻开地层，油基钻井液初滤失使钻井液的固体小颗粒在井壁上吸附并形成薄泥饼，乳状液进一步填充固相之间的孔隙，降滤失剂再进一步填充，三种协同作用形成致密的泥饼，起到降滤失的目的[19]，并粘结微裂缝，进一步提高井壁的稳定性。

长江大学教授王松[20]采用腐殖酸酰胺作为降滤失剂，与亲油胶体物质（氧化沥青、有机土）协同起降滤失、增黏作用，配制的油基钻井液滤失量小，抑制性能强，并能抗10%钻屑侵污以及10%水泥浆；该体系成功应用于塔里木盆TZ45 井，钻进过程中，井眼扩大率小于6%，并无复杂情况发生，可大大地缩短钻井周期；赵泽[21]采用有机胺类对腐殖酸改性制备降滤失剂FLA180，该降滤失剂可降低油基钻井液的黏度以及显著地降低高温失水，使油基钻井液能抗180 ℃高温；荆鹏[22]采用石油树脂、EVA 树脂为原料合成聚合物，与惰性材料复配制备能抗超过200 ℃高温的降滤失剂，由其配制的油基钻井液黏度低、稳定性好，通过化学、物理作用降低油基钻井液滤失量。

3 国内抗高温油基钻井液研究进展

东北石油大学研制的油基钻井液能抗180 ℃高温，先后在徐深6-c211 井、葡34-平10 井以及齐平2-平10 井应用，其性能稳定，护壁性能强，取代了麦克巴钻井液，节约钻井成本，带来显著的经济效益[23]；大庆石油管理局钻井研究所研制油基钻井液能够抗200 ℃，应用于葡深1 井，完成井深5 500 m 钻井工作，钻进过程中，井眼扩大率小，为钻井成本节约165 万元[24]；大庆钻探工程公司合成抗高温乳化剂配制油基钻井液在大庆油田GS-3 井（井底温度可达200 ℃）应用成功，钻进过程中无复杂情况发生，井眼扩大率小于6%。可取代麦克巴泥浆公司油基泥浆。

4 结语

稳产油气资源，加大深部油气藏以及复杂油气井的开发力度。钻井过程中，要求钻井液具有优异的抗高温性能，使钻井液在井壁内具有良好的携岩、护壁能力。油基钻井液主要处理剂有乳化剂、有机土、降滤失剂等，其中乳化剂的乳化能力、抗高温性能对油基钻井液的稳定性起到关键作用，高温下乳状液膜坚固，那么亲油胶体物质如有机土、降滤失剂能力形成稳定的网架结构来悬浮重晶石，目前，国内油基钻井液处理剂取得一定进展，逐步代替国外公司（麦克巴）油基钻井液体系，仍与国外钻井液技术有一定差距。