适用于大位移井新型水基钻井液室内研究

陈斌，周姗姗，赵远远，覃建宇，饶志华，狄明利，左坤

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518067；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000；3.中海油服油田化学事业部深圳作业公司，广东深圳 518067）

随着大位移井的不断开发，技术的不断进步，大位移井水平位移越来越长，对钻井液的润滑性能要求也越来越高[1-5]。油基钻井液具有极佳的润滑性能，能够有效降低钻井过程的摩阻扭矩，对大位移井的水平延伸具有重要的意义，并且油基钻井液还具有更优的井壁稳定效果以及流变调控能力，是大位移井常用的钻井液体系。但是，面临日益严峻的环境保护要求，油基钻井液的应用越来越受到限制，如何在大位移井实现水基钻井液替代油基钻井液是未来的研究方向。研究了一套新型水基钻井液，以期能够解决大位移井水基钻井液的问题[6-10]。

1 大位移井钻井液技术难点

1.1 通用难点

1）摩阻扭矩。为了增大采油面积及采油量，会尽量延伸大位移水平井的水平位移，但管柱的摩阻扭矩问题一直制约着大位移井的最大延伸范围。史建刚指出，摩阻和扭矩是大位移井钻井工程问题的核心[1]。

2）井眼清洁。大位移水平井由于井段较长，且具有一定的倾角或水平段，钻屑容易沉积在井眼底部，一旦沉积，再冲刷起来将非常困难。

3）当量循环密度管理。大位移井延伸较长，随着不断的钻进，泵压持续升高，带来压力激动，甚至压漏地层等问题。

4）井壁稳定。大位移井裸眼段长，钻井周期长，井壁裸漏与浸泡时间长，给井壁稳定带来了巨大的挑战[11-14]。

1.2 水基钻井液难点

井眼清洁与当量循环钻井液密度管理是钻井液的共性问题，而水基钻井液在摩阻扭矩与井壁稳定方面所面临的问题尤为突出，尤其是如何解决好摩阻扭矩问题，是水基钻井液能否在大位移井中应用的最大矛盾。

2 新型水基钻井液设计思路

本文从分析油基钻井液与水基钻井液润滑机理出发，跳脱出常规水基钻井液思路以外，选取了一种同时具备润滑、降滤失、抑制三合一的多功能基液MBF 来配制水基钻井液，在着重解决水基钻井液所具有的润滑性不好的共性问题以外，一并解决了抑制和降滤失的问题。选取的MBF 为一种新型环保水溶性聚合物，该聚合物属于高分子羧酸及其衍生物，分子中同时含有大量胺基基团，该聚合物可在金属表面形成致密油膜，改善钻井液润滑性能；同时具有的大量胺基基团可牢固吸附在黏土和金属表面，在增加水基钻井液润滑性能的同时，提高钻井液体系的抑制性能；该聚合物在水中分散后，分子链在水中伸展，形成空间网状结构，配合钻井液中颗粒填充，可降低滤失量。实验表明，MBF 可抑制黏土水化造浆，保证钻井液在实际钻井过程中，在不需要另外添加抑制剂的情况下，体系黏度不因钻屑的不断侵入而增加，改善当量循环密度增大等问题；还因其本身分子结构的特点，其具有一定降滤失的作用。同时MBF 还具有很好的生物降解性，可最终降解为对环境无害的最终产物，具有很好的环保性能。

2.1 MBF的润滑性能

室内采用FANN212 极压润滑仪，评价了油基钻井液与水基钻井液常用基液的润滑性能。结果显示，聚合醇纯剂具有一定的润滑性能，但其仍低于白油的润滑性能。而MBF 的润滑性能远远高于白油、水和聚合醇，其纯剂的润滑系数达到了0.005。同时评价了不同MBF 加量下基液的润滑系数，见表1。从表1 可知，随着MBF 加量增大，基液的润滑系数逐渐降低，加入50%的MBF 润滑系数为0.033，与白油润滑性能接近。FANN212 极压润滑仪测试是金属滑块与金属滑环之间的摩擦，润滑剂通过在金属表面形成油膜来降低摩阻，随着MBF加量的增多，润滑系数逐渐降低，表明MBF 加量的逐渐增多，其在金属表面形成的油膜越来越致密。

表1 常用基液润滑及抗磨性能评价

2.2 MBF抗磨性能

在实际的钻井过程中，钻具和井壁可能会出现点与点之间的摩擦，这种情况下，摩擦点间的压强快速上升，因此单一的润滑系数不能完全满足现场作业需求。李斌等提到用四球摩擦实验来评价金属表面点与点接触条件下的长期抗磨损性能[2]。该方法虽然可以根据磨痕评价其抗磨性能，但无法量化抗磨程度。

该实验采用KMY201 型抗磨试验机评价不同润滑剂的抗磨性能，该仪器主要通过砝码增加金属表面点与点之间的摩擦压力，评价最终金属表面磨痕及其可承受最多砝码数量，量化不同润滑的抗磨程度，砝码为质量为800 g 的金属块。

室内评价了MBF 以及白油等基液的抗磨性能。评价结果表明，海水与白油的抗磨性能差异不大，仅能抗3～4 块砝码即卡停，而MBF 具有极佳的抗磨性能，10%加量时砝码可加至7 块，30%加量时砝码可加至10 块，图1 为抗磨性能评价后形成的磨痕，可以看出，MBF 磨痕非常小，而白油和海水的磨痕非常大，且粗糙。说明MBF 在金属表面形成的油膜可在高负荷下保持稳定，故能够防止套管磨损的发生。

图1 常用基液的磨痕对比

2.3 MBF的抑制性能

评价结果显示，MBF 具有极佳的抑制效果，其抑制膨润土造浆性能和防膨率均较好。MBF 含量为10%～30%时，防膨率均达到了90%以上，高于聚胺和氯化钾；并且，在受到25%钠膨润土污染后，MBF 基液的黏度仍然能够维持本身基液的黏度不变，表明其具有极强的抑制钠膨润土造浆的能力，如表2 所示。

表2 在淡水中加入MBF 与加入常用抑制剂抑制性能对比

2.4 MBF的降滤失性能

室内评价了MBF 的降滤失性能，考察了基液在基浆中的加量变化对API 滤失量的影响，结果见表3。结果显示，随着MBF 加量的增大，API滤失量逐步降低，说明其具有很好的降滤失效果。MBF 加入，使基浆滚后黏度降低，分析认为，因MBF 有较强的抑制性能，可使水化好的膨润土浆去水化，导致配制基浆黏度降低，同时MBF 所含大分子在基浆中分子链伸展，形成空间结构，配合膨润土颗粒的填充，有效降低了膨润土浆的滤失量。

表3 不同MBF 加量对滤失性能影响评价

2.5 MBF的生物毒性

采用GBT18420.2—2009 海洋石油勘探开发污染物生物毒性检验方法检测MBF 生物毒性，该方法要求在一级海区水基钻井液半数致死浓度大于30 000 mg/L，二级海区水基钻井液半数致死浓度大于20 000 mg/L。室内采用卤虫法评价，30%MBF 半数致死浓度为76 400 mg/L，50%MBF半数致死浓度为42 600 mg/L，该MBF 生物毒性满足一级海区要求，具有较好的环境相容性。

3 大位移井新型水基钻井液体系

基于上述对MBF 性能的评价，发现其具有良好的润滑、抑制、封堵降滤失性能，将MBF 引入到常见的PLUS/KCl 水基钻井液体系中，建立了一套新型水基钻井液体系，该体系基本性能见表4。

新型水基钻井液：70%海水+30%MBF+0.1%NaOH+0.4%PAC-LV+0.5%PLUS+2%淀粉降滤失剂+0.15%XC+2%防塌封堵剂+重晶石，ρ=1.3 g/cm3

从表4 可以看出，该新型水基钻井液具有较好的黏度和切力值，高温高压滤失量在130 ℃时仅为3.6 mL，表明优选出的MBF 多功能基液与常见水基钻井液处理剂配伍性良好，可抗130 ℃。

表4 新型水基钻井液抗温性能评价

3.1 抑制性能

1）抑制造浆率。由表5 可知，新型水基钻井液具有很好的耐污染能力，20%钠膨润土侵污后，流变性能等其它性能基本维持不变。

表5 不同钻井液体系抑制造浆率评价

PLUS/KCl 钻井液：淡水+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+1.5%淀粉降滤失剂+2%SPNH+3%LSF+3% 封堵剂CMJ+0.15%XC+7%KCl+10%NaCl+2%润滑剂+2%聚胺+重晶石，ρ=1.3 g/cm3

2）滚动回收率。室内测得PLUS/KCl、油基钻井液、新型水基钻井液的滚动回收率分别为93.80%、99.62%和95.34%。油基钻井液抑制性最好，新型水基钻井液次之，但3 个体系均具有较好的抑制黏土水化分散的作用。油基钻井液配方如下。

白油/盐水（白油∶盐水=80∶20）+2.0%主乳化剂+1.0%辅乳化剂+0.8%提切剂+1.5%碱度调节剂+2%有机土+3%降滤失剂+3%封堵剂+重晶石（密度为1.3 g/cm3）

3）线性膨胀率。如图2 所示，室内利用膨胀量测试仪测得去离子水膨胀量达到了73.37%，而油基钻井液膨胀量仅为0.2%，新型水基钻井液为3.62%，略优于PLUS-KCl 体系的4.52%。表明新型水基钻井液体系在不另外添加抑制剂的情况下，具有较好的抑制效果。

3.2 润滑性能

对上述3 套钻井液体系的润滑性能进行了评价，从极压润滑系数和抗磨两个方面进行了对比评价，结果见表6。由表6 可知，新型水基钻井液在不额外添加润滑剂的情况下，润滑系数可达到0.064，抗磨达到10 块上限，无限接近于油基，明显优于常用的水基钻井液体系。

表6 不同钻井液体系润滑及抗磨性能评价

3.3 抗盐性能

新型钻井液的抗盐性能见表7。

表7 新型钻井液体系抗盐性能评价

从表7 可以看出，随着NaCl 加量不断增多，体系的黏度和切力呈降低趋势，高温高压滤失量略有升高，但当NaCl 加量为15%，体系滚后切力依然达到7 Pa，高温高压滤失量为5 mL，可以满足大位移井对钻井液的流变要求，表明该水基钻井液具有较好的抗NaCl 污染的能力。

4 结论及建议

1.新型水基钻井液另辟蹊径，以多功能基液MBF为基础，着重解决了润滑、封堵、抑制3个问题，为水基钻井液带了新的研究方向。

2.MBF 本身具有极佳的润滑和抗磨性能，并兼具了抑制和封堵性能，以此建立的新型水基钻井液具有很好的流变性、润滑性，滤失量低，较常用的水基钻井液优势明显，润滑性与油基钻井液相当。

3.新型水基钻井液在抑制黏土水化造浆，分散及膨胀性等方面，均具有良好的效果，具有极佳的耐污染性能，可防止大位移井井下当量循环密度过高而引起压漏地层等井下复杂情况。

4.新型水基钻井液基液是环保无毒的，环境友好，可生物降解。