致密砂岩油气藏高效稳定钻井液技术研究

房伟超

（大庆钻探钻井三公司，黑龙江 大庆 163000）

致密砂岩油气藏目前已经成为国内勘探开发的主力阵地，致密砂岩的高效携岩、润滑以及页岩油气钻井施工中的井壁稳定问题极为突出。国外已经形成了成熟的致密砂岩油气藏钻井液技术，特别是应用油基钻井液保障页岩油气藏开发方面取得了良好的效果，积累了丰富的经验。而国内油田在致密油藏钻井液研究和应用技术方面相对薄弱，因此有必要开展致密砂岩油气藏钻井液技术研究，取得关键性技术的突破，本文以国内油田F 区块为研究对象开展研究，为致密砂岩油气藏的有效开发做好技术保障。

1 致密砂岩油气藏高效稳定钻井液技术难点分析

研究区块是国内某油田F 区块，针对该区块油藏特点，分析致密砂岩小井眼水平井钻井液技术难题。基于井壁稳定力学机理和数学模型，预测地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力，设计合理的钻井液密度。优选植物油、液体石蜡和表面活性剂等反应，研制高效润滑剂，优选钻井液流型调节剂和抑制剂，通过配方优化，研制致密砂岩水平井强抑制钻井液体系，进行综合性能评价。

F区块油藏类型属于致密油藏，该地区地质构造复杂多变，在钻井施工中存在诸多技术难题，其中钻井液问题有[1]：

（1）上部地层主要是明化镇组、馆陶组和东营组，地层有大段沉积层，主要成分为泥质，蒙脱石比重大，钻井过程中容易出现造浆，很可能出现钻井液侵蚀地层现象，所以钻井液流变性强，不太容易进行把控。

（2）钻井至目的层段沙河街组后，岩性以泥页岩、砂岩为主，岩性不均质性强，变化快，部分地层泥页岩容易被钻井液侵蚀出现水化现象，容易出现坍塌崩裂。

（3）致密砂岩油藏钻井进入目的层段沙河街组后开始造斜，在钻井倾角增大后，钻井侧壁受力严重，加上钻井液冲刷侵蚀，井壁破损、碎裂程度较强。如果钻井质量控制不佳，很容易出现钻井事故。

（4）深部钻井段中的钻屑返出距离过长，加上井下环境恶劣，岩屑受到重力作用下加剧了返排难度。此时需要钻井液携带能力加强才能保证钻井正常进行，否则容易出现起下钻遇阻等问题。

（5）致密砂岩钻井中很多是小井眼开发，钻井过程中钻具和井壁距离过小，接触面积大，加大了钻井摩阻，容易出现托压现象，此时更需要钻井液的润滑性来保证钻井施工顺利进行。

2 致密砂岩油气藏高效稳定钻井液技术对策

根据F 区块致密砂岩小井眼水平井钻井液技术难点[2]，基于“多元协同”井壁稳定理论[3]，提出“加强抑制水化性能—提高封堵性能阻缓压力传递—增强润滑性能降低摩阻—合理密度有效应力支撑”的钻井液技术对策。

2.1 加强抑制水化性能

由于在上部地层钻井过程中容易出现的“水化”现象，可以在钻井液中加大大分子聚合物的含量，这样可以把岩屑包被其中，延缓分散程度，有效降低“水化”现象发生。钻至目的层段沙河街组的泥页岩层时可以通过在加入多种抑制剂，来提高钻井液的稳定性，控制泥岩水化现象，增大钻井段泥岩的强度。

2.2 提高封堵性能阻缓压力传递

在钻井液体系中增加封堵性材料可以有效地提高定向井钻井造斜段和水平段岩壁稳定程度，在钻井井眼表面形成一层均匀的致密层，防止裂缝、微裂缝的形成，减少应力值。一是可以减少钻井液入侵井壁岩层保护井壁岩层稳定性，提高岩壁强度；二是增大钻井液体系自身的压力值，能够增强钻井井壁和钻井液的压力，支撑保护井壁完整性。

2.3 增强润滑性能降低摩阻

井眼小导致环空间隙小，钻进过程中摩阻扭矩增大，钻井液的润滑性能是影响摩阻系数最直接的因素，增加钻井液的润滑性能都能够起到立竿见影的效果，因此可研选高效润滑剂，提高钻井液润滑性能，降低钻井摩阻。

2.4 合理密度有效应力支撑

根据钻井工程设计合理的钻井液密度是保证钻井施工顺利进行，提高钻井施工质量的必要条件和前提。对此必须实测钻井过程中的各项压力值，通过设计优化计算钻井液密度。一般需要模拟岩层孔隙压力、井底岩层的坍塌压力、破裂压力以及钻井钻井掘进过程中的产生的各种应力值，根据模拟结果优化各段的钻井液体系密度。

3 致密砂岩油气藏高效稳定钻井液处理剂研选

3.1 流型调节剂优选

钻井工程中钻井液是保证钻井施工正常进行的必要因素，其功能主要是保持井眼内部压力防止井壁坍塌、清洁井眼并携带岩屑返出地面、平衡地层压力和冷却润滑等作用。其中携带岩屑返出地面是保证钻井正常进行的先决条件，根据钻遇地层不同，井眼净化因素也不一样，主要受钻井液流型、流态、悬浮、密度，钻具的钻速、岩屑性质等等。特别是在致密砂岩油气藏钻井的长井段钻井过程中，必须优化钻井液体系的流变性能，保证其性能完成复杂情况下的钻进要求。

根据国内外钻井资料以及室内模拟可以发现[4]，钻井液的一般流态为层流状态，属于非牛顿流体的塑性流体类型，只有提高其动切力和动塑比（通常大于0.5），才能提高携带包裹钻井岩屑的能力。但是在致密砂岩油气藏钻井施工过程中，由于大多采用水平井，其长水平段压差大，距离长，应该加大钻井液的动切力，保证动塑比。

在4.0%华潍钠土基浆中等量加入不同种类的增粘剂，测试其120℃热滚16h 前后的流变性及滤失性能。由表1可以看出，当加量为0.2%时，CMC-LV 热滚后的表观粘度最大，热滚前后粘度变化不明显，动切力较大，动塑比高，携岩效果好，而且其API 滤失量最低。因此，选择CMC-LV作为体系增粘剂。

表1 增粘剂的优选实验结果

3.2 防塌剂优选

前面对致密砂岩油气藏钻井难点分析中可以看出，在浅部油层和长水平段钻井过程中都有可能出现坍塌现象，特别是在长水平段钻进过程中更是需要钻井液中增加抑制防塌剂来保证井壁坍塌现象发生。调研国内外常用钻井防塌剂类型主要有以下几种类型[5]：水活度降低型、滤液增粘型、封堵型、润湿性改变型、低水化能型、泥饼致密型、桥联型和化学胶结型。对此进行室内模式试验来验证这几种防塌剂的性能优劣（图1）。

图1 抑制剂优选实验结果

由图1 可知，聚胺抑制剂（SDJA-1）和有机盐有很好的页岩回收率和较低的页岩膨胀率，表明其具有良好的抑制页岩膨胀作用。

有机盐是碱金属低碳有机酸盐、有机酸铵、有机酸季铵的复合物，它们在水中有很高溶解度，能形成密度较高的水溶液[6-7]。有机盐钻井液是基于低碳原子（C1-C6）碱金属（第一主族）有机酸盐、有机酸铵盐、有机酸季铵盐的钻井液完井液体系。有机盐钻井液具有很低的水活度、能够形成双电层等特点，从而较强地抑制坂土分散。

3.3 高效润滑研制及性能评价

钻井液能给钻杆、钻具等钻井工具提供冷却和润滑功能，特别是在深层长水平段钻井过程中润滑性是保证钻井是否成功的关键性因素。现在国内外常用的钻井液水基类型能够达到的摩阻范围大约在0.20~0.35，根据现场应用可以在钻井液中添加部分润滑类添加剂，可以使摩阻降低至0.10，但是添加剂的费用和用量较大，现场应用水基类型通常能过保证在0.2 的摩阻，对于普通钻井是可以达到钻井要求的，但是不能满足致密砂岩的长水平段钻井要求。为此如何提高水基钻井液体系的润滑性能是致密砂岩油气藏钻进的一项重要研究课题。

3.3.1 钻井液润滑性影响因素研究

影响钻井液润滑性的主要因素有[8]：膨润土、劣质固相颗粒、重晶石、盐以及聚合物等，钻井液的润滑作用会随着膨润土、劣质固相、重晶石等的含量的升高而下降；而某些高分子聚合物如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等具有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩阻的作用，有利于提高钻井液润滑性的作用。

加入到钻井液中的润滑剂通过吸附固相颗粒，使固相颗粒的表面性质发生改变，可以有效降低摩擦系数。

3.3.2 高效润滑剂的研制

由于F 区块钻井采用的小井眼、水平段的开发方式，针对该区块特点，开发了一种高效润滑剂。

根据润滑剂的润滑机理，润滑剂的研制思路如下：吸附性应较强,且大幅度降低表面张力，选用亲水基强而又有多个疏水支链的表面活性剂。实验选取植物油、液体石蜡和表面活性剂反应制得高效润滑剂BD-1，并对其润滑性进行了评价对比，结果如图2所示，从图中可以看出，在有机胺钻井液体系中加入高效润滑剂后，润滑系数小于0.1，由于高混油钻井液的润滑性。

图2 润滑性对比实验

（1）润滑剂对钻井液流变性和滤失性的影响。现场常用的水基钻井液体系为聚磺抗高温钻井液体系。聚磺抗高温钻井液体系配方：4%膨润土+0.2%Na2CO3+0.8%NaOH+0.3%KPAM+0.2%FA367+3%SMP-1+1.5%SPNH+3%磺化沥青+1.5%降失水剂SD101+2%防塌剂KFT。

分别测定了润滑剂加量为2%和4%时钻井液的流变性和滤失性，结果如表2 所示，可以看出，当加量为2%时润滑剂对钻井液的流变性和滤失性影响非常小，当润滑剂加量为4%时，钻井液的塑性粘度增加但不明显。

表2 润滑剂BD-1对钻井液流变性和滤失性的影响

（2）润滑剂对钻井液高温高压润滑性的影响。采用LEM-4100 润滑性综合评价仪考察了润滑剂BD-1对钻井液高温高压润滑性的影响，测试条件为：120℃/3.5MPa，测试结果如图3 所示。评价结果表明，随润滑剂加量增加，两种钻井液体系的高温高压摩擦系数均明显下降，当其含量超过4%时，变化不明显。

图3 润滑剂BD-1加量对钻井液高温高压摩擦系数的影响

4 致密砂岩油气藏高效稳定钻井液研制及应用

针对F区块地层特点，研制出强抑制钻井液体系，利用其强抑制、高效润滑的特点来保证正常钻进，解决稳定井眼和水平段顺利延伸的难题。配方中引入聚胺抑制剂、有机盐抑制剂、水基高效润滑剂，优选刚性封堵剂和降滤失剂，提高体系封堵性能，使体系具有优良的抑制性、润滑性、封堵承压能力、防塌能力。

根据实验研究，确定了强抑制钻井液体系的配方：5%膨润土浆+0.15%PAM+0.3%水解聚丙烯晴铵盐+0.5%~1%SDJA-1+0.3%~0.5%LV-CMC+2%~3%SMP+3%纳米乳液+15%有机盐+15%高效润滑剂BD-1+3%超钙+1%DSP-2+1%抗盐防塌降滤失剂+0.1%乳化剂。

综合性能评价：体系抗温能力达到150℃，抗粘土污染达到5%，现场岩屑回收率大于90%。

5 小结

针对致密砂岩油气藏钻井难点，在F 区块采用的小井眼、长水平段的开发方式，优选了聚胺抑制剂和有机盐抑制剂等钻井液防塌抑制剂。实验选取植物油、液体石蜡和表面活性剂反应研制了高效润滑剂BD-1，优于高混油钻井液的润滑性。研制了致密砂岩水平井强抑制钻井液体系，配方中引入聚胺抑制剂、有机盐抑制剂、水基高效润滑剂，配合使用屏蔽暂堵技术，使体系具有优良的抑制性、润滑性、承压能力、防塌能力。体系抗温能力达到150℃，抗粘土污染达到5%，现场岩屑回收率大于90%，具有优良的抑制性能。