氯化鈣水基鉆井液體系現狀及展望

謝 俊，馬 誠，王中華，蔣官澄

(1.中國石化中原石油工程公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001;2.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京 102249)

氯化鈣水基鉆井液是一種以Ca2+提供抑制性化學環境的鉆井液。傳統意義上的氯化鈣鉆井液其濾液中Ca2+的質量濃度一般為1 000～3 500 mg/L，屬于粗分散鉆井液［1］。隨著儲層保護、鉆井提速及井壁穩定等方面對鉆井液提出的更高要求，科研工作者開發出一種高濃度氯化鈣無土相水基鉆井液(氯化鈣質量分數可達15%以上)，該類鉆井液可以有效抑制泥頁巖的水化膨脹，對于穩定地層十分有利，有望在頁巖氣開發過程中獲得應用［2］。筆者對國內外氯化鈣水基鉆井液的研究和應用現狀進行了梳理，并結合頁巖氣資源勘探開發對鉆井液的技術需求，探討了氯化鈣水基鉆井液用于頁巖氣資源勘探開發存在的問題和解決方案。

1 氯化鈣水基鉆井液的作用機理

傳統意義上的氯化鈣鉆井液通過Na+/Ca2+交換將鈉土轉變為水化能力較差的鈣土，并通過壓縮黏土顆粒表面的擴散雙電層，引起黏土晶片面－面和端－面聚結，造成黏土顆粒分散度下降，使鉆井液獲得化學抑制性［3］。

高濃度氯化鈣無土相水基鉆井液除具有傳統氯化鈣鉆井液的抑制機理外，主要是通過降低鉆井液的活度來實現其抑制性。泥頁巖井壁表面與水基鉆井液間存在一層非理想的半透膜［4］，某些無機鹽的加入能夠明顯降低鉆井液的活度，進而提高半透膜效率［5－6］，有利于井壁穩定。Talal等［7］利用壓力傳遞裝置較為系統地研究了不同條件下無機鹽與泥頁巖滲透壓及泥頁巖膜效率之間的關系，認為與Na+和K+相比，Ca2+擁有更大的離子水化半徑和離子交換能力，在相同的水活度及泥頁巖條件下，氯化鈣溶液對泥頁巖產生的滲透壓和膜效率明顯高于KCl，NaCl等一價金屬鹽，更有利于保持泥頁巖井壁的穩定。

2 氯化鈣水基鉆井液研究及應用現狀

2.1 國外研究及應用現狀

Bharat［8］介紹了一種能夠應用于氯化鈣鉆井液的降失水劑，以凹凸棒石作為流型調節劑，并根據氯化鈣的加量調整其他高分子聚合物如聚丙二醇及多糖類處理劑的加量，鉆井液中氯化鈣的質量分數為1%～30%。應用結果表明，該氯化鈣鉆井液失水可控，抗溫可達121℃，但經熱滾老化后體系的靜切力偏小，僅為1.0～1.5 Pa。

James等［9］研制了一種頁巖穩定鉆井液，配方中含有氯化鈣、一價鹽及低電荷和低相對分子質量的陽離子聚丙烯酰胺共聚物，氯化鈣的質量分數約為17%，體系采用XAN－PLEXTM為增黏劑，降濾失劑為BIO－PAQTM或BIOLOSETM。該鉆井液體系在墨西哥灣的高活性地層中進行了現場試驗，能提高鉆井速度及固相清除效率，降低鉆井成本，但體系抗高溫能力較差，室內實驗抗溫最高僅93℃。

Turner等［10］針對氯化鈣質量分數為35%～38%時，常規聚合物懸浮劑和降失水劑基本失效的問題，研制出一種纖維素類處理劑，取代預水化膨潤土漿、凹凸棒石及大部分聚合物，以提供良好的懸浮穩定性能和剪切稀釋性能，同時通過添加蠟質處理劑、玉米淀粉及一定顆粒尺寸的碳酸鈣來控制體系失水。該新型無固相氯化鈣鉆井液體系在墨西哥灣深水成功應用，現場使用鉆井液的密度約為1.36 g/cm3，其在井眼凈化、頁巖抑制及封堵滲透性砂層等方面效果明顯，并在無隔水導管鉆進時成功避免了墨西哥灣淺層流問題。

Paul等［11］針對墨西哥灣深水鉆井中遇到的高活性、高黏性黏土地層，開發了新一代的氯化鈣鉆井液，其中氯化鈣含量約為18%。采用常規鹽水鉆井液及第1代氯化鈣鉆井液鉆進該地層時，常出現鉆具及鉆頭泥包、鉆井液固相難以控制、振動篩糊篩跑漿等情況。現場使用新一代氯化鈣鉆井液時，可成功解決泥包、固相控制及振動篩糊篩等問題，且體系抗溫達121℃，但該體系的觸變性較低，可能存在加重懸浮重晶石及井斜角＞30°的斜井井眼凈化的問題。

針對無固相氯化鈣溶液的密度偏低、無法滿足鉆深井及高壓地層需要的問題，Brunner Mond［12］公司通過加入硝酸鈣來提高氯化鈣溶液的密度，復配溶液的密度為1.35～1.65 g/cm3，通常氯化鈣和硝酸鈣在復配液中的總含量約為35%～70%，且復配液的結晶溫度較低，在－10℃以上不會結晶，適合在低溫環境中使用。

2.2 國內研究及應用現狀

針對含膨潤土相加重鉆井液存在易對油氣層產生損害、加重受限等缺點，李家龍等［13］開展了以氯化鈣作為加重劑的鉆井液體系的研究。該鉆井液體系在威東六井進行了現場應用，其流變性能好，攜砂能力強，機械鉆速高。每鉆進50～70 m，鉆井液密度自然下降 0.01～0.03 g/cm3。

吳修賓等［14］針對中原油田的白廟、河岸、文東等地區存在大段分散、膨脹的泥頁巖的問題，研發了一種含3%～5%氯化鈣的高鈣鉆井液，該體系能在150℃高溫條件下保持良好的流變性和較低的濾失量?，F場應用結果表明，該體系的固相容量限高，在密度為1.4 g/cm3、膨潤土質量濃度為43 g/L的情況下仍保持較低的黏度和切力，機械鉆速比鄰井提高30%，密度較鄰井井底低0.05 g/cm3。

劉慶來［15］針對塔河油田第三系地層易縮徑、阻卡，三疊系、石炭系地層井壁易坍塌等特點，研制了一種高鈣鹽鉆井液體系?，F場應用結果表明，該鉆井液體系具有極強的抑制性和防塌能力，可有效解決淺層泥巖吸水縮徑、砂巖段厚泥餅縮徑和深部(三疊系、石炭系)泥頁巖剝蝕掉塊、垮塌等問題，三疊系、石炭系井段平均井徑擴大率＜6%。

崔文峰等［16］通過優選處理劑研制出一種含3%氯化鈣的鉆井液體系，該體系抗劣質土、無機鹽、高礦化度地層水、水泥等污染的能力很強，可直接用高礦化度的井場水配制鉆井液，降低了鉆井液的成本?，F場應用結果表明，該鉆井液解決了塔河油田泥頁巖剝蝕掉塊、縮徑、地層膨脹坍塌等問題，縮短了鉆井周期，提高了鉆井效率。

針對蘇丹6區塊地質復雜情況，劉樂樂等［17］優選出一種氯化鈣無土相鉆井液，用于室內研究的鉆井液中氯化鈣加量最高達24%，實際應用時鉆井液中氯化鈣加量為12%?，F場應用結果表明，該氯化鈣鉆井液體系具有很好的抑制性，使得鉆屑分散、運移難以發生，完鉆時鉆井液中固相含量僅為1%。但實際使用過程中鉆井液對pH過于敏感，若將pH由7增至9，鉆井液的流型變差，失水急劇升高，對現場維護要求很高。

郭保雨等［18］研發的氯化鈣含量為5%～15%的氯化鈣－醇鉆井液具有較強抑制性，清水回收率僅為0.75%的泥頁巖屑，在該鉆井液中的回收率增至83%以上。該鉆井液在史136井進行了現場應用，鉆井周期明顯縮短，很好地解決了頁巖剝蝕掉塊、坍塌，以及上提下放遇卡、電測困難等問題。

3 存在的問題

3.1 鉆井液流型調節

頁巖氣開發過程中主要采用長段水平井技術［19］，對鉆井液攜巖性能要求較高。采用高濃度氯化鈣，在抑制地層造漿的同時，膨潤土也因水化率低而失去提黏、提切的作用，即使采用凹凸棒石土也難以滿足高濃度氯化鈣條件下對鉆井液的流型控制要求，需要依靠高分子增黏劑的本體黏度來實現。常規使用的增黏劑產品分子鏈中大多含有—CONH2或—COOH基團，易與鈣離子發生反應而失效;同時高濃度Ca2+較Na+或K+更易導致高分子化合物電勢降低、分子鏈中親水基團與水分子間發生去水化作用，加劇聚合物增黏劑的高分子鏈間的聚集、沉淀而失效［20］;鉆井過程中遇到的溫度效應(地層溫度)也會加劇Ca2+對處理劑的去水化作用，影響流型調節劑性能。此外，通常采用純堿或燒堿調節鉆井液的pH，但在高濃度氯化鈣鉆井液體系中，游離的氫氧根離子等會與鈣離子發生反應，導致鉆井液嚴重絮凝，進而導致鉆井液的流型和失水失控，因此需要開發出能夠穩定調節鉆井液pH的緩釋堿物質［21］。

3.2 鉆井液濾失量控制

常規鉆井液的濾失量控制主要是通過在鉆井液中加入降濾失劑，使降濾失劑與黏土顆粒發生吸附，維持鉆井液中黏土細顆粒的含量，進而形成致密濾餅來實現的。然而在高濃度氯化鈣環境下，黏土顆粒和降失水劑的水化程度低，很難形成膠體顆粒，鉆井液濾失量難以控制，不利于井壁穩定?？梢赃x擇在水相中僅能有限溶脹且易發生形變的聚合物微粒，在聚合物微粒的變形填充、封堵等作用下形成致密濾餅，達到降濾失效果。由于泥頁巖平均孔徑屬于中－大孔尺度范圍［22－24］，因此開發出能夠抗高濃度氯化鈣的納－微米粒徑尺寸的封堵劑，有效控制鉆井液失水，對氯化鈣無土相鉆井液的研制非常重要;此外，還應該注意選擇惰性、剛性粒子，使不同粒徑、軟硬度粒子合理分布，以實現對泥頁巖地層的高效封堵。

3.3 鉆井液潤滑及抑制性能

水平井鉆井過程中，造斜點造斜率高，鉆具與井壁接觸面積及摩阻扭矩大，易造成定向托壓、起下鉆遇阻等復雜情況，因此要求鉆井液具有良好的潤滑性。無土相的氯化鈣無水基鉆井液具有一定的潤滑、防卡、降阻的作用，但仍需從配伍性處理劑的角度考慮，研發或優選出性能良好的潤滑劑，進一步提高鉆井液的潤滑性，以滿足安全鉆井的要求。

為進一步提高氯化鈣水基鉆井液的抑制性，應基于陽離子交換、胺基吸附等多種抑制機理，開發或優選出配伍性能良好的抑制劑，從“總體抑制”角度出發設計建立鉆井液體系［25－27］，將長段泥頁巖水平井段的失穩風險降至最低。

4 結語

近十幾年來，氯化鈣水基鉆井液尤其是高濃度氯化鈣無土相水基鉆井液獲得了廣泛的研究和應用，但也暴露出一些問題。國外研究機構已經從開發配套處理劑的角度出發，研制出新一代的氯化鈣水基鉆井液體系，但具體工藝配方仍處于保密狀態。國內相關的處理劑多處于研發階段，尚未實現大規?，F場推廣應用。

隨著對非常規頁巖氣藏資源認識的不斷加深，以及頁巖氣開發及環境保護法律法規的不斷健全，使用油基鉆井液開發頁巖氣資源過程中暴露出的鉆井液及鉆屑生物毒性問題日益受到關注。基于高濃度氯化鈣水溶液對泥頁巖地層的強抑制特性，通過配套處理劑的研發，研制能夠部分替代油基鉆井液的高性能水基鉆井液，以較低的生產和環保成本開發頁巖氣資源，正成為鉆井液技術領域的一個重要研究方向。

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