類油基鉆井液體系在南堡油田的研究與應用

馬海云，胡勇科，邱元瑞，武海棟

（中國石油冀東油田公司監督中心，河北唐山 063299）

隨著南堡油田深層火成巖井段勘探的突破，鉆井深度逐年增加，部分探井已鉆至5 000 m以上。東三段地層上部以灰色泥巖為主，夾薄層粉砂巖，下部發育灰黑色厚層玄武巖。沙一段地層以深灰色、黑灰色泥巖為主，局部地區發育厚層火山巖，火山巖中上部為玄武巖，中、下部為凝灰巖。沙二段、沙三段為淺灰色細砂巖、粉砂巖與深灰色泥巖互層，局部地區發育厚層凝灰巖和玄武巖。南堡深層泥巖、凝灰巖、玄武巖地層微裂縫發育、自吸水現象嚴重，產生水力尖劈，導致地層破碎。常用的水基鉆井液在封堵、抑制、防塌的性能上無法滿足該井段井壁穩定需要[1–2]，諸多探井在鉆探過程中深部地層發生井壁失穩坍塌，無法實現勘探目的。油基鉆井液有較強的抑制能力、優異的封堵能力和膜效率特性等優勢。但是，油基鉆井液成本高、不利于環境保護[3]，且油基鉆井液與固井水泥漿摻混，會降低水泥漿的流動性，影響油層固井質量。因此，針對南堡凹陷的地層巖性特點，從油基鉆井液的性能優勢對比出發，室內研究了適應該地層特性的環保型可重復利用的類油基鉆井液技術，該技術具有油基鉆井液的工程性能和水基鉆井液的環保特征，并具有良好的油藏保護性能，較好地解決了井壁坍塌和油層污染的難題。

1 油基鉆井液的優勢

1.1 半透膜效應

油基鉆井液當中無數的油包水乳狀液滴自身就是很好的半透膜，具有很強的膜效率，能夠有效地阻止壓力和濾液的傳遞，從而延長鉆井安全周期[4–5]。圖1給出了人造井壁在模擬井下循環條件下油基鉆井液與水基鉆井液侵入深度的對比。從圖1中可以看出，在模擬井下循環條件下，水基鉆井液很快浸潤濕人造井壁，而油基鉆井液則僅浸潤濕人造井壁的一半，可見油基鉆井液具有良好的半透膜效應，能有效阻止壓力和濾液的傳遞過程，從而有效延緩鉆井安全周期。

圖1 油基鉆井液與水基鉆井液侵入井壁深度的對比

1.2 反向滲透壓效應

半透膜效應的特點是當用一個半滲透膜分隔兩種不同濃度的溶液（或者一種純溶液和一種溶質）時，由于膜允許溶劑通過而不允許溶質通過，所以會產生滲透壓。也就是說，在具備半透膜效應的情況下，分隔的兩種不同活度的溶液，高活度溶液中的溶劑將向低活度溶液中遷移[6–9]。在油基鉆井液中由于水相中存在20%～27%的CaCl2的水溶液，明顯的活度差將使地層中的水向鉆井液中遷移，從而保證地層不受水相遷移的影響，維持井壁的穩定性[10–11]。

2 類油基鉆井液體系的構建思路[12]

油基鉆井液對環境的污染以及后續的處理難度，阻礙了油基鉆井液的應用與推廣。類油基反滲透鉆井液技術即是通過借鑒油基鉆井液封堵、活度平衡原理，通過油基鉆井液各項優異性能的模擬構建而來，使鉆井液具有類似油基鉆井液的強膜效率、反滲透功能。通過定量控制井下滲透壓差來平衡鉆井液與井壁地層的水驅動力，控制水流方向，阻止水和鉆井液進入泥頁巖以及井壁地層。

2.1 鍵合劑及納米封堵材料

通過分子設計，引入了一種含大量與水分子鍵合的多官能團小分子有機化合物——鍵合劑HBA（圖2），該化合物通過分子內和分子間與水分子形成氫鍵，從而使鉆井液當中的自由水不能自由移動而形成鍵合水[1,12]。同時輔之以膠束封堵劑和納米固壁劑在頁巖井壁表面形成較高膜效率的封堵層，以接近油包水乳滴的半透膜效應，為阻止壓力和濾液的傳遞創造條件。圖3給出了人造井壁在模擬井下循環條件下油基鉆井液與類油基鉆井液侵入深度的對比。

圖2 鍵合劑分子設計及與水的鍵合作用

圖3 油基鉆井液與類油基鉆井液侵入井壁深度的對比

從圖3中可以看出，在模擬井下循環條件下，引入鍵合劑HBA的鉆井液浸潤濕人造井壁的程度基本上趨于油基鉆井液，能有效阻止壓力和濾液的傳遞過程。

2.2 反滲透效應的構建

與油基鉆井液類似，類油基鉆井液在模擬構建了半透膜效應之后，體系中加入20%NaCl+5%KCl，可明顯降低活度，從而在具備半透膜的條件下使地層中的水向鉆井液中遷移，保證地層不受水相遷移的影響，維持井壁的穩定性。

3 類油基鉆井液體系

基于油基鉆井液體系井壁穩定作用機理的分析，結合高溫護膠穩定技術、半透膜效應以及活度平衡鍵合水技術以及納米封堵技術[4]，最終構建了適合于硬脆性泥頁巖地層的類油基鉆井液體系配方，其配方見表1。

表1 類油基鉆井液體系配方

3.1 基本性能及抗鉆屑污染能力對比實驗

室內研究對油基鉆井液與類油基鉆井液的基本性能及抗鉆屑污染能力進行對比，結果見表2。從表2的基本性能數據對比可以看出，類油基鉆井液與油基鉆井液都具有較好的流變性能，巖屑在油基鉆井液和類油基鉆井液體系中基本不水化造漿。

表2 油基鉆井液體系與類油基鉆井液基本性能對比

3.2 線性膨脹率性能對比實驗

室內選擇NB27–5–1井現場泥頁巖鉆屑，觀察鉆屑在油基鉆井液與類油基鉆井液體系中的線性膨脹率的對比情況，實驗結果如圖4所示。從圖4線性膨脹率數據對比可以看出，類油基鉆井液與油基鉆井液都具有較好的抑制能力，巖屑在油基鉆井液和類油基鉆井液體系中基本沒有膨脹。

圖4 線性膨脹率對比

3.3 孔隙壓力傳遞性能對比實驗

硬脆性泥頁巖來說滲透率極低，雖然在鉆井過程中有一定的壓差，但如果沒有很好的膜效率，壓力會向地層傳遞。由于地層滲透率低，壓力傳遞無法及時向遠端輸送，因此會在近井壁帶進行疊加，孔隙壓力會逐漸上升。隨著時間的推移，平衡壓差逐漸降低，直至平衡壓力趨近于零，從而造成井壁失穩。因此，硬脆性泥頁巖孔隙壓力傳遞的快慢直接影響到鉆井安全周期。

油基鉆井液具有優異的半透膜效率，能有效阻止孔隙壓力的傳遞，形成反向滲透壓，因此室內研究采用研制的泥頁巖孔隙壓力傳遞實驗裝置，對油基鉆井液與類油基鉆井液的孔隙壓力傳遞的性能進行了對比，實驗結果如圖5所示。從圖5孔隙壓力傳遞效果對比可以看出，常規的水基鉆井液無法提供良好的膜效率，即半透膜效應。隨著時間的延長，模擬地層端的孔隙壓力逐漸上升，不利于井壁的穩定，而類油基鉆井液具有優異的半透膜效應，壓力并不能明顯地向地層端進行釋放。由于半透膜效應，地層兩端的活度差帶來的滲透壓又使地層端的水相向鉆井液中遷移，從而帶來一定時間內地層端壓力的反向下降，有利于保持長時間的平衡壓差及井壁的穩定。從數據中可以看出，類油基鉆井液同樣存在良好的半透膜效應，基本達到了油基鉆井液的效果。

圖5 孔隙壓力傳遞對比

4 類油基鉆井液的現場應用

目前，類油基鉆井液已經在南堡油田2口深層復雜井進行了成功應用。應用效果表明，該體系具有很好的流變性、抑制性、井壁穩定性及油層保護性能，有效地解決了南堡油田深層易水化分散、膨脹造漿和硬脆性泥巖坍塌問題，提高了機械鉆速，降低了鉆井液密度。

4.1 井徑規則

表3是南堡油田類油基鉆井液與常規水基鉆井液鉆井過程中的井徑擴大率對比結果。現場應用效果顯示，類油基鉆井液與水基鉆井液相比，實驗井井徑規則，平均井徑擴大率較為理想，井壁穩定性好。

表3 南堡油田類油基鉆井液與水基鉆井液井徑擴大率對比

4.2 儲層保護良好

表4為類油基鉆井液與常規水基鉆井液的儲層保護效果對比，從對比結果中可以看出，類油基鉆井液的平均滲透率恢復值較為合理，相較于KCl成膜低滲透鉆井液77.27%的滲透率恢復值，其滲透率恢復值有所提高。

表4 現場鉆井液滲透率恢復值

5 結論

（1）類油基鉆井液具有類似油基鉆井液的強膜效率、反滲透功能。室內研究表明，類油基鉆井液具有優異的半透膜效應，能有效阻止壓力和濾液的傳遞。

（2）現場應用結果表明，該體系具有很好的流變性、抑制性、井壁穩定性及油層保護性能，能有效解決南堡油田深層東營組、沙河街組大段硬脆性泥頁巖的坍塌問題。