大慶油田致密油藏鉆井液技術發展歷程

殷柏濤

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江大慶 163413）

大慶油田經過60余年開發，常規油氣資源可開采儲量正逐步遞減。位于松遼盆地北部的致密油資源勘探儲量超過20×108t，這將成為大慶油田資源接替的重要領域。自致密油大規模開發以來，鉆探過程中的井壁失穩難題一直是鉆井液技術研究的重要課題。油基鉆井液的強抑制性和高潤滑性是其他鉆井液無法比擬的，但高成本、高污染等問題限制了應用范圍，引進的國外高性能水基鉆井液技術現場施工效果不理想。在對致密油地層井壁失穩機理進行研究的基礎上，先后經歷了強抑制胺基鉆井液體系、強抑制高封堵鉆井液體系、鹽水鉆井液體系等鉆井液技術發展歷程，這些鉆井液體系在不同階段的致密油開發過程中發揮了重要作用。雖然基礎理論研究深入和材料科學發展，大慶油田致密油水平井鉆井液技術必然會取得更大發展和突破。

1 硅基陽離子鉆井液技術

硅基陽離子鉆井液技術主要是應用垂深在1200m左右的中淺層水平井，該鉆井液體系的主處理劑是陽離子聚合物和含硅油的油層保護劑組成。其中的陽離子聚合物是一種分子量相對較小的處理劑，一般在1萬左右，最具代表性的是環氧丙基三甲基氯化銨，這種小陽離子型表面活性劑，主要靠靜電作用可吸附在地層和巖屑表面，阻隔粘土顆粒與水的接觸，從而達到抑制的目的。該體系主要配方為：5%膨潤土+0.05%碳酸鈉+1.0%～1.5%陽離子聚合物+0.2%～0.5%抑制劑+8%～12%礦物油+1%～2%降濾失劑+0.2%～0.5%稀釋劑+1.0～2.0%油層保護劑。室內評價試驗表明，該體系具有抑制性強、濾失量小、潤滑性好、性能穩定等特點，在中淺層水平井施工中得到了大范圍推廣應用[1]。

硅基陽離子鉆井液體系在致密油水平井的應用中井壁失穩事故頻發，鉆頭泥包、縮徑，起下鉆遇阻嚴重，特別是鉆至青山口組地層時，井壁剝落、掉塊嚴重，有的井甚至發生井壁坍塌。通過對致密油地層取樣巖芯進行掃描電鏡和鑄體薄片等分析后得知，青山口組地層屬于裂縫層理發育、粘土礦物總體含量較高的水敏性地層，與外來液相解除后極易發生水化分散和膨脹，引起井壁剝落和坍塌，而硅基陽離子鉆井液體系抑制性難以滿足致密油地層井壁穩定需求。

2 油包水鉆井液技術

為提高致密油地層井壁穩定效果，減少施工過程中的井下復雜，大慶油田研制出一套油包水鉆井液體系，該技術的核心處理劑為乳化劑和降濾失劑。通過創新分子設計，采用碳碳結構作為乳化劑分子主鏈，既能提高乳化劑高溫穩定性，還能在主鏈上引入更多的強親水性基團，最終合成的主乳化劑HLB值控制在3～7，同時具有較強的親油親水能量，在降低油水界面張力的同時，還能使油水界面膜保持較強的粘彈性，最終形成的乳狀液穩定性更強，不易破乳[2]。為了進一步提高油包水鉆井液穩定性，在主乳化劑基礎上，配合使用輔乳化劑，二者加量定為3%和1%，經過高溫老化后，乳狀液性能穩定，破乳電壓大于500V；使用的降濾失劑為腐殖酸改性類降濾失劑，是通過將胺類化合物和腐殖酸在一定條件下反應合成制得。最終形成油包水鉆井液體系配方：氯化鈣鹽水濃度30%～35%，油水比（85～90）∶（15～10），6%主乳化劑+2%輔助乳化劑+4%有機土+2%石灰+5%降濾失劑。鉆井液性能如表1所示，由表1可知，鉆井液綜合性能優異，破乳電壓高、動塑比在0.4以上。

表1 油包水欠平衡鉆井液性能數據表

油包水鉆井液技術在致密油區塊累計應用超過50口井，井壁穩定效果突出，井下復雜事故大幅度降低，為致密油水平井安全高效鉆井提供了技術支撐。

3 高性能水基鉆井液技術

貝克休斯、麥克巴、哈里伯頓等國外專業泥漿公司均率先從事聚胺類抑制劑的合成研究，以此為基礎形成的高性能水基鉆井液技術領先于石油石化行業，在北美、墨西哥灣、亞洲東南部等地區進行了成功應用，取得良好效果。

3.1 LATIDRILL水基鉆井液技術

因為《新環保法》實施，在2015年全部停止使用油基鉆井液后，為了保證致密油資源勘探開發，大慶油田引進貝克休斯公司的LATIDRILL高性能水基鉆井液技術。LATIDRILL高性能水基鉆井液，是以聚胺泥頁巖抑制劑為核心處理劑，配套使用防泥包劑和聚合物包被劑，可有效穩定泥頁巖地層，有利于保持巖屑整體性和提高機械鉆速，其對泥頁巖的抑制性與油基鉆井液相當，抗溫100℃左右。該技術已經廣泛應用于陸上和海上深水鉆井，已在北美、墨西哥灣等區塊進行了現場試驗。與其他鉆井液體系相比，LATIDRILL鉆井液能大幅度減少泥巖井段的鉆進時間，并且沒有鉆頭泥包、縮徑等復雜。同時，這種水基鉆井液具有較好的抗鹽性，可用海水配制，使鉆井成本顯著降低[3]。

LATIDRILL高性能水基鉆井液在大慶油田致密油區塊累計應用4口井。P34-P2是應用的第一口井。從現場施工情況和表2鉆井液性能對比看，該體系失水較大，最多達到5mL，含砂量比較高，而且鉆井液流變性不穩定。在1390m處進入青山口組后，發生較為嚴重的剝落掉塊現象，且在1750m、2200m處起下鉆經常遇阻。

表2 P34-P2井鉆井液性能表

3.2 強抑制胺基鉆井液技術

在引用貝克休斯公司的LATIDRILL高性能水基鉆井液技術同時，大慶油田開始加強高性能水基鉆井液技術研究和攻關，在優選小分子量胺基抑制劑的基礎上，通過選用封堵劑和配套處理劑，形成一套強抑制強封堵的胺基鉆井液體系。該體系在井壁失穩機理的認識已經取得新的認識，在單一提高鉆井液體系抑制性的基礎上，將鉆井液封堵性作為一個重要的指標進行研究。在封堵性能方面采用碳酸鈣、瀝青類處理劑物理封堵和聚合醇化學封堵相結合的方式，使鉆井液對青山口等裂縫層理發育地層的封堵能力大幅度提高。室內評價實驗顯示，該體系API濾失量在3mL以內，120℃高溫高壓濾失量小于12mL，頁巖滾動回收率大于93%，極壓潤滑系數小于0.1[4]。

研制的強抑制胺基鉆井液體系先進行了9口井的先導現場試驗，試驗過程中該體系抑制能力突出、封堵能力強、潤滑性優良、穩定性好，與油基鉆井液性能相近，綜合性能比國外泥漿公司高性能水基鉆井液更穩定，大幅度降低應用油基鉆井液的成本費用，減少環境污染。在先導試驗之后，強抑制胺基鉆井液體系在致密油區塊進行了大范圍推廣應用，使大慶油田水基鉆井液技術得到進一步發展，保證了非常規致密油藏的高效開發，降低應用油基鉆井液高成本問題的同時，環境保護問題也得到了解決。

4 氯化鉀鹽水鉆井液技術

強抑制胺基鉆井液技術雖然在致密油大規模開發中后期發揮了重要作用，鉆井液引起的井下復雜事故率大幅度降低，但青山口組地層的井壁失穩難題還是沒有得到完全解決，剝落、掉塊的現象時有發生。因此，在前期井壁失穩機理研究基礎上，對青山口地層巖芯進行了深入分析后得知，該地層除發育有大量裂縫和微裂縫外，還含有大量微米級和納米級的微孔隙，這些孔隙在毛細管力作用下，極易使外來液相引起深部地層的水化分散和膨脹，最終發生井壁剝落、坍塌[5]。

鉆井液體系的封堵性能方面，采用粒徑分布范圍更廣的磺化瀝青Soltex替代粒徑較大的磺化瀝青，Soltex粒徑范圍既有微米級，也有納米級，對青山口組地層不同粒徑的孔隙都具有較好的封堵作用。通過開展體系研究，最終形成了氯化鉀鹽水鉆井液基礎配方。由表3可知，氯化鉀鹽水鉆井液體系API濾失量在老化前后都只有2mL，140℃高溫高壓濾失量小于10mL，且攜巖能力較強，極壓潤滑系數小于0.1，綜合性能比強抑制胺基鉆井液體系大幅度提升。

表3 氯化鉀鹽水鉆井液老化前后性能表

從現場施工情況來看，氯化鉀鹽水鉆井液在穩定井壁、防止鉆頭泥包及提高固井質量方面都取得了良好效果，井下復雜情況進一步降低，整體施工效果優于強抑制胺基鉆井液體系，主要表現在以下幾個方面：①平均機械鉆速達到了15m/h以上，比強抑制胺基鉆井液提高了10%以上；②鉆井液API失水更穩定，粘度和切力更容易控制，流變性控制更為合理；③固井質量明顯提高，直井段、造斜段和水平段固井優質率分別從50%、70%、80%左右，全部提高至90%以上。截止到2020年底，氯化鉀鹽水鉆井液體系累計應用超過50口井，目前仍在進行大規模應用，為大慶油田致密油勘探開發提高了可靠的技術支撐。

5 水基鉆井液發展趨勢

近年來，非常規油氣資源的水基鉆井液技術取得了較大進步，但仍然存在著抗溫低、成本難控制、環保兼容性有待提高等技術難題。未來致密油水平井水基鉆井液技術應重點從幾個方面進行攻關：①重視基礎理論研究，從宏觀與微觀多角度深入研究致密油地層井壁失穩機理，為鉆井液助劑研發和體系研究提供可靠的理論支撐；②創新使用材料科學領域新技術，從分子結構設計出發做好高性能水基鉆井液抑制劑、降濾失劑等主處理劑的合成與研究工作；③選用來源廣、成本較低的環保原材料制備處理劑，滿足高性能水基鉆井液與環境的兼容性，降低對周圍環境和水資源的污染；④大力發展水基鉆井液回收再利用技術和廢棄鉆井液處理技術，進一步降低鉆井液綜合成本和環境危害。