氯化钙水基钻井液体系现状及展望

谢 俊，马 诚，王中华，蒋官澄

(1.中国石化中原石油工程公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001;2.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

氯化钙水基钻井液是一种以Ca2+提供抑制性化学环境的钻井液。传统意义上的氯化钙钻井液其滤液中Ca2+的质量浓度一般为1 000～3 500 mg/L，属于粗分散钻井液［1］。随着储层保护、钻井提速及井壁稳定等方面对钻井液提出的更高要求，科研工作者开发出一种高浓度氯化钙无土相水基钻井液(氯化钙质量分数可达15%以上)，该类钻井液可以有效抑制泥页岩的水化膨胀，对于稳定地层十分有利，有望在页岩气开发过程中获得应用［2］。笔者对国内外氯化钙水基钻井液的研究和应用现状进行了梳理，并结合页岩气资源勘探开发对钻井液的技术需求，探讨了氯化钙水基钻井液用于页岩气资源勘探开发存在的问题和解决方案。

1 氯化钙水基钻井液的作用机理

传统意义上的氯化钙钻井液通过Na+/Ca2+交换将钠土转变为水化能力较差的钙土，并通过压缩黏土颗粒表面的扩散双电层，引起黏土晶片面－面和端－面聚结，造成黏土颗粒分散度下降，使钻井液获得化学抑制性［3］。

高浓度氯化钙无土相水基钻井液除具有传统氯化钙钻井液的抑制机理外，主要是通过降低钻井液的活度来实现其抑制性。泥页岩井壁表面与水基钻井液间存在一层非理想的半透膜［4］，某些无机盐的加入能够明显降低钻井液的活度，进而提高半透膜效率［5－6］，有利于井壁稳定。Talal等［7］利用压力传递装置较为系统地研究了不同条件下无机盐与泥页岩渗透压及泥页岩膜效率之间的关系，认为与Na+和K+相比，Ca2+拥有更大的离子水化半径和离子交换能力，在相同的水活度及泥页岩条件下，氯化钙溶液对泥页岩产生的渗透压和膜效率明显高于KCl，NaCl等一价金属盐，更有利于保持泥页岩井壁的稳定。

2 氯化钙水基钻井液研究及应用现状

2.1 国外研究及应用现状

Bharat［8］介绍了一种能够应用于氯化钙钻井液的降失水剂，以凹凸棒石作为流型调节剂，并根据氯化钙的加量调整其他高分子聚合物如聚丙二醇及多糖类处理剂的加量，钻井液中氯化钙的质量分数为1%～30%。应用结果表明，该氯化钙钻井液失水可控，抗温可达121℃，但经热滚老化后体系的静切力偏小，仅为1.0～1.5 Pa。

James等［9］研制了一种页岩稳定钻井液，配方中含有氯化钙、一价盐及低电荷和低相对分子质量的阳离子聚丙烯酰胺共聚物，氯化钙的质量分数约为17%，体系采用XAN－PLEXTM为增黏剂，降滤失剂为BIO－PAQTM或BIOLOSETM。该钻井液体系在墨西哥湾的高活性地层中进行了现场试验，能提高钻井速度及固相清除效率，降低钻井成本，但体系抗高温能力较差，室内实验抗温最高仅93℃。

Turner等［10］针对氯化钙质量分数为35%～38%时，常规聚合物悬浮剂和降失水剂基本失效的问题，研制出一种纤维素类处理剂，取代预水化膨润土浆、凹凸棒石及大部分聚合物，以提供良好的悬浮稳定性能和剪切稀释性能，同时通过添加蜡质处理剂、玉米淀粉及一定颗粒尺寸的碳酸钙来控制体系失水。该新型无固相氯化钙钻井液体系在墨西哥湾深水成功应用，现场使用钻井液的密度约为1.36 g/cm3，其在井眼净化、页岩抑制及封堵渗透性砂层等方面效果明显，并在无隔水导管钻进时成功避免了墨西哥湾浅层流问题。

Paul等［11］针对墨西哥湾深水钻井中遇到的高活性、高黏性黏土地层，开发了新一代的氯化钙钻井液，其中氯化钙含量约为18%。采用常规盐水钻井液及第1代氯化钙钻井液钻进该地层时，常出现钻具及钻头泥包、钻井液固相难以控制、振动筛糊筛跑浆等情况。现场使用新一代氯化钙钻井液时，可成功解决泥包、固相控制及振动筛糊筛等问题，且体系抗温达121℃，但该体系的触变性较低，可能存在加重悬浮重晶石及井斜角＞30°的斜井井眼净化的问题。

针对无固相氯化钙溶液的密度偏低、无法满足钻深井及高压地层需要的问题，Brunner Mond［12］公司通过加入硝酸钙来提高氯化钙溶液的密度，复配溶液的密度为1.35～1.65 g/cm3，通常氯化钙和硝酸钙在复配液中的总含量约为35%～70%，且复配液的结晶温度较低，在－10℃以上不会结晶，适合在低温环境中使用。

2.2 国内研究及应用现状

针对含膨润土相加重钻井液存在易对油气层产生损害、加重受限等缺点，李家龙等［13］开展了以氯化钙作为加重剂的钻井液体系的研究。该钻井液体系在威东六井进行了现场应用，其流变性能好，携砂能力强，机械钻速高。每钻进50～70 m，钻井液密度自然下降 0.01～0.03 g/cm3。

吴修宾等［14］针对中原油田的白庙、河岸、文东等地区存在大段分散、膨胀的泥页岩的问题，研发了一种含3%～5%氯化钙的高钙钻井液，该体系能在150℃高温条件下保持良好的流变性和较低的滤失量。现场应用结果表明，该体系的固相容量限高，在密度为1.4 g/cm3、膨润土质量浓度为43 g/L的情况下仍保持较低的黏度和切力，机械钻速比邻井提高30%，密度较邻井井底低0.05 g/cm3。

刘庆来［15］针对塔河油田第三系地层易缩径、阻卡，三叠系、石炭系地层井壁易坍塌等特点，研制了一种高钙盐钻井液体系。现场应用结果表明，该钻井液体系具有极强的抑制性和防塌能力，可有效解决浅层泥岩吸水缩径、砂岩段厚泥饼缩径和深部(三叠系、石炭系)泥页岩剥蚀掉块、垮塌等问题，三叠系、石炭系井段平均井径扩大率＜6%。

崔文峰等［16］通过优选处理剂研制出一种含3%氯化钙的钻井液体系，该体系抗劣质土、无机盐、高矿化度地层水、水泥等污染的能力很强，可直接用高矿化度的井场水配制钻井液，降低了钻井液的成本。现场应用结果表明，该钻井液解决了塔河油田泥页岩剥蚀掉块、缩径、地层膨胀坍塌等问题，缩短了钻井周期，提高了钻井效率。

针对苏丹6区块地质复杂情况，刘乐乐等［17］优选出一种氯化钙无土相钻井液，用于室内研究的钻井液中氯化钙加量最高达24%，实际应用时钻井液中氯化钙加量为12%。现场应用结果表明，该氯化钙钻井液体系具有很好的抑制性，使得钻屑分散、运移难以发生，完钻时钻井液中固相含量仅为1%。但实际使用过程中钻井液对pH过于敏感，若将pH由7增至9，钻井液的流型变差，失水急剧升高，对现场维护要求很高。

郭保雨等［18］研发的氯化钙含量为5%～15%的氯化钙－醇钻井液具有较强抑制性，清水回收率仅为0.75%的泥页岩屑，在该钻井液中的回收率增至83%以上。该钻井液在史136井进行了现场应用，钻井周期明显缩短，很好地解决了页岩剥蚀掉块、坍塌，以及上提下放遇卡、电测困难等问题。

3 存在的问题

3.1 钻井液流型调节

页岩气开发过程中主要采用长段水平井技术［19］，对钻井液携岩性能要求较高。采用高浓度氯化钙，在抑制地层造浆的同时，膨润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难以满足高浓度氯化钙条件下对钻井液的流型控制要求，需要依靠高分子增黏剂的本体黏度来实现。常规使用的增黏剂产品分子链中大多含有—CONH2或—COOH基团，易与钙离子发生反应而失效;同时高浓度Ca2+较Na+或K+更易导致高分子化合物电势降低、分子链中亲水基团与水分子间发生去水化作用，加剧聚合物增黏剂的高分子链间的聚集、沉淀而失效［20］;钻井过程中遇到的温度效应(地层温度)也会加剧Ca2+对处理剂的去水化作用，影响流型调节剂性能。此外，通常采用纯碱或烧碱调节钻井液的pH，但在高浓度氯化钙钻井液体系中，游离的氢氧根离子等会与钙离子发生反应，导致钻井液严重絮凝，进而导致钻井液的流型和失水失控，因此需要开发出能够稳定调节钻井液pH的缓释碱物质［21］。

3.2 钻井液滤失量控制

常规钻井液的滤失量控制主要是通过在钻井液中加入降滤失剂，使降滤失剂与黏土颗粒发生吸附，维持钻井液中黏土细颗粒的含量，进而形成致密滤饼来实现的。然而在高浓度氯化钙环境下，黏土颗粒和降失水剂的水化程度低，很难形成胶体颗粒，钻井液滤失量难以控制，不利于井壁稳定。可以选择在水相中仅能有限溶胀且易发生形变的聚合物微粒，在聚合物微粒的变形填充、封堵等作用下形成致密滤饼，达到降滤失效果。由于泥页岩平均孔径属于中－大孔尺度范围［22－24］，因此开发出能够抗高浓度氯化钙的纳－微米粒径尺寸的封堵剂，有效控制钻井液失水，对氯化钙无土相钻井液的研制非常重要;此外，还应该注意选择惰性、刚性粒子，使不同粒径、软硬度粒子合理分布，以实现对泥页岩地层的高效封堵。

3.3 钻井液润滑及抑制性能

水平井钻井过程中，造斜点造斜率高，钻具与井壁接触面积及摩阻扭矩大，易造成定向托压、起下钻遇阻等复杂情况，因此要求钻井液具有良好的润滑性。无土相的氯化钙无水基钻井液具有一定的润滑、防卡、降阻的作用，但仍需从配伍性处理剂的角度考虑，研发或优选出性能良好的润滑剂，进一步提高钻井液的润滑性，以满足安全钻井的要求。

为进一步提高氯化钙水基钻井液的抑制性，应基于阳离子交换、胺基吸附等多种抑制机理，开发或优选出配伍性能良好的抑制剂，从“总体抑制”角度出发设计建立钻井液体系［25－27］，将长段泥页岩水平井段的失稳风险降至最低。

4 结语

近十几年来，氯化钙水基钻井液尤其是高浓度氯化钙无土相水基钻井液获得了广泛的研究和应用，但也暴露出一些问题。国外研究机构已经从开发配套处理剂的角度出发，研制出新一代的氯化钙水基钻井液体系，但具体工艺配方仍处于保密状态。国内相关的处理剂多处于研发阶段，尚未实现大规模现场推广应用。

随着对非常规页岩气藏资源认识的不断加深，以及页岩气开发及环境保护法律法规的不断健全，使用油基钻井液开发页岩气资源过程中暴露出的钻井液及钻屑生物毒性问题日益受到关注。基于高浓度氯化钙水溶液对泥页岩地层的强抑制特性，通过配套处理剂的研发，研制能够部分替代油基钻井液的高性能水基钻井液，以较低的生产和环保成本开发页岩气资源，正成为钻井液技术领域的一个重要研究方向。

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