大庆中浅层低成本水基钻井液技术研究与应用

张仁彪（大庆钻探工程公司钻井三公司）

大庆油田中浅层除发育常规油气资源外，还蕴藏着丰富的致密油等非常规油气资源，是保障大庆油气产量的主力层位。但在中浅层钻井过程中，常发生造浆、缩径、剥落掉块，甚至是井壁坍塌等复杂事故。油基钻井液虽然具有优良的抑制性和井壁稳定效果，但是高成本、高污染，以及后期处理难的问题限制了油基钻井液的推广应用范围。以往使用的水基钻井液，又存在配方复杂，处理剂种类繁多、加量大和现场维护困难等问题。因此，通过技术攻关，以优选的抑制剂、降滤失剂和润滑剂等处理剂为主，研发出一套低成本中浅层水基钻井液，替代了油基钻井液，保障了大庆油田中浅层油气资源的高效开发[1-2]。

1 钻井施工难点及解决对策

1.1 钻井施工难点

1）大庆油田中浅层从上到下依次发育嫩江组、姚家组、青山口组和泉头组等层位。其中，嫩江组黏土矿物含量高，蒙脱石含量超过50%，清水滚动回收率为0，线型膨胀率大于20%，钻进中极易发生造浆、缩径和钻头泥包等现象，这对钻井液抑制性提出了极高要求。

2）姚家组层位黏土矿物含量以伊蒙混层为主，遇到外来液相很容易发生表面水化及渗透水化，导致井壁剥落、掉块，甚至是井壁坍塌等事故的发生，也要求钻井液较强抑制性。

3）青山口组地层和泉头组地层还有大量尺寸不一的微裂缝，外来液相在压差作用下进入到深部地层后，会降低泥页岩强度，甚至引起井壁垮塌和钻井液漏失，因此要求钻井液具有较强封堵防塌能力。

4）致密油水平井设计过程中，造斜段和水平段都比较长，这样钻具就会与井壁产生大面积接触，因此需要钻井液具有良好的润滑性能。

5）以往使用的水基钻井液配方复杂，处理剂种类繁多，有4 种抑制剂，3 种降滤失剂，且加量较大，使钻井液成本较高，每方成本大于4 500元，钻井液现场维护工作量巨大。

1.2 解决对策

1）优选高效泥页岩抑制剂，提高钻井液对上部地层的抑制能力，避免地层造浆、井径缩小、剥落掉块等复杂。

2）优选与聚胺抑制剂配伍的封堵降滤失剂，提高钻井液对青山口和泉头组地层微裂缝的封堵能力，避免井壁坍塌与剥落情况的发生。

3）优选高效液体润滑剂，提高钻井液的润滑防卡能力，降低起下钻摩阻。

4）在原水基钻井液配方基础上，用优选的聚胺抑制剂和封堵降滤失剂替代原有的4种抑制剂和3种降滤失剂，简化钻井液配方，降低钻井液成本[3]。

2 钻井液体系研究

2.1 抑制剂

抑制剂种类繁多，作用机理和抑制效果也各不相同。聚胺是一种含有较多伯胺基、叔胺基基团的低分子量抑制剂，因其对泥页岩具有良好的抑制效果，而在国内外油田进行了大范围的应用。在室内从9种聚胺抑制剂中优选出一种抑制性强、对钻井液流变性影响小的样品，实验结果如表1 和表2 所示。由表1可知，随着聚胺加量增加滚动回收率逐渐变大，线型膨胀率也逐渐变小，说明优选的聚胺具有良好的抑制性能；由表2可知，聚胺对钻井液流变性能影响较小[4-6]。

表1 抑制性对比数据

2.2 封堵降滤失剂

钻井液中常用的封堵防塌剂多为沥青、磺化沥青和改性沥青等。因为颗粒粒径较大，对缝宽较小的微裂缝封堵能力较差。纳米级乳液封堵剂由于粒径分布范围广，能实现纳米级到微米级微裂缝的有效封堵，所以在致密油地层钻井中使用较多，效果也很理想。在室内采用裂缝封堵评价实验对乳液封堵剂进行优选[7]，优选出一种对地层裂缝具有良好封堵能力的纳米级乳液封堵剂，由图1可知，乳液封堵剂对不同裂缝都具有良好的封堵能力。

图1 纳米乳液封堵剂对纳米级裂缝的封堵效果

2.3 润滑剂

通过实验，在室内优选出极压润滑系数降低率最高的液体润滑剂，这种润滑剂在加量仅为4%的情况下，极压润滑系数降低率达到82%以上，能满足钻井液对润滑性的需求。

2.4 配方研究

在原水基钻井液配方基础上，用优选的抑制剂和封堵降滤失剂替代原体系中的抑制剂和降滤失剂，最终形成低成本中浅层水基钻井液配方：3.0%膨润土+0.25%纯碱+0.02%KOH+1.5%～2.0%聚胺抑制剂+2.0%～3.0%乳液封堵剂+0.2%～0.4%包被剂+1.0%～2.0%碳酸钙，润滑剂根据现场不同井段的施工情况而确定加量。

3 性能评价

3.1 流变性能

在室内对研发的低成本中浅层钻井液的流变性能进行了评价，实验结果如表3 所示。由表3 可知，钻井液在老化前后性能稳定，API 滤失量不超过2 mL，具有较高的岩屑携带能力。

表3 钻井液基本性能数据

表2 聚胺抑制剂对钻井液性能的影响

3.2 抑制性

采用泥页岩滚动回收实验和线型膨胀实验对钻井液体系的抑制性能进行评价，实验结果如表4所示。由表4可知，低成本中浅层水基钻井液膨胀率仅为7.63%，滚动回收率高达93.20%，钻井液抑制能力强。

表4 中浅层水基钻井液抑制性评价结果

3.3 封堵性能

在室内制作缝宽分别为50、100、200 μ m的微裂缝，评价钻井液体系的封堵性能[8]，实验结果如图2 所示。由图2 可知，该钻井液体系对50、100、200 μ m 三个级别微裂缝都具有良好的封堵能力，说明该体系能够实现从纳米级到微米级不同缝宽裂缝的有效封堵。

图2 纳米乳液封堵剂对不同微裂缝的封堵效果

3.4 润滑性能

采用极压润滑仪、黏附系数测定仪对钻井液润滑性进行评价，实验结果显示钻井液的极压润滑系数为0.09，泥饼黏附系数为0.95，钻井液润滑性良好。

3.5 抗岩屑侵性能

将泥页岩岩屑烘干粉碎，按不同加量加入到钻井液中，实验结果如表5 所示。由表5 可知，钻井液能够抗20%的岩屑侵。

4 现场应用

LP2 井是1 口中浅层长水平段水平井，水平段长度超过1 500 m，从上到下分别钻遇嫩江组、姚家组和青山口组等层位，要求钻井液具有较强的抑制性、封堵能力和润滑性能。针对上述实际情况，该井二开后使用低成本中浅层水基钻井液体系。配浆时一次性加入不低于1.0%的聚胺抑制剂，钻进过程中尽量维持在1.0%～1.5%，重点是抑制泥页岩水化分散；在进入青山口组进行造斜时，把封堵防塌剂加量提高至3.0%，增强井壁稳定能力；进入水平段以后，保证钻井液中润滑剂的加量不低于5.0%，以确保体系较强的润滑性，防止托压现象发生，同时将降滤失剂和封堵防塌剂加量调整到设计上限，API滤失量控制在3 mL以内，确保井壁稳定，现场性能如表6。

表5 钻井液抗岩屑污染性能

表6 LP2井现场钻井液性能

现场应用结果表明，所研制的低成本中浅层水基钻井液体系性能良好，钻井过程中起下钻畅通，后期电测、下套管作业也一次成功，各项性能指标都满足了钻井要求。低成本水基钻井液优势主要表现在以下几个方面：钻井液的API 滤失量低，始终维持在2.0 mL左右，避免了嫩江组造浆和缩径；体系流变性易于控制，流动性好，动塑比高，携岩能力强，有效避免了井底岩屑床堆积；抑制性强，能很好地抑制泥页岩的水化分散，保持井壁稳定，钻进过程中未出现任何因钻井液而引起的井塌、卡钻和漏失等井下复杂情况；体系极压润滑系数在0.12以下，润滑性好，未发生压差卡钻事故；平均机械钻速高达10.58 m/h，井径规则，达到了预期效果；钻井液配方简化以后，方便体系性能调节和维护，减少了现场人员工作量；钻井液每方成本和单井节约成本如图3 和图4 所示，由图可知，低成本水基钻井液方成本比油基钻井液和常规水基钻井液具有优势，单井分别节约126万元和28万元，该钻井液体系减少了井下复杂情况、提高了固井质量，缩短了钻井周期，具有良好的经济效益和社会效益。

图3 钻井液方成本对比

图4 单井钻井液成本节约对比

5 结论

1）针对大庆中浅层地层地质特点，通过优选聚胺抑制剂、封堵降滤失剂和润滑剂，并简化钻井液配方，开发出一套综合性能优异的低成本中浅层水基钻井液体系。

2）研究表明，低成本中浅层水基钻井液体系具有良好的流变、降滤失和封堵抑制性能，能够很好地抑制泥页岩地层的水化分散，滚动回收率在90%以上，且具有较强的润滑性与抗污染能力，极压润滑系数为0.09，抗岩屑侵高达20%，可满足现场施工作业要求。

3）低成本中浅层水基钻井液体系抑制防塌效果显著，成功解决了裂缝性泥页岩地层易失稳的难题，井壁稳定，井径规则，井下安全，具有广阔应用前景。