低活度水基钻井液体系中的活度调节剂的研究与应用

曹伶，于培志

(中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)

随着全球对于资源的需求日益增加，同时人们环保意识不断加强，且国家环保法律法规日渐严格，并且由于疫情等多方面影响，油价现状低迷，而高性能水基钻井液就是为了以低成本实现强水敏性泥页岩膜及含泥岩等易坍塌地层的环保开发的钻井液新体系[1-3]。国外一些知名公司较早投身于高性能水基钻井液的研发，相继推出高性能水基钻井液产品，国内则在此方向上研究较少。因此针对易失稳地层开展构建仿油基低活度防塌型钻井液体系，形成适合深部复杂地层需要的高性能低活度钻井液技术，对于节约钻井成本，提升整体钻井效率等都具有十分重要意义[4-6]。本文就低活度防塌性水基钻井液这个课题的研究与应用进行了综述，并且提出展望。

1 低活度钻井液体系防塌机理

活度调节剂即低活度水基钻井液体系防塌性的重点，其以杜南平衡理论及其延伸为主要依据。当溶液水活度高于页岩活度时，页岩会因浓度差而发生膨胀，而后膨胀到一定程度后产生微裂缝，致使强度降低，与外部液体的接触面积增大，膨胀进一步扩展，进而导致井壁的坍塌[7-9]。当溶液水活度低于页岩活度时，钻井液中的水分子会慢速或者不再向井壁围岩中渗漏。以此利用活度差来控制钻井液中的水分子向井壁运移的速度和量。以此来尽可能的减少围岩水化的条件即水分子的多少。从而达到井壁的稳定性[10-12]。另外，活度可以影响围岩的同时，构成围岩的粘土矿物同样影响着自身的水活度。经实验表明页岩水活度与粘土矿物含量呈正相关，其中蒙脱石含量对于活度影响较大[13]。此外在众多试剂中一部分可以作为活度调节剂，但是从其成本与它的环保性出发又往往不能两全。本文针对不同类别的低活度钻井液体系进行梳理总结。对于低活度钻井液体系的研究具有指导意义。

2 高效活度调节剂

现阶段的活度调节剂分为有机盐、无机盐、非盐类三大类。

2.1 无机盐类

无机盐类是最常用的传统活度调节剂，并且其效率相比无机盐与其他非盐类较高。所以在现场应用较多，同时多配合键合剂，封堵剂等使用。常用于调节活度的无机盐有：NaCl、CaCl2、MgCl2、KCl等。阴离子相同时，Na+在低浓度时降低溶液水活度的能力高于 K+、Ca2+、Mg2+，随着浓度升高，Ca2+、Mg2+降低水活度的能力进一步增强超过 Na+[14]。2017年，郭海峰等[15]，在东海某油气田大斜度井上应用NaCl降低体系活度以实现提高抑制性的目的。原始的低自由水钻井液体系是针对东海地层特点研发的一套钻井液体系，但应用于三口井都发生了井下复杂问题，于是结合作业情况，提出加入NaCl为活度调节剂将钻井液活度调整至低于该区块地层泥岩活度。改良配方之后，钻井作业顺利进行。2020年，何福耀等[16]在东海海域H6-1井应用反渗透钻井液，运用键合剂HBA和无机盐调节钻井液活度，使钻井液活度保持在地层泥页岩地层活度以下，不仅可控制泥页岩稳定性还可保护储层。

虽然无机盐的降活度效果好，且成本低，但是由于它对于钻井液具有的不良影响也比较大同时存在污染周围岩土层的问题，所以大趋势是尽量减少无机盐类活度调节剂的使用，并且实验发现单一试剂的降活度性能相对复配试剂降活效果差,所以无机盐与其他类别试剂复配降活度逐渐被广泛应用[17]。其中多为两种或两种以上无机盐复配、无机盐与有机盐复配、无机盐与非盐类复配。

刘胜等[18]将活度平衡运用到东海油气田x11井上，应用键合剂HBA产生反向渗透压差，配合NaCl及KCl调节钻井液体系的活度，平衡液柱压差和毛管压力，阻止水向地层传递，阻止滤液侵入，达到防塌稳定井壁的目的。构建反渗透钻井液体系。在降低钻井液活度的同时采用纳米封堵技术，应用纳微米级封堵材料胶束剂HMS和固壁剂HGW对泥岩纳微米级孔喉进行有效封堵，建立渗透屏障；在现场应用效果良好，具有高抑制性，强抗温能力，润滑性良好，抗污染能力强等特点，且储层保护效果好。应用后日产量上升一倍。

陈华等[19]发明公开了一种复合盐低活度防塌钻井液及其施工方法，该复合盐低活度防塌钻井液的复合盐为有机盐与无机盐复配即甲酸钠和氯化钠按2∶1的质量比例混合。复合盐的应用提高钻井液中化学抑制泥岩防塌的功能和钻井液的密度。其强化学抑制，低固相，完全满足了长裸眼段对钻井液降摩减阻的严格高质量要求。

张行云等[20]将低活度与高效封堵性能相结合形成活度平衡高效封堵钻井液体系应用于渤海中部油田A2、A3井，钻井作业一切顺利。添加21%复合盐水达到降活度的效果。通过降低体系滤失减少钻井液中液相进入地层从而使地层水化分散的程度达到稳定井壁的效果。

翟科军等[21]将无机盐与糖醇类作为活度调节剂复配形成的低活度高钙聚胺钻井液体系应用于淮北101井，通过加入CaCl2增大钻井液体系中钙离子的浓度并其将山梨糖醇与海藻糖复配形成低活度剂LAA-1且优选出加量为2%。最终构建出低活度高钙聚胺钻井液体系，应用于淮北101井的二开与三开扩井效果可观，井壁稳定效果良好。

2.2 有机盐类

实验证明，当阳离子相同时，氯离子在低浓度时降低溶液水活度能力高于碳酸根、乳酸根和甲酸根离子等有机酸根。但是随着浓度升高，甲酸根离子降低溶液水活度能力进一步增强超过氯离子；所以有机盐试剂的降活度效果在相对浓度低的时候，没有无机盐类的要好，但是较高浓度的甲酸盐类的降活效率还是很可观的，并且有机盐类相对无机盐污染性和毒性较低，具较强环保性[22]。常用于调节活度的有机盐有：醋酸钾、醋酸钠、甲酸盐、甲酸钠、碳酸钾、乙酸甲、乙酸钠等。其中降活效率高的为甲酸盐类。1986年，醋酸钾(KAc)作为钻井液中氯化钾(KCl)的一种更环保的替代品自提出以来已被成功应用。1998年，另一种钾盐甲酸钾(KCOOH)被提出并应用于盐水和钻井液配方中[23]。甲酸盐因其可生物降解且对水生生物毒性低而日益受到关注。除此之外，它们对油田管道和辅助硬件中使用的铁基金属几乎没有腐蚀性。它们在水中具有异常高的溶解度，并降低了许多增粘剂和失水剂在高温下的水解和氧化降解速率[24]。Zhong H Y等[25]通过膨润土抑制试验、页岩热轧分散试验和颗粒分布试验，评价了甲酸盐类的抑制性。通过zeta电位测定、X射线衍射分析、改性蒙脱土吸水性试验和活性试验，分析了甲酸盐的缓蚀机理。结果表明，甲酸盐则主要通过降低溶液活度来阻止粘土水合。在1999年，Gallino G等[26]在意大利南部通过极塑性页岩钻探几口井时成功使用的创新醋酸盐或甲酸盐泥浆配方。非生产区的钻井聚合物泥浆，其配方中包括低浓度甲酸钾，作为常规KCl的替代品，首次广泛应用于ENI S.p.A./Agip分区井。在ENI S.p.A./Agip分部，K-醋酸盐和K-甲酸盐聚合物泥浆已用于在意大利南部两个不同油田(A和B)钻探11口井。自甲酸盐被提出并应用与钻井行业中便迅速推广起来，2002年[27]在国外已采用甲酸钠聚合物钻井液钻两口水平井和1口侧钻水平井，欧洲各国已用甲酸铯钻井液钻了100多口井，均取得很好的效果。2016年，Isinak A a等[28]在阿尔巴尼亚亚得里亚海岸附近的卡尼纳镇附近的Vlora区卡尼纳1号井的1 610～4 653 m的关键中间段成功地利用了多元醇-碳酸钾复合体系。使用了比重为1.20～2.05的泥浆，其中含有12%的复合多元醇添加剂、40 kg/m3的碳酸钾和2%的润滑、渗透率增强添加剂。在这种抑制性水基流体中，钻速远高于预期，PDC钻头性能良好。2018年于雷等[29]鉴于有机盐对钻井液性能影响小的特点和钾离子独特的抑制页岩水化作用，选择甲酸钾作为钻井液活度调节剂甲酸钾溶液最佳活度应控制在0.900～0.950。综合考虑性能、成本等因素，确定甲酸钾加量为15%。2020年，于雷等[13]将有机盐weigh2与甲酸钠和甲酸钾抑制性相比优选出有机盐weigh2作为活度调节剂，并发现当活度低于0.94时膨胀率与页岩回收率优化不明显。选取最优活度值为0.94。

在国内[30]采用甲酸钾取代KCl作为钾基钻井液的活度调节剂而形成的无氯新钾基钻井液体系先后在东部地区、南海西部钻井,收效明显。

2.3 非盐类

目前非盐类降活剂研究范围中效果较好且常被提及的有：乙二醇、丙二醇、1-2丙二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇、甲基糖苷、甲基糖苷衍生物、葡萄糖、麦芽糖、山梨糖醇与海藻糖等。非盐类在水基钻井液活度调节剂中是属于环保性最强的品类了，但他不能兼顾高效降活。因此醇类降活剂多采用醇类间复配形成多元醇或与盐类复配以此达到良好降活效果,据文献，多元醇与盐混合使用比其单独使用更有效[31]，多元醇如聚乙二醇、聚丙三醇、甲基葡萄糖苷等与盐类复配时对页岩稳定性作用比单独使用时效果明显提高。改进了页岩流体成膜效率。盐类降低了钻井液水活度，页岩可有效进行脱水作用。

2019年，张敬辉等[32]将低活度应用于酒精基钻井液中，其中降低活度的方法为在制备好的膨润土浆中加入小分子多元醇，即加入乙二醇、丙二醇、1-2丙二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇中的一个或多个进行复配制备出高效活度调节剂。该低活度酒精基钻井液体系具有环保性，对环境无害，且易于控制。2011年，肖金裕等[33]将有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中，用其与聚磺钻井液、聚合物钻井液浸泡宁 206 井现场页岩岩心，页岩岩心在有机盐聚合醇钻井液中浸泡后活度降低更多，说明该钻井液比其它钻井液具有更低的活度，减少了水分子进入泥页岩的破坏作用，充分体现出该钻井液的低活度、防塌特性。 糖类则是多用于与盐类非盐类试剂复配，做辅助效果甚佳。上文提到[20]，将CaCl2增与山梨糖醇与海藻糖复配形成低活度剂LAA-1降低水基钻井液活度。

除糖醇类以外其他一些试剂在活度调节方面的价值也不断被发掘、提出并改进。1999 年[34]甲基糖苷钻井液在国内新疆沙113井首次现场应用，现场试验效果良好，当钻井液中甲基糖苷含量接近 40% 时，可显著降低钻井液水活度，形成理想半透膜，阻止钻井液滤液侵入地层导致的泥页岩水化膨胀，有效维持井眼稳定。 但也普遍存在着加量大、成本高、抑制及抗温性能有待提高等问题，限制了其进一步推广应用。在克服这些问题时国内外采取了不同的技术路线，国外开展了通过烷基糖苷与无机盐的复配来减少 APG 加量的研究; 国内开展了通过烷基糖苷的改性来达到减小加量、降低成本的目的，主要得到了阳离子烷基糖苷(CAPG) 、聚醚胺基烷基糖苷(NAPG) 等改性产品[35-37]。2016年[38]甲基糖苷衍生物CAPG、NAPG 等产品已在新疆、陕北、内蒙、四川和中原等地区应用近 50 井次，满足了强水敏性泥岩、含泥岩等易坍塌地层长段水平井开发的需要。针对页岩气长水平井对钻井液井壁稳定、润滑防卡和携岩带砂等性能要求高，中原石油工程有限公司自主研发出以NAPG、CAPG 和 APG 为核心主剂的烷基糖苷衍生物钻井液体系，简称 APD(Alkyl Polyglucoside Derivative)钻井液。2015年，赵虎等[39]将高浓度的CaCl2溶液加入烷基糖苷钻井液中形成氯化钙-烷基糖苷钻井液体系，该体系水活度可达0.40～0.76，有效降低钻井液的活度进而提高半透膜效率。2021年，Gao J等[40]研究了以玉米淀粉为主要成分的甲基葡萄糖苷(MEG)钻井液。结果表明，MEG能有效降低水基钻井液的水活度，提高页岩膜效率。MEG钻井液具有低水活度、高温稳定性、页岩抑制性和良好的流变性能。此外，它易于生物降解，可用于环境保护。

除糖类醇类中已知明确用来降低活度的试剂，其他降活试剂也被合成，2021年屈沅治等[41]合成了一种新型页岩抑制剂名为SGI-1，由碱木质素加入三甲基氯化铵溶液在特定手法下制备而成，其抑制性能好，且环保，并且其降低活度的效果优秀，随SGI-1加量逐渐增加，水溶液的水活度随之下降，在加量为2%便可降活度降到0.84以下。

3 总结与展望

随着环保意识与环保政策发展的同时，兼顾经济效益，高性能水基钻井液优化的必要性与日俱增。从杜南理论及其延伸理论出发，对目前常用的水活度调节剂进行梳理与归纳，主要可总结为以下几方面：(1)无机盐类为最常用活度调节剂，它具有高效，成本低，但对钻井液影响大，对周围环境污染大等特点。(2)有机盐类试剂具有效率相对无机盐类相对较低，但大多数环保性强毒性低，有些可生物降解等特点。(3)非盐类的优点为环保型好、无毒无害可降解；但是也有降活效率低的缺点。但是多种醇类复配形成多元醇会大大提高降活效率，糖类则是在复配中可以起到很好的辅助作用。

目前活度调节剂方向仍需进一步研发：(1)目前钻井液行业对于环保要求不断提高，应开发以环保应能为立足点的新型降活度试剂，尽量达到无毒无害可降解。(2)目前常用活度调节剂单体较为单一，无机盐类方向难以取得进一步发展，应聚焦于无机盐于非盐类，扩大原料范围，通过实验等手段研究最佳复配方法同时对于性能好的处理剂兼活度调节剂进行优化；开发新型活度调节剂。