针对深层页岩气藏的油基钻井液降黏剂研制及应用

梁文利 代一钦

1. 中国石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司 2. 中国石化江汉石油工程有限公司钻井二公司

0 引言

随着涪陵页岩气向深层开发，特别是平桥、江东区块，油基钻井液密度最高达到1.90 g/cm3，由于密度增高和固相含量增加，油基钻井液的流动性变差，循环压耗高，泵压高，最高达到28 MPa，高泵压会影响机械动力，能源消耗大。常规采用加入柴油稀释降黏的方法，会导致钻井液密度迅速降低，最终造成出气，需进行循环压井，降低了生产时效，另外，固井前要求油基钻井液具有较低的黏度，以有利于提高固井时的水泥浆顶替效率。目前市场上的原油降凝降黏剂与油基钻井液的配伍性不好，部分产品加入之后不降黏反而增黏；部分产品会导致油基钻井液破乳，电稳定性急剧降低，增加页岩的井壁失稳风险。国内有关油基钻井液用降黏剂的报道很少，相关的专利文献几乎没有，国外有少量关于油基钻井液降黏剂的研究和应用，如哈里伯顿的用于低温的油基钻井液降黏剂专利，但是国外市场上的降黏剂的抗温能力并不十分理想[1-4]。因此，迫切需要研制一种针对高密度高固相油基钻井液的多功能降黏剂，可降低黏度、切力，提高钻井液的流动性，并且有助于强化其他性能。对此，研制了一种油基降黏剂，可降低油基钻井液黏度30%以上，提高了油基钻井液的流动性和老浆重复利用率，已在涪陵工区多口井进行了现场应用，应用效果良好。

1 高密度油基钻井液黏切高的原因

1）高密度油基钻井液由于基液密度低，在加重至高密度情况下，钻井液中固相含量高，影响了钻井液的流动性；

2）由于页岩气地层井壁稳定的需要，向油基钻井液中加入了大量的沥青类降滤失剂，沥青可以分散在柴油中，导致油基钻井液黏度高、切力高；

3）对于邻井处于压裂工序中的井，压裂液容易窜入油基钻井液中，导致油基钻井液中水相比例增大，钻井液黏度增高；

4）在钻进过程中，劣质固相不断的进入到油基钻井液中，使得低密度固相含量增大，由于钻屑是亲水性的，而油基钻井液的润湿性欠缺，钻屑的润湿反转吸附大量的润湿剂，随着钻屑不断从振动筛筛出，乳化剂吸附在钻屑上，造成油基钻井液的润湿性变差，引起钻井液黏度和切力增大[5-8]。

2 油基钻井液降黏剂的研制及性能评价

2.1 油基钻井液降黏剂的研制

根据高密度油基钻井液流变性差、黏切高的原因，进行了油基钻井液降黏剂的研究及相关产品开发。研发思路如下：①由于钻井液密度高，钻井液体系本身固相含量高且低密度钻屑等劣质固相侵入油基钻井液中会造成固相含量更高，需要研制强亲油性并具有润湿反转功能的材料，因此研制了多胺基双子表面活性剂A1；②针对高密度油基钻井液中沥青含量高的情况，需要研制具有沥青分散功能的材料，因此研制了沥青分散剂A2；③为防止水相增大、流变性变差，需要研制具有强乳化功能、能够在低油水比情况下具有良好流变性和稳定性的材料，因此研制了多点吸附表面活性剂A3[9-12]；④选用密度2.0 g/cm3的油基老浆作为样本，进行降黏剂配方研制，在室内经过大量的实验，将A1、A2、A3配制成以多胺基双子表面活性剂为主剂的油基降黏剂，命名为SSC-OXS。油基钻井液降黏剂配方组成及实验数据结果见表1。

表1 油基钻井液降黏剂配方组成实验数据表

2.2 油基钻井液降黏剂性能评价

取密度为2.0 g/cm3的油基钻井液老浆，其中1份不加降黏剂，其他分别加入1.5%和3%的油基降黏剂，测定老化前后的各项性能，并将自主研制的降黏剂与国外的油基降黏剂进行性能对比，结果见表2。可以看出：加入该油基钻井液降黏剂之后，能够降低高密度油基钻井液的黏度和切力，黏度降低率接近30%，高温高压滤失量有一定程度的降低，破乳电压有所增高，作用效果明显。

按照传统的降黏方法向油基钻井液中加入柴油，虽然流变性改善，但高温高压滤失量增加，电稳定性下降，需要补充大量的降滤失剂和主乳剂、辅乳剂。特别是对于高密度油基钻井液而言，加入大量柴油之后，密度会降低，对于页岩气井，井控风险增加（表3）。

综上，结论认为所研制的高密度油基钻井液降黏剂具有良好的降黏剪切效果，配伍性良好。与国外降黏剂对比，自主研制的降黏剂效果更佳。

2.3 油基降黏剂的作用机理、应用特点及应用范围

2.3.1 作用机理

该油基降黏剂是采用多胺基双子表面活性剂作为主剂，配套其他多种表面活性剂而成的高效能油基钻井液降黏剂。该产品具有强吸附润湿特性，可吸附在钻屑和重晶石等亲水材料的颗粒表面，利用润湿反转特性，提高钻屑和重晶石的亲油性，从而提高流动性；特别是高密度油基钻井液，其固相含量高，固相颗粒之间的摩擦阻力大，造成钻井液的黏度和切力高；高固相钻井液在管路中循环时，固相颗粒与管具间的摩擦力增大，该降黏剂可以降低固相颗粒与管具间的摩擦力，即降低循环压耗，从而降低泵压，降低动力设备负荷；沥青颗粒、有机土在油基钻井液中呈现分散胶体状态，其固相颗粒呈现为纳—微米级颗粒，油基钻井液中由于堆积了大量的胶质和沥青质等大分子，造成油基钻井液胶体黏度高，该油基降黏剂的分子主链是高碳烷基，可以借助强的形成氢键能力和渗透性，油基降黏剂的分散作用使得胶质、沥青质分子结构变得疏松，同时降低了沥青间的聚合力，从而达到降黏的效果[13-19]。

表2 油基钻井液降黏剂性能评价结果统计表

表3 高密度油基钻井液添加柴油性能评价统计表

1）油基老浆的固相颗粒分布

油基钻井液流变性的影响因素有：液相本身的黏度、外来固相颗粒之间产生的摩擦、加重材料颗粒之间产生的摩擦[20]。因此需要对油基钻井液老浆、新浆的颗粒粒度进行分析。用2 000 ZD湿法激光粒度仪（量程0.1～300.0 μm）测试油基钻井液的固相颗粒粒度分布，该仪器采用白油作为分散介质，将油基钻井液样品加入白油中进行超声震荡，超声时间为300 s，使样品完全分散均匀，然后采用激光粒度仪测定各项参数（表4），并进行分析。

表4 油基老浆与新浆的固相颗粒对比

由表4可以看出，老浆中的固相粒度分布处于亚微米状态，油基老浆的粒度明显比油基新浆更小，比表面积更大一些，说明钻进过程中钻屑会侵入油基钻井液中，而且钻屑分散得很细，含有大量亚微米颗粒的固相对钻井液流变性的影响较大[21]。

为了分析钻屑对流变性的影响，进行了在相同密度（1.80 g/cm3）下油基老浆与新浆的性能对比实验，实验结果见表5。可以看出老浆的黏度切力是新浆的2倍以上，主要原因就是钻屑的影响。

2）润湿反转作用

页岩的亲油亲水特性表现为油基降黏剂可以使页岩岩屑表面由亲水转变为亲油。研究表明，龙马溪页岩为亲水岩石，其清水接触角为0。用2%油基降黏剂溶液浸泡后的龙马溪页岩的清水接触角为144°，龙马溪组页岩的亲油性增强。岩屑的亲油性增强会使得岩屑很容易从油基钻井液中分离出去，而且可以抑制钻屑的稳定性，防止分散，固相颗粒的减少，使得油基钻井液黏度保持较低的状态[22-23]。

表5 油基老浆与新浆性能对比

2.3.2 应用特点

该油基降黏剂是液体产品，倾点低、黏度低、流动度好。在现场应用时可直接加入循环中的油基钻井液，按照循环周添加，直至全井油基钻井液中均含有降黏剂，加量介于1%～3%，可根据现场性能合理调整降黏剂加量，保证油基钻井液的流变性降至合理的范围内。在加入之前最好先做小型实验，确定加量后再进行全井调整。流变性能调整到要求之后，进行全套性能测定，包括高温高压滤失性能、电稳定性能等[24]。

2.3.3 应用范围

该油基降黏剂是一种复合制剂，具有良好的润湿性和分散沥青能力，并具有一定的乳化功能，适用于高密度油基钻井液特别是密度大于1.80 g/cm3的油基钻井液。高密度油基钻井液的固相含量高达35%以上，钻屑进入油基钻井液之后，钻井液的黏度切力增高使得钻井泵泵压过高，负荷太大，机械动力设备不能承受，加入该油基降黏剂可以降低循环压耗，降低摩阻，从而大幅度提高排量[25-26]；该油基降黏剂还可以应用于完井后油基老浆重复利用的再处理，提高老浆的流动性和再利用价值。

3 现场应用

油基钻井液降黏剂SSC-OXS已经在焦页44-7HF井、44-8HF井、焦页29-S3井、焦页59-7HF井、186-2HF井等10余口井成功应用，应用效果显著。以焦页186-2HF井为例，具体现场施工过程如下。

1）焦页186-2HF井的施工前期情况：前期该井出气，还有邻井的压裂液侵入，使油基钻井液受到污染，油水比降低，加入柴油、乳化剂、降滤失剂等材料调整钻井液的稳定性；对于出气则进行循环压井，提高密度，钻井液密度从1.68 g/cm3提高至1.89 g/cm3，钻井液黏度高达120 s，流动性差，泵压高达28 MPa，在井深3 927 m处，由于黏度、切力高和泵压高，最后被迫起钻调整处理油基钻井液性能。

2）降黏施工过程：下钻到底之后，开泵循环钻井液，正常之后开始加入油基降黏剂，在钻井液罐上面，按照循环周，直接向油基钻井液中均匀地加入油基降黏剂，全井和地面一共300 m3油基钻井液，按照3%的加量进行施工。加入油基降黏剂后，泵压明显降低，由28 MPa降低至25 MPa。

钻井液性能参数如表6，可以看出，在加入油基降黏剂之后，油基钻井液的漏斗黏度从120 s降低至95 s，随着降黏剂的不断加入，最终降低至90 s，钻井液的流动性变好，高温高压滤失量几乎不变，破乳电压有所上升，并降低了泵压。这是因为降低了管路摩阻，就降低了油基钻井液中固相颗粒之间的摩擦力以及固相颗粒与循环系统相关设备之间的摩擦阻力，从而大幅提高了高密度油基钻井液的管具通过能力。

4 结论

1）2种因素共同导致高密度油基钻井液的流变性难以调控：①钻井液中固相增加，特别是高密度油基钻井液中固相含量过高；②油基钻井液中加有大量沥青，以及龙马溪组页岩钻屑分散在油基钻井液中，使得亲水性强的钻屑和重晶石颗粒遇油之后，润湿反转过程滞后，需要润湿反转的时间，造成钻井液黏度切力增大；

2）以多胺基双子表面活性剂为主剂的油基降黏剂，降黏率高达30%；

3）油基降黏剂在涪陵页岩气田焦石坝区块多口井的应用效果明显，流变性适宜，泵压稳定，降黏率达到25%。

表6 焦页186-2HF井加入降粘剂前后油基钻井液性能