钻井液与水活度

1、有机盐钻井液技术关键词 有机盐钻井液；加重材料；钻井液性能；流变性；抑制性；室内试验； 机械钻速；保护油气层；腐蚀；环境；现场应用；新疆准噶尔盆地南缘。摘要 介绍了一种新型钻井液一一有机盐钻井液的组成，部分处理剂的结构、 作用机理，室内试验及在新疆准噶尔盆地南缘的现场应用情况。结果表明：该钻 井液流变性好、抑制性强、造壁性好，可提高机械钻速、保护油气层、对钻具无 腐蚀、对环境无污染，在现场应用，有其是在新疆准噶尔盆地南缘应用更具有广 阔的前景。一、基本概念有机盐即有机酸盐，也就是有机酸根阴离子与金属阳离子、其它类型的阳离 子所形成的盐。本文所说有机盐，是带杂原子取代基的有机酸根阴离子与一价金属

2、离子（钾离子、 钠离子、铵离子、叔铵离子、季铵离子等）所形成的盐。该类有机盐可用一通式 XmRn （COO）lMq表示，其中X为杂原子及杂原子基团，R为C0-C10的饱和烃 基，COO为羧基，M为一价阳离子。其结构式可表示如下：有机盐钻井液由有机盐水溶性加重剂Weigh2、Weigh3,降滤失剂Redu 1、Redu2、 提切剂Viscol、Visco2、无萤光白沥青NFA-25、包被剂IND10配制而成。其中， IND10是专门用于含低浓度有机盐（15%）钻井液的处理剂。提切剂Visco1是硅酸盐矿物的改性产品，可用通式M1aM2bM3c （OH）dOe表 示，M1、M2、为2、3价金属元素

3、、M3为4价非金属元素。提切剂Visco2是含磺酸基的聚合物经微交联合成的高分子化合物。降滤失剂Redu 1是含磺酸基的乙烯基单体、乙烯基单体与纤维素等接枝共聚而 成的中小分子量聚合物。降滤失剂Redu 2是含磺酸基的乙烯基单体、乙烯基单体共聚而成的中小分子量 聚合物。包被剂IND10是乙烯基单体、含磺酸基的乙烯基单体共聚而成的较高分子量的聚 合物。二、有机盐钻井液的特点有机盐钻井液比之普通钻井液，有以下特点：（1）固相含量低，流变性好； （2）抑制性强；（3）滤失造壁好；（4）抗温能力强；（5）保护油气层效果好； （6）对金属无腐蚀；（7）对环境无污染。三、有机盐钻井液的作用机理（一）有机盐

4、钻井液的流变性有机盐水溶性加重剂的有机酸根阴离子与单价阳离子亲水性强，在水中电离 倾向大，具有超高溶解度，Weigh2在水中溶解度可达95克/100克水，Weigh3 在水中溶解度可达150克/100克水。其水溶液密度较高，最高可达1.55g/cm3, 用这类加重剂可配成密度高达1.55g/cm3的无固相钻井液及密度为2.50 g/cm3以 上的低固相超高密度钻井液。有机盐钻井液各组分能充分溶解于水，是由溶解规律理论决定的。电解质溶 液理论指出：电解质溶液中存在几个组分时，其组分的化学势（又称化学位）随 组分的活度（活度与浓度或溶解度成正比）的变化而变化，艮即： i= W+ RT ln ai,

5、 其中山为i组分的化学势，站为i组分在标准态下的化学势（为定值）（简称标 准化学势），R为常数，T为绝对温度；ai为i组分的活度，ai与i组分的浓度、 温度、压力有关。化学势越高，组分的活度越高，与相关物质作用的能力越强。在有机盐钻井液中， 存在着水、有机盐加重剂、其它添加剂。1、水与各组分的相互影响：由于各组分在水中的浓度较高，活度也较高，使得水浓度大大降低，活度也大大 降低，即a水大大降低，使m水=N水+ RT ln a水大大降低。2、各组分之间的相互影响：再提高。Max（ai）比单溶质的ai要大，这就是各组分相互增溶，并能充分溶解， 充分发挥作用的原因。这种原理决定了各组分溶解过程是协同

6、过程，而不是反协 同过程。结果是：各组分最大限度地溶解成溶液，形成无固相高密度溶液。由山= 山。+ RT ln ai还可知温度升高，有利于山的提高，ai的提高有更大的余地，在温 度高时，其浓度与溶解度可提高。有机盐加重剂溶于水后形成的较高密度溶液，为无固相、低固相、高密度且 具有优良流变性钻井液的配制打下了良好的基础，这种溶液中配入各种流变性调 节剂可配成流变性优良的钻井液。通过往有机盐加重剂溶液中加入提切剂Viscol、Visco2来调整流变性。Viscol在水中溶解后可形成空间网状结构，提高钻井液的悬浮携砂能力。Viscol溶于水后所成胶体颗粒不带电，因此其在高浓度有机盐溶液中仍能保持较

7、高切力。Visco2为抗盐聚合物的微交联产品，在有机盐溶液中可形成空间网状结构， 改善有机盐溶液的悬浮能力。（二）有机盐钻井液的抑制性1、井壁、钻屑、粘土颗粒在有机盐钻井液中浸泡时的水化应力为：t 水化=4.61T ln（a 水/a 岩）T为绝对温度，a水为钻井液中水的活度，a岩为岩石（钻屑、井壁、粘土颗粒） 的活度。由上式可见a水越小，t水化越小。试验测定不同种类盐（或处理剂）的饱和溶 液中的a水值如下：溶液纯水饱和Nacl溶液饱和Kcl溶液饱和Cacl2溶液 20%甘油溶液 1%FA367 溶液a 水值 1.000.800.700.350.900.85溶液 饱和甲酸钠溶液 饱和甲酸钾溶液

8、饱和Weigh2溶液 饱和Weigh3溶 液a 水值 0.30 0.20 0.15 0.09由上表可知Weigh2、Weigh3饱和溶液的a水值极小。因此在有机盐钻井液 中，井壁、钻屑、粘土颗粒的水化应力t水化比在其它钻井液中小得多，其结果 是在有机盐钻井液中，井壁稳定、钻屑、粘土不分散、不膨胀。另外由于钻井液 中水的活度远比岩石中水的活度小得多，岩石中的水将渗流入钻井液，钻井液中 的水不会渗流入岩石，这有利于井壁稳定及钻屑、粘土的不分散。2、有机盐溶液中电离出的大量的阳离子K+、NH4+、NHxR4-x +（x=1 4）可通 过静电引力吸附进入粘土晶格（尤其是蒙脱石晶格中），抑制黏土表面水化

9、及渗 透水化膨胀；3、有机酸根阴离子XmRn（COO）lq-可吸附在带负电的粘土边面上，抑制其水化 分散；4、有机盐阴、阳离子对粘土颗粒的吸附扩散双电层具有较强的压缩作用，从而 较强地抑制粘土分散。5、由于有机盐钻井液中含有较高浓度的电解质，使得侵入其中的盐、钙物质难 于溶解，其抗盐钙污染能力很强。（三）有机盐钻井液的抗温性能钻井液的抗温性能是由其处理剂的抗温能力决定的。常规水基钻井液处理剂 中，生物聚合物Xc类最高使用温度，只能达到110C，纤维素类、淀粉类最高 使用温度多数为120C（少数达140C），聚合物类也大多数只能在150C以下使 用；磺化类处理剂（磺化沥青、SMP、SPNH等）最

10、高使用温度为180C。所以现 有水基钻井液难于在200C使用，必须选择新的体系解决此问题。有机盐钻井液在抗温方面有其独特的优点。钻井液处理剂的高温失效主要是 由于处理剂在高温下降解所致。该降解反应主要是有机处理剂分子链在高温下氧 化断链所致。在常规水基钻井液中，水中溶解氧在高温下活性异常高，氧化能力 较强，可使有机处理剂氧化降解。这就是大多数处理剂难以抗180C以上高温的 原因。有机盐钻井液中，情况就迥然不同。两种水溶性加重剂皆含有大量的有机 酸根XmRn（COO）lq-阴离子，该阴离子含有较多的还原性基团，可除掉钻井液中 的溶解氧，使其它常规水中可降解的处理剂不发生降解反应，有效地保护了各种

11、 处理剂，使其可在超高温度（200C）下稳定发挥作用。五、有机盐钻井液在现场的应用自2000年初以来，有机盐钻井液已在新疆准噶尔盆地、塔里木盆地、吐哈油田 十几口井上应用，总体来说，取得了钻井液流变性好，抑制性强，井壁稳定，井 径规则，机械钻速快的良好效果。现举例如下：例一：有机盐钻井液在新疆准噶尔盆地57031井的应用：井眼尺寸：444.5mm x 105m + 241.3mm x 1265m + 215.9mm x 2365m井身结构：339.7mm x 104.12m + 140mm x 2364.92m钻井液技术难点：该地区除目的层井底100-200米为短段砂泥岩外，其余为强 水敏易缩

12、径泥岩、煤层、易垮塌长段泥岩（含伊蒙混层50%以上）。该井使用有机盐钻井液主控配方为：水 + 0.3%Na2CO3 + 0.1%KOH + 0.7- 1.0%Redu1 + 0.1- 0.2%IND10 + 10 15%Weigh2 + 2%KT-100该井二开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定，流变性好，粘切低，滤 失造壁性好（FV： 3555S，p： 1.101.31 g/cm3, G10 /G10=0.51.0/1.06.0， APIFL： 49ml，AV： 1431mPaS； PV： 1026mPaS； YP： 2-8Pa）。机械钻速 快（比同井队同期平均机械钻速提高了 48%），井

13、壁稳定，井径规则（井径平均 扩大在1%以下），完井电测一次成功。例二：有机盐钻井液在新疆准噶尔盆地南缘西五井的应用：西五井是位于新疆准噶尔盆地南缘西湖背斜山前构造上的一口重点预探井， 钻探难度极大，以前在此地区钻的数口井皆因安集海河组、紫泥泉子组地层地质 情况复杂而报废，安集海河组、紫泥泉子组特殊地质情况为：受山前构造影响存 在较大水平地应力，地层压力系数较高（高达2.0以上），属超高压力系统。地 层为伊蒙混层（蒙脱石含量高达40%以上）（厚度大于600米），属极易水化分散 地层。该井三开采用81/2钻头在3925米进入安集海河组地层，钻穿紫泥泉子组 地层最后钻达目的层东沟组地层（5200米，

14、未穿）。该井三开采用高密度有机盐 钻井液。该钻井液基本配方为：水 + 0.3%Na2CO3 + 3% 夏子街土 + 0.1%KOH + 2%Vico1 + 0.1%XC +1.5%Redu1 + 1%NPAN + 2%NFA-25 +3%JLX +2%SMPlI + 2%SPC + 50%Weigh2 + 70%Weigh3 + 活 化铁矿粉三开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定（P： 1.802.15g/cm3，FV： 50 180S，PV： 55123mPaS ； YP： 433Pa ； G： 1-9/2-26； API-FL： 1.01.4； HTHP-FL： 6.07.2），钻速较快

15、（比设计工期提前一个多月），井壁稳定（未出现掉块、垮 塌），井径规则（三开段平均井径扩大率为2.21%）。测井数次均一次成功，并获 得了良好的油气显示。这主要是由于有机盐钻井液的低固相（无固相基液密度为 1.42-1.45 g/cm3，比常钻井液低13-14%固相含量（体积比）、强抑制性，改善了 流变性，彻底抑制住了安集海河组、紫泥泉子组地层的造浆，解决了这一历史老 大难问题。西五井钻井工程的成功，为山前构造高密度乃至超高密度钻井液提供 了技术储备。例三：有机盐钻井液在塔里木盆地东河油田DH1-8-6井的应用：该井实钻井深 5950m，二开采用有机盐钻井液用216mm钻头从1500m钻至595

16、0m。该井钻井 液主要技术难题为：二开裸眼段长（1500-5950m）井底温度高（130-140C），要 求钻井液流变性、滤失造壁性、抗温性好；该区块上下第三系至白垩系地层埋藏 深（5116m），且以强水敏性泥岩为主，易分散造浆，易发生缩径卡钻；侏罗系 地层（5110-5500m）易发生垮塌、掉块。该井有机盐钻井液主要配方为：水+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+15-20% Weigh2+0.7-1.5% Redu1+0.2% IND10+1-2% NFA-25+0.5% DH-1。二开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定（P： 1.081.20g/cm3，FV： 40 80S，A

17、V： 1470 mPa-S ； PV： 1260mPaS ； YP： 217Pa ； G： 0.5/0.5/7； API-FL： 28ml； HTHP-FL： 811），井壁稳定。提下钻畅通无阻，电测数次均一 次成功。井径规则（平均井径扩大率为5.4%），共用58天12小时打完进尺（比同期同区块井提前 一个星期多）下套管顺利，固井质量为优级。从1892米换PDC钻头（FS2565）钻至井深5120米，进尺3228米，钻头提出完 好无损，说明该钻井液有保护钻头功效。该井钻井液经中国石油天然气集团公司环境监测总站检测其EC50值大于10000mg/l 为无毒。六、结论1、有机盐钻井液有独特优越的流

18、变性，动、静切力低，流变性好；2、有机盐钻井液有极强抑制性，可有效抑制泥岩、钻屑、粘土水化分散、膨胀；3、有机盐钻井液滤失造壁性好；4、有机盐钻井液对钻具无腐蚀；5、有机盐钻井液对环境无污染；6、有机盐钻井液保护油气层效果好。一、渗透压和页岩吸附压在热力学第二定律中曾引入了化学位（出）的概念。其物理意义是，当物系的量 为无限大，温度和压力保持不变时，组分i增加lmol后自由能的变化。对于封 闭物系中的1, 2两点，某一组分的化学平衡和相平衡条件为吒=瞄。考虑水的蒸发过程。若水和水蒸气已达平衡，则皿（液）= Pw（汽）。根据热力学 函数之间的关系，水的化学位随压力的变化可用下式表示： TOC o

19、 1-5 h z 由。=RJP（7屹）式中，Vw为水的摩尔体积。根据理想气体气态方程，Vw用蒸汽压表示如下:R为气体常数，Pw为水蒸气的分压。盐溶液上方水蒸气的化学位（四w）与纯水上方 水蒸气化学位（四w）之间的关系，可通过将式（7-3）代人式（7-2），然后积分得到，即岫=烦（7-4）板=，毋昧（7-5）四=心 +4，（7-6） pw 式中冲P 0表示在给定温度下纯水的蒸汽压。由于液、气处于平衡状态，故式（7-6） w亦可表示盐水和纯水液相间化学位的关系。对于理想溶液，每一组分的逃逸（即离开液相）趋势与溶液中该组分的摩尔分数 成正比。由于盐水溶液中单位体积的水分子数比纯水少，因此在相同温度条

20、件下 Pw Pw0。由式（7-6）可知，pwD10 OOG9 (MX?国 ； I b 11 t/b bl = M 一 跚3 kg .，11 /在生产现场，更简便的方法是根据所要求的aw值，利用图7-13和图7 14, 直接读取NaCl或CaCl2应添加的量。由图可知，NaCl最多只能将钻井液的aw 降至0.75，而CaCl2则有可能将aw降至0. 32。两图注释中的NaCl、CaCl2浓 度均为质量分数。根据经验，对于所钻遇的大多数水敏性页岩地层，将钻井液的aw控制在0.52 0. 53，即CaCl2质量分数在30%35%范围内是适宜的。一些泥浆工程师有意 识地控制钻井液的aw比预测值稍低些，

21、以使页岩地层适度去水化。还有的在遇 到一口井同时存在几个具有不同活度页岩层的情况时，采取加入足量无机盐以平 衡aw最低的页岩层的办法，造成一部分水从页岩转移到钻井液中来。实践证明， 以上做法都是可取的。但是，也要防止进入钻井液的水量过多。如果进水过多， 一方面会影响钻井液的油水比和性能，另一方面会导致页岩过快收缩，容易引起 井壁剥落掉块，反而不利于维持井壁稳定。随温度升高，页岩的aw值将略有降 低，而油基钻井液的aw值略有增加。但由于影响很小，对温度因素一般可不予 w考虑。国内外钻井液技术发展概述郭保雨成效华摘要：本文主要论述了国内外钻井液的发展状况及发展趋势，介绍了近年来国 内外发展起来的1

22、6种新型钻井液技术，国内外钻井液技术仍以抗高温、高压、 深井复杂地层的钻井液技术为主攻目标，指出了钻井液处理剂的发展方向是高效 廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染，并寻求技术更先进、性能 更优异、综合效益更佳的钻井液体系及钻井液处理剂。对钻井液技术发展进行了 展望，由于深井、复杂井、特殊工艺井以及特殊储藏的开发、环境保护的重视， 对钻井液完井液的要求越来越高，所以抗高温、高压、深井复杂地层、油气层保 护仍是钻井液完井液技术发展的重要方向。关键词：钻井液技术发展一、国内外钻井液技术新发展概述钻井液作为服务钻井工程的重要手段之一。从90年代后期钻井液的主要功能已 从维护井壁稳定，保证安

23、全钻进，发展到如何利用钻井液这一手段来达到保护油 气层、多产油的目的。一口井的成功完井及其成本在某种程度上取决于钻井液的 类型及性能。因此，适当地选择钻井液及钻井液处理剂以维护钻井液具有适当的 性能是非常必要的。钻井液及钻井液处理剂经过80年代的发展高潮以后，逐渐 进入稳定期，亦即技术成熟期。可以认为，由于钻井液及钻井液处理剂都有众多 的类型及产品可供选择，因此现代钻井液技术已不再研究和开发一般钻井液及钻 井液处理剂产品，而是在高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污 染等方面进行深入研究，以寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井 液及钻井液处理剂。抗高温聚合物水基钻井液所使用

24、的聚合物在其C-C主链上的侧链上引入具有特殊功能的基团如：酰胺基、 羧基、磺酸根（S03H）、季胺基等，以提高其抗高温的能力。不论是其较新的产 品，如磺化聚合物Polydrill，或早己生产的产品如S.S.M.A.（磺化苯乙烯与马来 酸酐共聚物）均是如此，并采取下列措施：利用表面活性剂的两亲作用来改善钻井液的抗温性；抗氧化剂可以大幅度提高磺化聚合物抗高温降滤失剂的高温稳定性能。膨润土一直是水基钻井液的基础。但随着温度的升高和污染，它是最难控制和 预测其性能的粘土矿物。而皂石和海泡石最重要的特征是随着温度的升高而转变 为薄片状结构的富镁蒙脱石，比膨润土能更好的控制流变性和滤失量。强抑制聚合物水基

25、钻井液随着钻井液的发展，研制成功了阳离子聚合物钻井液。这种抑制能力很强的新型 钻井液与原阴离子的聚合物钻井液的本质区别就是在有机聚合物包被剂这一 主剂上引入了阳离子基团即（-N一）基基团（如阳离子聚丙烯酰胺），另外又添 加了一种分子量较小的季胺盐类，（如羟丙基三甲基氯化胺）。另外，在PAM分子链上引入阳离子基团、疏水基团和AMPS （2-丙烯酰胺基一2 甲基丙磺酸），从而使改性的PAM赋予了新的性能。通过改性，使聚合物分子中 的阳离子中和了粘土颗粒上的负电荷而减小静电斥力，使聚合物能在更多位置上 与粘土发生桥链，对粘土能够起到很好的保护作用。由于分子链中含有疏水基团， 使吸附在粘土表面的聚合物

26、表现为憎水性质，故有利于阻止水分子的进入，从而 能有效地抑制页岩的膨胀。合成基油包水钻井液合成基钻井完井液体系在组成上与传统的油基钻井液类似，主要由有机合成物基 液、乳化剂、水相、加重剂和其它性能调节剂组成。其中有机合成物为连续相， 水相为分散相，加重剂用于调节密度，乳化剂和其它调节剂用于分散体系的稳定 及调节流变性。体系中常用的合成基液类型有酯类、醚类、聚-a-烯烃类和直链烷 基苯类等，而尤以酯类用得最多，其次是聚-a-烯烃类。多元醇（Polyols）类和甲 基多糖（Methyl Glucoside）类是合成基钻井完井液中广为使用的两种多功能添加 剂，它们具有乳化、降滤失、润滑和增粘的功效，

27、也可以单独作为多元醇钻井液 和甲基多糖钻井液两种新体系的主要添加剂。合成基钻井液的乳化剂有专用的， 如水生动物油乳化剂:但多数使用与普通油基钻井液相同的乳化剂，如脂肪酸钙、 咪唑啉衍生物、烷基硫酸（酯）盐、磷酸酯、山梨糖醇酐酯类（Span）、聚氧乙 烯脂肪胺、聚氧乙烯脂肪醇醚（平平加类）等。该钻井完井液体系已应用了上千口井，取得了井眼稳定、井下安全提高钻速、有 利于保护环境和油气层等较好的效果和效益。有机盐盐水钻井液有机盐钻井液完井液的核心是高密度和强的抑制性它是基于低碳原子（C1C6） 碱金属（第一主族）有机酸盐、有机酸铵盐、有机酸季铵盐的钻井液完井液体系。 优点为：配方简单：一种主处理剂有

28、机盐构成一个钻井液体系；类油基特点：该钻井液是一种高浓度有机物连续相流体；抑制性强：能够有效地抑制储层泥岩胶结物的水化膨胀和水化分散，有利于 井壁稳定、井眼规则，有效地保护油气层；低固相，高密度；有利于提高机械钻速；无毒、无害、易生物降解、无生物富集，有利于保护环境。有机盐钻井液完井液技术机理分析：有机盐钻井液完井液的五种作用机理都能有效地抑制泥岩水化膨胀、水化分散， 有利于井壁稳定和油气层保护。1）、类油基钻井液性质：有机盐钻井液中较长链有机酸根浓度较高，呈有机物连续相性质，可达到趋近于 油基钻井液的抑制能力，可有效抑制粘土、钻屑的分散和膨胀，同时有利于保护 油气层。2）、水的活度较低：有机

29、盐钻井液中有机盐含量较高，可束缚大量自由水，水活度低（例如：15%水 溶液水的活度为0.85），粘土颗粒、钻屑在其中浸泡时水化应力较低，在其中的 分散趋势被强烈抑制，同时能够有效地抑制储层泥岩胶结物的水化膨胀、水化分 散，有利于保护油气层。3）、阳离子吸附和阳离子嵌入机理：有机盐钻井液中含大量的K+、NH4+、NR4 +可通过化学键吸附于带负电的粘 土颗粒表面，也可嵌入粘土颗粒晶格内，增大粘土颗粒的水化阻力，起到抑制其 分散、膨胀的作用，同时有利于保护油气层。4）、有机酸根阴离子吸附机理：有机盐钻井液中大量的有机酸根阴离子可吸附于带正电的粘土颗粒端面上，阻止 水进入粘土颗粒，抑制其表面水化及渗

30、透水化，同时有利于保护油气层。5）、有机盐钻井液的滤失造壁性分析：有机盐钻井液中大量的有一定链长的有机酸根阴离子，可与土结合形成薄而韧的 泥饼，从而有效地保护井壁和降低滤失量，也有利于保护油气层。钻井液的典型配方：有机盐水溶液（1.00-2.30 g/cm3）综合考虑抑制性、流变性、价格等因素，首先确 定有机盐基液的密度：烧碱NaOH 0.1-0.2%+降滤失剂Redu11-2%降失水+无萤光白沥青NFA-250.5-2%改 善泥饼质量注：根据现场具体情况，有时需要加入包被剂IND10、提切剂Visco1、黄原胶Xc、 聚合醇PGCS-1。甲酸盐类水基钻井液甲酸盐钻井液是国外90年代研制并使用

31、的一种新型钻井液。将甲酸与氢氧化钠 或氢氧化钾在高温高压下反应制成碱性金属盐如甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯配制成 甲酸盐类水基钻井液。甲酸盐盐水钻井液体系是在盐水钻井液和完井液基础上发 展起来的，因而除具有盐水钻井液的特点外，还具有其独特的优点。甲酸盐的优点：（1）由于其强抑制性，可有效地抑制泥页岩的水化膨胀和分散，也有利于减少 钻井液对油气层的损害。（2）易生物降解，不会造成对环境的污染。（3）钻具、套管等金属材料在这种钻井液中的腐蚀性小，有利于延长它们的使 用寿命。（4）不需要加重材料就可以配制高密度钻井液，甲酸纳和甲酸钾盐类的水溶液 密度分别为l.34g/cm3和1.60g/cm3，甲酸铯水溶

32、液密度可高达2.3g/cm3不仅有 利于提高机械钻速，而且有利于保护油气层。（5）这种钻井液体系的低粘度、高动态瞬时滤失量有利于提高机械钻速。（6）这种钻井液体系具有良好的抗高温、抗污染的能力，并可以降低所使用的 各类添加剂在高温条件下的水解和氧化降解的速度。甲酸盐盐水具有作为深井和小井眼钻井的无固相钻井液的特性：（1）在高温下能维持携屑。（2）在高温下能阻止固相沉降。（3）降低了压差卡钻的可能性（滤饼很薄）。（4）在长且狭窄的井筒中具有低的当量循环密度。（5）可以向钻井液马达和钻头传送最大的动力。（6）与油层的矿物和油层中的液相相容。（7）与完井设备的硬件和人造橡胶相容。（8）符合环保要求而

33、且易被生物降解。硅酸盐钻井液钻井液中添加了对页岩抑制性最好的可溶性硅酸盐。这种硅酸盐钻井液体系已用 于钻水敏性页岩地层、分散性白垩岩地层和含伊利石的地层。硅酸盐钻井液的抑 制能力比任何水基钻井液都高，实际上已达到油基钻井液的抑制能力。1）硅酸盐的化学性质硅酸盐是一种无机材料，是由碳酸盐与二氧化硅混合后加热生成的。硅钠比是硅 酸钠最重要的物理性能。改变SiO2、Na2O和H2O的比例能控制硅酸钠的化学和 物理性能。硅钠比决定了硅酸钠的下列特性：（1）固相和粉末的溶解度；（2）硅酸盐的反应能力；（3）诸如粘度等物理性能。室内试验证明，高硅钠比的硅酸盐具有更高的抑制效率。在一般情况下，硅钠比 为2.

34、6的硅酸盐就能达到基本的抑制能力。2）钻井液配方和特性典型的硅酸盐钻井液配方见表1。体系普遍使用黄原胶和聚阴离子纤维素来达到 要求的流变性和控制滤失。硅基钻井液在pH值为1112.5时稳定性最好。高 pH值可防止溶解硅的聚合。因此，需要添加硅酸钠来达到要求的pH值。pH值 下降是硅酸盐耗损的信号。要添加硅酸盐来维持钻井液的抑制性。钻井液中硅酸 盐的浓度可用试验和从硅酸钠的浓度计算出来。可通过直接把硅酸钠加到钻井液 中或通过预混合加到钻井液中的方式来维持理想的浓度。表1硅酸盐钻井液配方添加剂加量（kg/m3）作用黄原胶3悬浮聚阴离子纤维素8控制失水淀粉10控制失水硅酸钠溶液100抑制性杀菌剂1杀

35、菌碳酸钾40增加抑制性盐（NaCl）300氯含量、密度纯碱0.2 0.4控制硬度、补水当可溶性硅酸盐与页岩表面接触时，pH值下降并且与页岩中的两价离子(Ca + 2 和Mg + 2)反应，在页岩表面形成一道可以防止滤液和颗粒侵入地层的屏障。 当使用硅酸盐钻井液钻进时，要注意下列问题：由于钻井液的抑制性强，所以钻屑等固相对钻井液的流变性可能不会产生 影响；在钻屑吸收钻井液的滤液之前，新配制的钻井液具有较高的滤失量；钻进时，重要的是要定时记录泵入和返出钻井液中的硅酸盐含量，以便监 测硅酸盐的消耗率和确定是否需要对钻井液进行处理；硅酸盐钻井液的高抑制性保持了钻屑的完整性，需要钻井液具有较高的屈 服值

36、和较低的剪切粘度以保证井眼的清洁能力，同时振动筛的负荷也要比使用普 通钻井液高；由于硅酸盐与钙和镁反应产生沉淀物，所以钻井液体系的硬度为零；硅酸盐钻井液的pH值一般为11.012.5。钻井液的pH值是从硅酸盐含量 推导出来的，所以钻井液的碱度(Pm和Pf)是监测硅酸盐含量的有效方法。Pm 为1030，而Pf为825。在钻进时pH值和碱度下降归咎于硅酸盐消耗。要通 过加入硅酸钠来维持pH值和碱度。在通常情况下，不需要通过加氢氧化钾和氢 氧化钠来维持pH值。硅酸盐是一种金属材料的防腐剂，所以不需要往钻井液中加防腐剂。在盐 饱和体系中游离态氧的含量非常少，硅酸盐与铁反应生成一种可防止发生化学反 应的

37、硅酸盐包被物。硅酸盐钻井液可以有效地抑制页岩。钻进时要把钻井液的pH值控制在1112.5。 使用硅酸盐钻井液时，固控设备对维持钻井液特性和降低钻井液成本起决定性作 用，因此要选择处理量大的固控设备。用减轻剂配制低密度钻井液钻进低压地层时，为减少漏失和对油气层的损害，采用密度小于1.0g/cm3的钻 井液。目前使用的密度小于0.83g/cm3的钻井液都含有气，而密度低于1.0-0.83 g/cm3的钻井液均含油。油会对录井资料产生影响，而使用泡沫、充气、氮气等 会增加钻井成本，还会造成钻具腐蚀、摩阻高、MWD无法使用等问题。因而需 研制降低钻井液密度的新材料。美国能源部(DOE)研究出一种新的低

38、密度钻井 液，所使用的空心玻璃以有工业化产品，此产品被其它行业用作涂料、凝胶和其 它液体增量剂。空心玻璃球密度为0.38 g/cm3,破裂强度达到2128MPa，该球 基本上是不可压缩的，常规的现场固控设备和离心泵都不会破坏空心玻璃球。在 钻井液中加入空心玻璃球，润滑系数和滤失量均下降，塑性粘度和动切力增大， 但可通过加入降粘剂进行调整以满足钻井工程的需要。该钻井液中的空心玻璃球 可通过重力分离方法进行回收。8 .新型微泡钻井液新型微泡钻井液是在标准微泡钻井液的基础上研制出一种新型微泡钻井液。标准 的微泡钻井液使用使用粘土和聚合物使钻井液产生独特的流变性和提高微泡的 韧性，基液钻井液密度在发泡

39、以前密度为1.001.02g/cm3。而新型微泡钻井液 体系是使用乳状液和聚合物来使钻井液达到理想的流变性和稳定微泡，基液钻井 液密度在发泡以前密度为0.800.90g/cm3。表2和表3为普通微泡钻井液的组份和新型微泡钻井液的组份。这两种钻井液都 含有增粘剂、pH控制剂、微泡发生剂、微泡稳定剂和漏失控制剂。表2普通微泡钻井液体系的配方组份作用淡水/盐水连续相粘土 /聚合物增粘聚合物失水控制剂和热稳定剂表面活性剂微泡发泡剂聚合物/表面活性剂微泡稳定剂聚合物钻井液调节剂表3新型微泡钻井液体系的配方组份作用乳状液连续相生物聚合物增粘聚合物失水控制剂和热稳定剂表面活性剂微泡发泡剂聚合物/表面活性剂微

40、泡稳定剂聚合物钻井液调节剂新型微泡钻井液的流变性与标准微泡钻井液基本一样，但新型微泡钻井液具有更 好的井眼清洁能力和更低当量循环密度。9 .多功能钻井液这种钻井液在钻进时能有效地增加地层的抗压裂强度，既可以用于页岩地层，也 可以用于砂岩地层。该方法实际上允许井壁上形成小的裂缝，然后用桥堵颗粒在井壁裂缝的开口处堵 塞裂缝。这种桥塞必须是低渗的，而且能提供压力封隔。在井壁上或井壁附近桥 堵裂缝增加了井壁周围的环形应力，这种方法叫做应力屏蔽效应。在钻进时，通 过不断往钻井液中加适量的颗粒材料，使钻井液连续产生这种作用。把这种钻井 液叫做多功能钻井液。假设地层在压力下产生径向裂缝与裂缝的尺寸和地层的硬

41、度呈函数关系，那么可 列出下式：=x x式中：为裂缝内的过度压力(过度压力是指压力超过最低实地应力)；w为裂缝 宽度；R为裂缝半径；E为地层的杨氏模量；V为地层的泊松比。上式是以压裂理论为基础的。多功能钻井液是利用桥堵颗粒堵塞裂缝的开口来控 制裂缝。裂缝的过度压力被桥堵颗粒所施加的机械应力替代。所以不能直接利用 上式来计算应力屏蔽效应对井眼强度的影响。但上式有助于了解参数的重要性。 利用上式进行了敏感性分析，并观察到了一些有用的现象：当裂缝宽度小到1mm，而裂缝的半径范围为1m时，井眼强度可增加到1000psi；短裂缝或有支撑的长裂缝最好，如果有支撑的裂缝很长，裂缝很容易再次 裂开，而且当裂缝

42、拓宽后才能达到同样的强度；软岩石需要较大的裂缝宽度；（4）上式对地层的泊松比不是很敏感。在渗透性岩石之中使用桥堵颗粒并不好，因为钻井液可以穿过桥堵颗粒，进入岩 石裂缝中从而侵入基岩。在裂缝中不能形成压力而且裂缝不能扩大。即便如此， 在裂缝壁上也会形成滤饼。当裂缝初步形成时，桥塞后面的压力降会进一步产生 作用，提高裂缝横截面的应力并导致桥塞后面的裂缝闭合，这就是桥塞稳定地层 的方法。如果钻井液中所含的颗粒太小不能在裂缝口附近形成桥塞，那么裂缝将被裂缝内 的滤饼密封。如果密封/桥堵缓慢，通过应力屏蔽效应会使裂缝延伸得太长。这 种情况已在现场得到证实。诸如页岩等低渗岩石，需要桥塞具有极低的渗透率以防

43、止压力穿透进入裂缝和拓 宽裂缝。使用超低滤失钻井液加固井眼已有专利技术，在页岩段使用已取得很好 的效益。使用时要认真考虑桥堵颗粒穿过页岩地层的驱动力。最初钻井液进入裂缝，桥堵 颗粒在裂缝口处沉积，但需要控制穿过桥塞的压差。在压裂技术实验室使用特制的设备进行了裂缝密封试验。试验时使用的是圆筒型 岩心试样，利用钻井液的压力使岩心产生裂缝。试验结果指出，碳酸钙和石墨的 混合物是降低钻井液侵入裂缝最好的材料之一。试验还指出，裂缝宽度是无法控 制的。为测试多功能钻井液，他们专门设计了一套试验装置。用这套试验设备在 系列条件下研究了岩石渗透率、钻井液类型、温度、钻井液注入压力、钻井液密 度、桥塞颗粒类型、

44、桥塞颗粒含量、桥塞颗粒的尺寸分布、钻井液滤失量和裂缝 宽度等参数。通过试验研究得出下列结论：（1）钻井液中应加入颗粒尺寸为1 m到裂缝宽度的桥堵颗粒；（2）对低密度钻井液来说，选择最佳颗粒尺寸分布的理想填充理论是有用的；（3）以高颗粒含量为最佳，最低含量不应低于15ppb （相当于0.015mg/kg， 1ppb=0.001mg/kg ）；（4）在某些试验中，在高达30004000psi （约相当于2128兆帕的压力，1psi=6.895kPa）的过平衡压力下穿过地层密封了裂缝；（5）钻井液密度不是桥堵成功的关键。新型钻井液加重材料四氧化锰具有密度大（4.8g/cm3 ）、粒径小、颗粒呈球形的

45、特点。由于球形颗粒 的粒间摩擦很小，塑性粘度大幅度降低。虽然四氧化锰的密度比重晶石大得多， 但其颗粒的尺寸却比重晶石小得多，这意味着这些颗粒可以被弱结构的钻井液所 支撑，同时在较低的屈服值下不会增加沉降的风险。这种加重材料可以提高钻井液的流变性能，同时降低加重材料发生沉降的趋势。 可在高温/高压井和小井眼中使用。对于高温/高压井，减轻沉降趋势和降低塑性 粘度能大幅度降低钻井时间，同时这种加重钻井液能减少井下漏失。防漏技术与封堵技术的发展.在原堵漏物料（LCM）的基础上又提出了防漏物料（Loss Prevention Ematedal（LPM） 这一名词。另外在降低失水量材料的研制方面，打破了过

46、去吸附为基础的理论， 而提出以封堵为基础的理论。例如己应用的超细碳酸钙，单封等均具有降失水 和堵漏作用。近期国外文献中又提出了用聚合物使之在固定的级配细颗粒下，制 成具有可溶、部分溶、不溶三种状态同时存在的产品，具有很好的防漏作用，还 开发了一些如膨胀性填料（expanded aggregates，一种在高温427-982C条件下 处理后的多孔性矿物材料），微粒水泥LCMSS （Lost-circulation squeezeiystems） 等新产品。据称这类产品不仅可起到防漏的效果，而且还可增强井壁强度，使破 裂压力提高。Baroid公司的新产品（Steel seal）既有很好的防漏作用

47、又有很好的润滑性。废弃钻井液的处理1）废弃钻井液固液分离技术对废弃钻井液进行固液分离的关键技，应分两步走。一是用井场废水对废弃钻井 液进行稀释，将其固相含量降至10%以下，投入化学处理剂脱稳，泵人离心机， 同时加入高分子量有机絮凝剂，提高固液分离效果，排出水再进行二次化学混凝 处理，使水质指标达到控制要求。二是对钻井污水直接进行化学脱稳和离心分离， 排出水再进行二次混凝处理。废弃钻井液经处理后，悬浮物、COD的去除率大于 99%，油类去除率大于97%，外排水各项污染物浓度达到GB8978 一 1996污水 综合排放一级标准，分离出来的泥渣含水量为40%60%。泥渣可成型堆放， 自然干燥3d后，

48、含水量可降至24%，泥渣浸出液中有害污染物含量未超标。2）钻井液固化技术依据化学剂的作用原理，研究出废弃钻井液固化剂必须由4种试剂（凝聚剂A、 助凝剂比胶结剂C和胶结剂D）复配而成。凝聚剂A用来中和废弃钻井液的碱性， 使溶液呈中性;并彻底破坏废弃钻井液的胶体体系，使废弃钻井液化学脱稳脱水; 该剂与废弃钻井液中许多不同形式的有机阴离子基团交联，导致废弃钻井液中的 残留有机物和固相颗粒形成稳定的絮凝体，从而有效地减少了溶液中有机物的浓 度，保证废弃钻井液固化后达到很好的COD去除率，另外它还与废弃钻井液中 重金属离子生成多合羟基金属离子的配合物，并沉淀于固化物晶格中，从而有效 地减少了废弃钻井液中

49、的重金属含量。助凝B主要对废弃钻井液中的粘土颗粒和有机物起吸附絮凝作用，同时参与废弃 钻井液固化体系整体晶格的形成。胶结剂C和D将凝聚剂A和助凝剂B处理后的絮凝体进一步胶结包裹起来，使 之形成一个具有很好抗水浸泡能力和一定强度的固化体。废弃钻井液进行固化处理证明，固化处理是可行的。固化处理后，35d即可得 到干燥的固化体。废弃钻井液被固化后的浸出液无色无味，清澈透明。COD值均 小于300mg/l，含油量在2mg/l以下，pH值为78,均符合工业废水排放标准。 被固化废弃钻井液的浸出液经检测达到国家排放标准。环保型正电性钻井液完井液技术长期以来，井壁稳定问题一直是引起钻井工程中井下复杂情况的重

50、要原因之一。 正电性钻井液完井液就是针对这一难题研制的一种电性大于或等于零的新型钻 井液完井液体系，该体系中带正电的处理剂与地层中的粘土类进行化学、物理吸 附以及静电吸附，在井壁与钻屑上产生富集效应，因而具有极强的抑制能力、包 被能力和好的保护油气层效果，并能有效的提高机械钻速。正电性钻井液完井液 体系经多口井的现场应用表明，该体系具有极强的抑制防塌能力，开发前景广阔。生物酶可解堵钻井液该体系利用生物酶能够对侵入地层和粘附在井壁上的暂堵材料进行生物降解的 特殊性能，在钻开产层前几十米，通过选择加入特殊的复配生物酶制剂和相应的 钻井液处理剂，使在近井壁形成一个渗透率几乎为零的屏蔽层，到达暂堵的效

51、果。 钻进结束后，该层中的暂堵材料在生物酶的催化作用下发生生物降解，由长链大 分子变成了短链小分子，粘度逐渐下降，先前形成的泥饼自动破除，产层孔隙中 的阻塞物消除，从而使地下流体通道畅通，恢复油层渗透率。该项目成功解决石油钻井护壁防渗与保护储层渗透性的矛盾，不仅能有效消除泥 饼对油层的损害，也能消除滤液侵入地层造成的损害，降解滤液中聚合物高分子， 降低储层污染和伤害，满足环保要求。纳米钻井液处理剂的研究与开发钻井液的发展历史是紧紧围绕着粘土颗粒的分散状态而发展的。钻井液中添加各 种处理剂是为了使粘土保持合适的颗粒状态，分散的粘土颗粒表面聚集了大量的 负电荷，并且具有很大的比表面。在过去常加入无

52、机电解质，尤其是高价阳离子， 降低粘土的比表面和表面负电荷。现代钻井液技术发展了阳离子有机处理剂及无 机正电胶和有机正电胶，这些处理剂都使粘土的水分散性基本丧失而起到稳定粘 土的作用。但粘土在钻井液的颗粒直径一般为0.01um4um，具有较大的比表 面，要使钻井液体系的负电荷进一步降低，就需要开发出一种呈正电、比表面更 大的钻井液处理剂，从而使钻井液具有更优良的抑制能力和润滑性、更好的油层 保护能力。现代纳米高新技术的新发展，为解决当前钻井液技术难题提供了一种 科学新途径。纳米材料又称为超细颗粒材料，是由纳米粒子组成，一般是指尺寸 在1-100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区

53、域，具有非 常大的比表面积和很高的表面活性以及特殊的宏观物理性质。胜利油田钻井泥浆 公司开发出的新型纳米钻井液处理剂，填补了纳米技术在钻井液完井液中的应用 空白。该产品现已进行了中试生产400多吨，在油田垦东405-平1、渤深6区 块、大王北地区等二十多口井上进行了应用，均取得了成功。二、钻井液技术发展展望随着油田勘探开发的不断深入，施工难度也将更大，特别是深井、复杂井、特殊 工艺井以及特殊储藏的开发、环境保护的重视，对钻井液完井液的要求越来越高， 抗高温、高压、深井复杂地层、油气层保护仍是钻井液完井液技术发展的重要方 向。（一）.钻井液技术理论重视钻井液的油气层保护性能在钻井液研究目的上，不

54、仅仅研究钻井液与钻井效率的关系，而是把钻井效率和 油层保护看得同等重要。加强油层保护的研究。重视钻井液技术与相关学科的交叉把胶体化学、物理化学、高分子物理与化学等与纳米科学的理论应用到钻井液中， 扩宽钻井液的范围。钻井液体系设计更趋于定量化和智能化在钻井液新体系的设计理论上，不仅仅是靠经验、靠推测来进行研究，而是把经 验推测与坚实的基础理论应用看得同等重要；重视配制的准确性，加强计算机在 钻井液设计的应用，使钻井液体系设计趋于定量化和智能化。（二）.钻井液新技术渗透膜钻井液技术这种技术在理论上认为，在水基钻井液中，通过加入一到几种成膜剂，可以使钻 井液体系在泥页岩等类地层井壁表面形成较高质量的

55、膜，这样可阻止钻井液滤液 进入地层，从而在保护油气层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。国外M-I钻井液公司对页岩的膜效率进行过比较系统的研究，并取得了一些成 果，比如他们研究认为，在水基钻井液中可以形成三种类型的膜：1型膜（水基 钻井液成膜）、II型膜（封堵材料成膜）和III型膜（合成基和逆乳化钻井液成膜）， 其中II型膜的膜效率最高，并认为，各种类型膜的渗透机理是完全不同的。就能形成膜的钻井液种类来讲有：合成基钻井液、硅酸盐钻井液、逆乳化钻钻井 液和聚合醇类钻井液等。据报道，目前，国外CSIRO和Baroid公司已联合开发研制了具有高膜效率的新型 水基钻井液，在现场使用获得较好的效果。

56、国内已研制出BTM-1水基钻井液成 膜剂，具有良好的半透膜效能，抑制泥页岩水化膨胀、分散能力较硅酸盐、聚合 物钻井液强。正电性钻井液技术目前常用的钻井液处理剂大多数为负电性，少数由天然的或有机高分子改性的处 理剂为中性，仅有极少数处理剂为正电性处理剂，所以以上处理剂配制的、我国 现有的各种钻井液体系，基本上都属于阴离子体系，钻井液体系的Zeta电位小 于零。如果使钻井液体系的&电位大于零，这不仅有利于抑制地层粘土的水化膨 胀和分散，提高钻井液的抗盐、抗污染能力，而且正电性钻井液体系的形成能解 决钻井稳定性与地层稳定性及保护油气层之间的矛盾，对油气层的保护，提 高原油产量具有重要意义。胜利油田与

57、中石化石油勘探开发研究院、山东大学等单位合作承担的科研项目 正电性钻井液正电钻井液体系研究及在保护油气层中的应用已经按时完成， 并顺利通过中国石化科技开发部组织的项目鉴定，鉴定委员会认为总体技术水平 居国际领先水平。纳米处理剂基础上的钻井液技术通常将纳米尺寸范围定义为1100nm，处于团簇（尺寸小于1nm的原子聚集体） 和亚微米级体系之间，其中纳米微粒是该体系的典型代表。由于纳米微粒尺寸小、 比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出四 大效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，从 而使纳米粒子出现了许多不同于常规粒子的新奇特性，展示了广阔的

58、应用前景。 从均着眼于如何改变钻井液体系中组份的物理化学性质来达到目的，有目的地从 纳米技术的角度来对钻井液技术进行研究，探索纳米技术在钻井液完井液领域中 的应用。由胜利石油管理局、中国石化石油勘探开发研究院和山东大学共同承担 了中国石化科技开发部纳米技术在钻井液完井液中的应用研究项目，通过此 项攻关研究，达到以下目标：（1）研究成功正电纳米钻井液处理剂；（2）研究成 功一种新型纳米润滑剂；（3）形成一种新型防塌保护油层钻井液体系和新型纳米 润滑工艺技术。目前，该项研究的室内工作已全部结束，取得一些阶段性成果，所研制的中试产 品性能达到了合同的要求。在研究出的新材料基础上形成的钻井液体系，经在

59、多 口井中进行试验，取得了明显的效果。深井、超深井钻井液技术目前，油气勘探开发区域不断拓宽，逐渐由浅层向深层、由简单地层向复杂地层 发展，由于储层埋藏相对较深、地层压力变化大、岩性复杂多变，钻探较为困难， 时效低，成本高。深井、超深井钻井液技术存在的主要问题：1）深井、超深井井下温度和压力高、地层复杂，温度可达250C以上，密度可 达2.6g/cm3以上；2）使用高密度钻井液钻进时，钻井液流动性差、泥饼厚、滤失量大、固相清除 困难、钻井液性能难以维护；3）随着井深的增加，地温越来越高，钻井液在井底高温条件下，处理剂降解加 快，失水大幅度增加，造成钻井液粘度增加或固化，井壁不稳定等。盐膏层钻井液

60、技术钻遇超高压盐水层、复杂的盐膏层和膏泥岩，常规钻井液体系难以解决钻井液高 固相含量、滤液高矿化度、性能不稳定、滤失量过高等技术难题，在钻井施工过 程中经常发生盐膏层蠕变，井壁不稳定、易喷易漏、起下钻遇阻和易卡钻等井下 复杂事故，同时由于地层盐溶解造成井径扩大，严重影响井身质量，给油气钻探 带来极大的困难，严重阻碍着油气勘探进程。绿色环保钻井液技术为了满足对环境保护越来越严格的要求，必须发展绿色环保钻井液技术，以满足 在环境敏感地区的勘探开发需要。综合自控钻井液技术此技术包括固控设备自控监视器、钻井液处理剂自动加料器、主要钻井液性能连 续检测器。（三）.油气层保护技术研究不损害油气层的钻井液从