馬海云，胡勇科，邱元瑞，武海棟

（中國(guó)石油冀東油田公司監(jiān)督中心，河北唐山 063299）

隨著南堡油田深層火成巖井段勘探的突破，鉆井深度逐年增加，部分探井已鉆至5 000 m以上。東三段地層上部以灰色泥巖為主，夾薄層粉砂巖，下部發(fā)育灰黑色厚層玄武巖。沙一段地層以深灰色、黑灰色泥巖為主，局部地區(qū)發(fā)育厚層火山巖，火山巖中上部為玄武巖，中、下部為凝灰?guī)r。沙二段、沙三段為淺灰色細(xì)砂巖、粉砂巖與深灰色泥巖互層，局部地區(qū)發(fā)育厚層凝灰?guī)r和玄武巖。南堡深層泥巖、凝灰?guī)r、玄武巖地層微裂縫發(fā)育、自吸水現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生水力尖劈，導(dǎo)致地層破碎。常用的水基鉆井液在封堵、抑制、防塌的性能上無(wú)法滿足該井段井壁穩(wěn)定需要[1–2]，諸多探井在鉆探過(guò)程中深部地層發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌，無(wú)法實(shí)現(xiàn)勘探目的。油基鉆井液有較強(qiáng)的抑制能力、優(yōu)異的封堵能力和膜效率特性等優(yōu)勢(shì)。但是，油基鉆井液成本高、不利于環(huán)境保護(hù)[3]，且油基鉆井液與固井水泥漿摻混，會(huì)降低水泥漿的流動(dòng)性，影響油層固井質(zhì)量。因此，針對(duì)南堡凹陷的地層巖性特點(diǎn)，從油基鉆井液的性能優(yōu)勢(shì)對(duì)比出發(fā)，室內(nèi)研究了適應(yīng)該地層特性的環(huán)保型可重復(fù)利用的類油基鉆井液技術(shù)，該技術(shù)具有油基鉆井液的工程性能和水基鉆井液的環(huán)保特征，并具有良好的油藏保護(hù)性能，較好地解決了井壁坍塌和油層污染的難題。

1 油基鉆井液的優(yōu)勢(shì)

1.1 半透膜效應(yīng)

油基鉆井液當(dāng)中無(wú)數(shù)的油包水乳狀液滴自身就是很好的半透膜，具有很強(qiáng)的膜效率，能夠有效地阻止壓力和濾液的傳遞，從而延長(zhǎng)鉆井安全周期[4–5]。圖1給出了人造井壁在模擬井下循環(huán)條件下油基鉆井液與水基鉆井液侵入深度的對(duì)比。從圖1中可以看出，在模擬井下循環(huán)條件下，水基鉆井液很快浸潤(rùn)濕人造井壁，而油基鉆井液則僅浸潤(rùn)濕人造井壁的一半，可見(jiàn)油基鉆井液具有良好的半透膜效應(yīng)，能有效阻止壓力和濾液的傳遞過(guò)程，從而有效延緩鉆井安全周期。

圖1 油基鉆井液與水基鉆井液侵入井壁深度的對(duì)比

1.2 反向滲透壓效應(yīng)

半透膜效應(yīng)的特點(diǎn)是當(dāng)用一個(gè)半滲透膜分隔兩種不同濃度的溶液（或者一種純?nèi)芤汉鸵环N溶質(zhì)）時(shí)，由于膜允許溶劑通過(guò)而不允許溶質(zhì)通過(guò)，所以會(huì)產(chǎn)生滲透壓。也就是說(shuō)，在具備半透膜效應(yīng)的情況下，分隔的兩種不同活度的溶液，高活度溶液中的溶劑將向低活度溶液中遷移[6–9]。在油基鉆井液中由于水相中存在20%～27%的CaCl2的水溶液，明顯的活度差將使地層中的水向鉆井液中遷移，從而保證地層不受水相遷移的影響，維持井壁的穩(wěn)定性[10–11]。

2 類油基鉆井液體系的構(gòu)建思路[12]

油基鉆井液對(duì)環(huán)境的污染以及后續(xù)的處理難度，阻礙了油基鉆井液的應(yīng)用與推廣。類油基反滲透鉆井液技術(shù)即是通過(guò)借鑒油基鉆井液封堵、活度平衡原理，通過(guò)油基鉆井液各項(xiàng)優(yōu)異性能的模擬構(gòu)建而來(lái)，使鉆井液具有類似油基鉆井液的強(qiáng)膜效率、反滲透功能。通過(guò)定量控制井下滲透壓差來(lái)平衡鉆井液與井壁地層的水驅(qū)動(dòng)力，控制水流方向，阻止水和鉆井液進(jìn)入泥頁(yè)巖以及井壁地層。

2.1 鍵合劑及納米封堵材料

通過(guò)分子設(shè)計(jì)，引入了一種含大量與水分子鍵合的多官能團(tuán)小分子有機(jī)化合物——鍵合劑HBA（圖2），該化合物通過(guò)分子內(nèi)和分子間與水分子形成氫鍵，從而使鉆井液當(dāng)中的自由水不能自由移動(dòng)而形成鍵合水[1,12]。同時(shí)輔之以膠束封堵劑和納米固壁劑在頁(yè)巖井壁表面形成較高膜效率的封堵層，以接近油包水乳滴的半透膜效應(yīng)，為阻止壓力和濾液的傳遞創(chuàng)造條件。圖3給出了人造井壁在模擬井下循環(huán)條件下油基鉆井液與類油基鉆井液侵入深度的對(duì)比。

圖2 鍵合劑分子設(shè)計(jì)及與水的鍵合作用

圖3 油基鉆井液與類油基鉆井液侵入井壁深度的對(duì)比

從圖3中可以看出，在模擬井下循環(huán)條件下，引入鍵合劑HBA的鉆井液浸潤(rùn)濕人造井壁的程度基本上趨于油基鉆井液，能有效阻止壓力和濾液的傳遞過(guò)程。

2.2 反滲透效應(yīng)的構(gòu)建

與油基鉆井液類似，類油基鉆井液在模擬構(gòu)建了半透膜效應(yīng)之后，體系中加入20%NaCl+5%KCl，可明顯降低活度，從而在具備半透膜的條件下使地層中的水向鉆井液中遷移，保證地層不受水相遷移的影響，維持井壁的穩(wěn)定性。

3 類油基鉆井液體系

基于油基鉆井液體系井壁穩(wěn)定作用機(jī)理的分析，結(jié)合高溫護(hù)膠穩(wěn)定技術(shù)、半透膜效應(yīng)以及活度平衡鍵合水技術(shù)以及納米封堵技術(shù)[4]，最終構(gòu)建了適合于硬脆性泥頁(yè)巖地層的類油基鉆井液體系配方，其配方見(jiàn)表1。

表1 類油基鉆井液體系配方

3.1 基本性能及抗鉆屑污染能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)研究對(duì)油基鉆井液與類油基鉆井液的基本性能及抗鉆屑污染能力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2的基本性能數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，類油基鉆井液與油基鉆井液都具有較好的流變性能，巖屑在油基鉆井液和類油基鉆井液體系中基本不水化造漿。

表2 油基鉆井液體系與類油基鉆井液基本性能對(duì)比

3.2 線性膨脹率性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)選擇NB27–5–1井現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖鉆屑，觀察鉆屑在油基鉆井液與類油基鉆井液體系中的線性膨脹率的對(duì)比情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4線性膨脹率數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，類油基鉆井液與油基鉆井液都具有較好的抑制能力，巖屑在油基鉆井液和類油基鉆井液體系中基本沒(méi)有膨脹。

圖4 線性膨脹率對(duì)比

3.3 孔隙壓力傳遞性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

硬脆性泥頁(yè)巖來(lái)說(shuō)滲透率極低，雖然在鉆井過(guò)程中有一定的壓差，但如果沒(méi)有很好的膜效率，壓力會(huì)向地層傳遞。由于地層滲透率低，壓力傳遞無(wú)法及時(shí)向遠(yuǎn)端輸送，因此會(huì)在近井壁帶進(jìn)行疊加，孔隙壓力會(huì)逐漸上升。隨著時(shí)間的推移，平衡壓差逐漸降低，直至平衡壓力趨近于零，從而造成井壁失穩(wěn)。因此，硬脆性泥頁(yè)巖孔隙壓力傳遞的快慢直接影響到鉆井安全周期。

油基鉆井液具有優(yōu)異的半透膜效率，能有效阻止孔隙壓力的傳遞，形成反向滲透壓，因此室內(nèi)研究采用研制的泥頁(yè)巖孔隙壓力傳遞實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)油基鉆井液與類油基鉆井液的孔隙壓力傳遞的性能進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5孔隙壓力傳遞效果對(duì)比可以看出，常規(guī)的水基鉆井液無(wú)法提供良好的膜效率，即半透膜效應(yīng)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，模擬地層端的孔隙壓力逐漸上升，不利于井壁的穩(wěn)定，而類油基鉆井液具有優(yōu)異的半透膜效應(yīng)，壓力并不能明顯地向地層端進(jìn)行釋放。由于半透膜效應(yīng)，地層兩端的活度差帶來(lái)的滲透壓又使地層端的水相向鉆井液中遷移，從而帶來(lái)一定時(shí)間內(nèi)地層端壓力的反向下降，有利于保持長(zhǎng)時(shí)間的平衡壓差及井壁的穩(wěn)定。從數(shù)據(jù)中可以看出，類油基鉆井液同樣存在良好的半透膜效應(yīng)，基本達(dá)到了油基鉆井液的效果。

圖5 孔隙壓力傳遞對(duì)比

4 類油基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，類油基鉆井液已經(jīng)在南堡油田2口深層復(fù)雜井進(jìn)行了成功應(yīng)用。應(yīng)用效果表明，該體系具有很好的流變性、抑制性、井壁穩(wěn)定性及油層保護(hù)性能，有效地解決了南堡油田深層易水化分散、膨脹造漿和硬脆性泥巖坍塌問(wèn)題，提高了機(jī)械鉆速，降低了鉆井液密度。

4.1 井徑規(guī)則

表3是南堡油田類油基鉆井液與常規(guī)水基鉆井液鉆井過(guò)程中的井徑擴(kuò)大率對(duì)比結(jié)果?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯示，類油基鉆井液與水基鉆井液相比，實(shí)驗(yàn)井井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率較為理想，井壁穩(wěn)定性好。

表3 南堡油田類油基鉆井液與水基鉆井液井徑擴(kuò)大率對(duì)比

4.2 儲(chǔ)層保護(hù)良好

表4為類油基鉆井液與常規(guī)水基鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)效果對(duì)比，從對(duì)比結(jié)果中可以看出，類油基鉆井液的平均滲透率恢復(fù)值較為合理，相較于KCl成膜低滲透鉆井液77.27%的滲透率恢復(fù)值，其滲透率恢復(fù)值有所提高。

表4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液滲透率恢復(fù)值

5 結(jié)論

（1）類油基鉆井液具有類似油基鉆井液的強(qiáng)膜效率、反滲透功能。室內(nèi)研究表明，類油基鉆井液具有優(yōu)異的半透膜效應(yīng)，能有效阻止壓力和濾液的傳遞。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該體系具有很好的流變性、抑制性、井壁穩(wěn)定性及油層保護(hù)性能，能有效解決南堡油田深層?xùn)|營(yíng)組、沙河街組大段硬脆性泥頁(yè)巖的坍塌問(wèn)題。