一种新型的油包水合成基钻井液

胡 兵，欧阳传湘，林 飞，赵春燕

（1. 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100； 2. 长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100）



一种新型的油包水合成基钻井液

胡 兵1，欧阳传湘1，林 飞1，赵春燕2

（1. 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100； 2. 长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100）

摘 要：我国页岩气资源勘探开发已全面铺开。页岩失稳坍塌是目前困扰中国页岩气水平井大规模钻探的关键因素之一。合成基钻井液因其强抑制性强，在国外被广泛用于页岩气水平井钻井。借鉴国外相关经验，设计实验优选出油包水合成基钻井液的配方：矿物油（OA）+白油（OB）+水+3.0%乳化剂（纳米级SiO2）+1.6%醋酸钾+1.0%有机土+3.0%降滤失剂+2.0%润湿剂+重晶石。以在实验室内合成低毒、价廉的矿物油OA和白油（OB）为基础油不仅能够降低成本，而且可以生物降解，对环境污染小。采用纳米级SiO2做乳化剂，不仅有很好的粘结性、耐高温性、成膜性，而且对高速搅拌下产生的气泡有一定的消泡作用。采用醋酸钾替代氯化钙作为水相抑制剂，既增强了体系的抑制性又简化了配制工艺。该钻井液体系加重至2.40 g/cm3的流变性能良好，破乳电压较高；在130 ℃条件下热滚老化后流变性及破乳电压变化都不大。该体系很适合用于高地层压力梯度的四川盆地页岩Ⅰ区块（下志留统龙马溪组下部—上奥陶统五峰组约86 m层段）含气泥页岩段目的层的开发。其良好的润滑性能也有利于在该区块进行大位移水平井开发。

关 键 词：合成基；油包水；页岩气；纳米级SiO2；低成本；污染小；四川盆地

相对于水基钻井液，油基钻井液［1］具有较强的防塌抑制性、润滑性和良好的储层保护性能，但油基钻井液存在干扰录井和测井及在环境敏感地区应用受到限制等缺点。如何解决成本和环境污染的问题成了当下改善钻井液的关键，在20世纪80年代末，国外的石油公司就开始了合成基钻井液的研发工作。合成基钻井液［2］于1990年3月在北海首次应用并获得成功，此后合成基钻井液的种类和应用不断增加。Chevron在南海西部的YC21-1-4高温高压井中使用的也是Dowell公司的合成基钻井液技术。为满足中国海洋石油的勘探开发需要，开发保留油基钻井液优点而且保护环境的合成基钻井液技术已势在必行。作为我国首个页岩气合作开发项目，壳牌公司自2010年12月起应用环保型的低毒合成基钻井液对四川富顺区块页岩气气藏进行了钻探开发并取得了成功。

本研究主要在室内进行，研制出的合成基钻井液成本低、污染小、流变性能好，密度可调范围大，适合用于高地层压力梯度的四川盆地页岩Ⅰ区块（下志留统龙马溪组下部—上奥陶统五峰组约86 m层段）含气泥页岩段目的层的开发［3］。其良好的润滑性能也有利于在该区块进行大位移水平井开发。

1 钻井液体系的研制

1.1 基础油的选择

要想合成基钻井液能够取代油基钻井液的关键问题是要能够找到相对价廉的基础油。针对这一问题，结合国内外的相关研究［4］，在实验室合成了一种低毒、成本低的矿物油（OA），其性质如下表1。为了能够有效的控制钻井液体系的流变性，选择另一种基础油——白油（OB）来一起组成该体系的基础油。对两种基础油进行不同比例的复配，在50 ℃条件下测试其流变性的结果见表2。

表1 合成矿物油的性质表Table 1 The properties of synthetic mineral oil

表2 不同比例的基础油复配后的流变性能Table 2 The rheological property of different proportions of base oil distribution

1.2 乳化剂的选择

为了适应页岩气地层的开发，所选择的乳化剂剂应该遵循如下原则：①HLB 值为3～6 ；②对环境无污染；③与油的亲和能力要强；④能较大幅度地降低界面张力；⑤抗温能力好， 在高温下不降解， 解吸不明显。基于此要求，经过大量的文献调研，了解到有一种纳米级的二氧化硅能够很好的满足要求。该纳米二氧化硅无毒、无味、无污染，颗粒尺寸小，比表面积大，表面存在大量不饱和键及不同键合状态的羟基，由于其特殊的化学结构，不仅能用于水体系，还能用于油体系。纳米二氧化硅［5］呈分散状态分散于体系中，可以使生成的油包水乳浊液具有很好的粘结性、耐高温性、成膜性，能够保证钻井液体系具有很好的抗温性能［6］。特别指出，纳米基二氧化硅在体系中分散时，其特殊的结构，特别是三维网状结构，使其具有强吸附率而导致破泡，能够消除高速搅拌过程中产生的泡沫，也是一种高效消泡剂［7］。

1.3 水相抑制剂的选择

通过对四川盆地页岩Ⅰ区块的岩心进行敏感性分析，了解到该区块是中偏强——强水敏，并且微裂缝比较发育，因此必须选择一种强水相抑制剂，现场常采用采醋酸钾替代氯化钙作为水相抑制剂［8］，这样既增强了体系的抑制性又简化了配制工艺。而且醋酸钾与氯化钙相比更加环保，其配制的钻井液对环境的影响也较小。

1.4 配制工艺的选择

选用的纳米级的二氧化硅含有大量的羟基，具有较强的亲水性，在水溶液体系中能够形成分散液，只有纳米二氧化硅的分散液［9］才具有很好的粘结性、耐高温性、成膜性。分散的纳米基二氧化硅具有特别的三维网状结构，使其具有强吸附率而导致破泡，是高效消泡剂。要想使该纳米级的二氧化硅具有很好的乳化和消泡效果，让纳米级的二氧化硅分散是关键的步骤，因此，在钻井液的配制过程中，要合理的添加配方，各成分的添加顺序是：先加入基础油充分搅拌，在同时加入水和纳米级的二氧化硅，充分搅拌，让二氧化硅很好的分散于水中，最后附着在油水界面处，形成稳定的耐高温的油包水乳浊液，接下来在一一添加各种添加剂，并逐一充分搅拌，配成目标钻井液。

2 体系性能的评价系

以各个配方作为单因素变量，设计相关实验［10］，筛选出了最佳的配方：矿物油（OA）+白油（OB）+ 水+3.0%乳化剂（纳米级SiO2）+1.6%醋酸钾+1.0%有机土+3.0%降滤失剂+2.0%润湿剂+重晶石。

2.1 加重性能

由于下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组地层压力梯度很高，属于高压地层，且采用控压钻井技术，必须采用高密度钻井液（2.20 g/cm3）来平衡地层压力。对钻井液体系的加重性能评价如表3。

表3 加重性能评价表Table 3 Rating of merit after increasing the weight

数据显示，使用重晶石对体系加重后，对体系的流变性影响，依然能保持良好的性能，随着密度的增加，破乳电压反而有所增加，最高密度可达2.20 g/cm3。

2.2 抗老化性能

四川盆地页岩Ⅰ区块目的层的地层温度为70℃。将按最佳方案配制的钻井液装入老化罐在100℃条件下老化16 h，冷却至室温，在50 ℃下测量其性能，并与热滚前进行比较，得到的体系的抗温性能如表4。

表4 抗温性能评价表Table 4 Temperature resistance evaluation

数据显示，100 ℃×16 h热滚后，体系的性能没有发生显著变化，仍然具有很好的流变性和电稳定性，体系抗温可达100 ℃，满足开采四川盆地页岩Ⅰ区块目的层的需要。

2.3 抗污染性

在四川盆地页岩Ⅰ区块，钻井液主要受钻屑的污染，设计实验，对其抗污染能力进行了评价，得到的结果如表5。

表5 体系的抗污染性能Table 5 The system of pollution resistance

数据显示，随着钻井液中钻屑含量的增加，钻井液的黏度有所增加，但增加幅度不大，对钻井液的流变性和电稳定性影响不大，该合成基钻井液对该区块钻屑的污染具有很强的抵抗能力。

2.4 储层保护效果

在70 ℃、3.5 MPa的条件下，使用密度为2.20 g/cm3的目标钻井液，对页岩Ⅰ区块储层的岩心进行污染，时间为2 h，并对污染的结果做出了相应的评价，结果如表6。

表6 钻井液的储层保护效果评价Table 6 Drilling fluid reservoir protection effect evaluation

数据显示，岩芯的直接返排渗透率恢复值较高，均在90%以上，该合成基钻井液对储层有很好的保护效果。

2.5 生物毒性

结合国内外的情况，采用了发光细菌法对合成基钻井液的生物毒性进行了评价，得到的结果如表7所示。

表7 钻井液各添加剂生物毒性评价Table 7 The biological toxicity assessment of drilling fluid additives

分析各添加剂结合实验数据了解到，各个成分均为无毒，而且基础油性质优良。该体系具有很好的生物降解性，对环境污染小，可以广泛的使用。

3 结 论

（1）采用室内合成的矿物油作为主基础油，用白油来调节矿物油的黏度，可以得到流变性能良好，成本低的合成基钻井液。

（2）采用的矿物油、纳米基二氧化硅、醋酸钾等材料作为添加剂，对环境的污染更小，更有利于广泛的应用［11］。

（3）采用醋酸钾替代氯化钙作为水相抑制剂，既增强了体系的抑制性，又简化了配制工艺。

（4）纳米级SiO2特殊的化学结构使它的分散液在体系中具有很强的粘结性、耐高温性、成膜性，能够保证油包水乳液的稳定性，从而保证了该钻井液的优良性能。特别地，纳米级SiO2的三维网状结构，使其具有强吸附率而导致破泡，能够消除高速搅拌过程中产生的泡沫，也是一种高效消泡剂。

（5）纳米级SiO2只有在分散的状态下才能发挥作用，在配制过程中应该严格按照工艺添加，同时加入水和纳米级SiO2，搅拌充分后在依次添加其他成分，以保证充分分散。

（6）该体系具有成本低、环保、性能良好等特点，可以在四川盆地页岩Ⅰ区块YY11水平井［12］的钻进过程中使用，对同类型的地区也有很强的指导作用。

参考文献：

［1］蒋卓，舒福昌，向兴金，罗健生.全油合成基钻井液的室内研究［J］.钻井液与完井液，2009（02）：19-20+130.

［2］李秀灵，沈丽，陈文俊.合成基钻井液技术研究与应用进展［J］.承德石油高等专科学校学报，2011（01）：21-24.

［3］王中华.页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则［J］.中外能源，2012（04）：43-47.

［4］岳前升，舒福昌，向兴金，史茂勇，黄红玺，张春阳，王权玮，于志杰.合成基钻井液的研制及其应用［J］.钻井液与完井液，2004（05）：3-5+69.

［5］牟绍艳，路遥，黄晓义.纳米级二氧化硅微球在三聚氰胺甲醛树脂上的微米化组装包覆［J］.应用化学，2011（12）：1456-1458.

［6］牟绍艳，路遥，黄晓义.纳米级二氧化硅微球在三聚氰胺甲醛树脂上的微米化组装包覆［J］.应用化学，2011（12）：1456-1458.

［7］蒋丽妍，刘莉，吴利民.气相法白炭黑在消泡剂中的应用［J］.广东化工，2006（07）：10-12.

［8］罗健生，莫成孝，刘自明，李自立，孙强，耿铁，雷克，陈玉生，陈勇进.气制油合成基钻井液研究与应用［J］.钻井液与完井液，2009（02）：7-11+129.

［9］夏宇正，李敬玮，石淑先，焦书科.聚丙烯酸酯/纳米二氧化硅复合乳液的制备［J］.涂料工业，2003（03）：19-21+52.

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［12］信延兵. 页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则［J］. 中国石油石化， 2015（14）：103.

A New Type Water-in-oil Synthetic Drilling Fluid

HU Bing1，OUYANG Chuan-xiang1，LIN Fei1，ZHAO Chun-yan2
（1. College of Petroleum Engineering， Yangtze University of Petroleum Engineering， Hubei Wuhan 430100，China；2. College of Geophysics And Petroleum Resources，Yangtze University of Geophysics And Petroleum Resources， Hubei Wuhan 430100，China）

Abstract:Exploration and development of shale gas resources has been in full swing. Shale instability collapse is currently plaguing one of the key factors in Chinese shale gas drilling. Synthetic drilling fluids are widely used in overseas shale gas horizontal drilling because of strong inhibition. Based on foreign experiences， through design experiments， preferable synthetic oil-in-water formulation of drilling fluid was obtained as follows:mineral oil （OA） + white oil （OB） + water + 3.0% emulsifier （nano-SiO2） + 1.6% potassium acetate + 1.0% + 3.0% organic soil fluid loss additive + 2.0% wetting agent + barite. Using inexpensive OB and OA with low toxicity can reduce costs， and they are biodegradable and have lower pollution. Nanoscale SiO2is used as emulsifier， it has good adhesion， heat resistance，film， also has a certain anti-foaming effect. Instead of calcium chloride， using potassium acetate as an aqueous phase inhibitor can enhance the inhibitive capacity of system and simplify the preparation process. The drilling fluid has good rheological property and the higher breaking voltage； Rheology and demulsification voltage changes are not large at hot rolling of 130 ℃ condition. The system is very suitable for the Sichuan Basin shale blocksⅠthat is high formation pressure gradient. Its good lubrication properties also are conducive to the development of large displacement horizontal wells in the block.

Key words:Synthetic； Water in oil； Shale gas； Nanoscale- SiO2； Low cost； Lower pollution ； Sichuan basin

中图分类号：TE 357

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0256-03

收稿日期：2015-10-21

作者简介：胡兵（1992-），湖北松滋人，研究方向：现在从事钻井液技术研究。E-mail：1129314799@qq.com。