为钻井输送绿色高效“血液”
近年来，针对页岩地层和强水敏性易塌地层，以及深井超深井、海洋深水钻井的需要，中国石化科研人员围绕钻井液体系的完善与性能提高，以及新型钻井液体系的开发开展了大量研究与探索，在技术和应用上取得了可喜成果。本版介绍相关研发应用情况，敬请关注。 胜利石油工程技术检验人员正在对钻井液样品进行中压滤失量测定实验。张 玉 摄 近日，由胜利石油工程负责制定的《合成基钻井液技术规范》正式实施，填补了中国石化合成基钻井液标准的空白，这也是中国石化首个与合成基钻井液现场施工相关的标准。 钻井液是“钻井的血液”，对于钻井质量至关重要。随着油气勘探开发难度不断增大，对钻井液的要求也慢慢变得高。特别是在钻井施工中，受钻井液制约造成的机械钻速低、井壁不稳定及水平井摩阻大等难题，让技术人员绞尽脑汁。 “问题就是科研的方向。我们下定决心，要研究出一种全新的合成基钻井液技术，提高钻井液的润滑性、抑制性，以保护油层、提高机械钻速。”胜利石油工程高级专家陈二丁说。 他带领技术人员在实验室废寝忘食地查阅资料、比对样品、调整配方。更多的时候，他们把实验室搬到钻井现场，带着问题和一线员工研究讨论。 经过3年研发，技术团队首次在郑41-平2井使用合成基钻井液体系，最高日产油量达到29吨，展现了优良的储层保护效果。 “合成基钻井液兼有水基钻井液和油基钻井液的优点，性能优良，又能保护环境，未来市场发展的潜力广阔。”陈二丁介绍，在后续曲8-斜11井、坨826-平30井、永123-平3井的应用中，效果同样优异。 如何提升“造血功能”，使“钻井血液”更健康，推进页岩油效益开发？这是胜利石油工程钻井液技术服务中心主任师王刚面临的最大难题。 郭页1HF井是胜利油田为探明沙三下亚段页岩含油气及产能情况部署的一口预探井，地质情况复杂，存在裂缝断层发育、地层破碎易失稳等诸多问题。 王刚和同事们对地质情况逐一分析，从岩芯库取来邻井岩芯开展井壁稳定试验，确定多样封堵和多尺度封堵配方。在施工中，该井钻至4258~4367米时出现井壁失稳、下钻划眼的情况，他们通过小型试验，利用不一样粒径超细碳酸钙的合理搭配，采用油基封堵剂、微纳米封堵剂配合封堵，保证了井壁稳定。 手握金刚钻，敢揽瓷器活儿。为保障胜利济阳页岩油国家级示范区钻井施工，胜利石油工程决定在重点井丰页1-6HF井三开时使用合成基钻井液。技术人员制定了详细的实施工程的方案，从体系净化、配方构建、处理维护工艺、技术参数把控等方面开展精细施工，确保了井壁稳定，收到了优异的井眼清洁效果，创造了中国石化非常规页岩油水平井井深最深、水平段最长两项新纪录。 针对不同洼陷破裂压力、施工参数和合成基体系，胜利石油工程技术人员对页岩油试验区、页岩油示范区和页岩油商业开发区的施工井进行了效果总结分析，持续优化改进，研制出乳化剂、封堵降滤失剂、合成基液等关键处理剂，形成了流型调控、高温稳定、防漏堵漏、抗原油及水侵污染等系列合成基钻井液技术，实现了可调密度范围1.2～2.3克/立方厘米，耐温200摄氏度，封堵率大于80%。 合成基钻井液体系性能的优化提升，有力支撑了胜利页岩油的勘探开发和准噶尔盆地深层油气发现，其耐220~230摄氏度的优异高温稳定性能，经受住了征深101井现场施工216摄氏度高温11天的稳定性检验，达到世界领先水平。 目前，合成基钻井液技术在新疆永进区块、胜利页岩油区块及强水敏区块等应用近百口井。其中，永3侧-平1井创出合成基钻井液低温、高密度等多项纪录，日产油50吨以上，打破了永进油田沉寂10年的勘探开发困境；丰页1-10HF井钻井周期仅19.19天，创国内陆相页岩油水平井钻井施工最快纪录。 近日，重庆涪陵工区传来喜讯，采用中原石油工程自主研发的近油基钻井液体系施工的焦页66-检5井顺利钻达设计井深，为中国石化首口检查井压裂后成功取芯及水平段施工提供了有力支撑。 焦页66-检5井是中国石化首次部署在四川盆地川东页岩气区的一口检查井，用于获取人工缝网扩展规律与地质、工程参数对应关系，完善三维空间裂缝展布特征。 “这口井地层裂缝发育且破碎，水平段钻井及取芯施工时，井壁垮塌及井漏风险极高，相应地，对钻井液井壁防塌及润滑防卡的性能要求也极高。”负责焦页66-检5井现场施工的技术人员介绍，“为了方便观察压裂液在岩芯里的走向及侵入情况，我们采用了防塌及润滑防卡性能与油基钻井液相当的近油基钻井液，一举取得成功。” 在油气钻探过程中，井壁失稳是最常见的井下复杂情况。面对页岩油气、高温深井超深井等易坍塌地层，实施工程人员苦不堪言。“在如此地质条件下，井塌井漏频发，像一个无尽的黑洞，令钻井周期延长、成本增加，这一直是行业面临的世界级难题。”中原石油工程钻井液工艺高级专家司西强感叹。 随着“双碳”战略实施，石业绿色低碳转型迫在眉睫。技术人员摸着石头过河，在不断前行中陷入两难境地：水基钻井液经过多年不断研发升级，对井况抑制防塌效果较好、成本较低、绿色环保，但井壁防塌及润滑防卡效果不如传统油基钻井液；油基钻井液仍是解决复杂地层井壁失稳和定向托压的首选，但配制成本过高、环保压力极大。能不能有一种钻井液，同时具有水基钻井液、油基钻井液的优点，让“鱼和熊掌兼得”呢？ 中原石油工程首创提出“近油基”理念，成立技术团队，耗时8年，在“研发—试验—升级—再试验—再研发”的反复循环中，自主研发出低水活度的非水非油介质——近油基基液，并以此为基础和连续相，配套其他不同功能处理剂，最终形成用于替代油基钻井液的绿色高效近油基钻井液体系，可完全满足深井超深井、页岩油气长水平井、强水敏性泥岩等易坍塌地层的绿色、安全、高效钻井需求。近两年，该钻井液已在涪陵页岩气工区成功应用30余口井，实现了“以水替油”的技术目标。 “该体系通过低水活度反渗透驱水、吸附成膜阻水、嵌入及拉紧晶层等多角度发挥优异抑制防塌性能，通过强吸附成膜减少钻具与井壁摩阻，并利用高固相容量限和优良的抗污染性能来保持钻井液稳定性很高。”技术小组成员谢俊介绍。 与传统的油基钻井液相比，近油基钻井液不仅成本降低30%以上，重复使用率高达90%，而且高温下稳定性极佳，在185摄氏度及高压下滤失量不超过8毫升，目前已陆续在顺北超深油气、川渝页岩气及松辽、苏北、陕北和中原等地区推广应用了近60口井，创造了顺北工区120毫米井眼完钻井深亚洲最深等多项施工纪录、涪陵工区页岩气水基钻井液施工水平段单日进尺最高630米纪录，顺利完成了国内第一口水基钻井液施工的页岩油水平井、国内水平位移最大的“三高”井，有效解决了页岩地层、深井超深井高温破碎地层、碎屑岩地层等复杂地层钻井施工难题，为未来水基钻井液的发展奠定了基础。 随着重庆涪陵、四川长宁-威远、云南昭通、胜利济阳等国家级页岩油气开发示范区的建成，以页岩油气为代表的非常规油气藏进入全面开发阶段，成为中国油气资源接替的重要阵地。 目前，在页岩油气水平井钻井中，油基钻井液以优异的井壁稳定性和润滑性仍占据主导地位，但是环保和成本方面的压力也慢慢变得大。国内外开展了大量高性能水基钻井液创新研究，部分体系已收到较好应用效果。国外MI-SWACO、哈里伯顿、贝克休斯等公司开发了一系列强抑制强封堵页岩水基钻井液体系，不一样的区域应用占比为15%～40%。 近年来，国内各大石油公司从页岩地层井壁失稳机理、水基钻井液体系构建、现场应用等方面开展了针对性研究，开发了各具特色的页岩水基钻井液体系。川庆钻探公司研发出CQH-M1、CQH-M2高性能水基钻井液，在长宁、威远等区块规模化应用50余口井；浙江油田研制的有机盐水基钻井液体系在四川泸州大寨页岩气田应用成功；中原石油工程研制了ZY-APD页岩水基钻井液和NAPG（烷基糖苷）类油基钻井液，在川南地区黄金坝区块应用3口井。中国石化石油工程技术研究院研制了两套高性能页岩水基钻井液体系，其中SM-ShaleMud-1在威页23平台的6口井开展先导试验，钻井液密度达到2.15克/立方厘米，井底温度高达140摄氏度，创造裸眼段长2115米、水平段进尺1500米等多项纪录；SM-ShaleMud-II在苏北页岩油帅页3-7HF、溱页2HF等8口井进行了规模化应用。 页岩水基钻井液在井壁稳定、润滑性等方面取得一定的应用效果，但仍面临三大挑战。一是页岩储层裂隙发育、井壁极易失稳，现有体系的封堵能力还不能完全满足需要；二是针对页岩油气储层黏土含量高，现有体系抑制黏土水化膨胀或分散能力有待逐步加强，有害固相去除困难，钻井液清洁程度不高；三是页岩油储层钻进中常遇原油污染，钻井液黏切剧增，缺乏有效处理解决措施，油侵严重时只能置换钻井液。 为解决页岩油气水平井水基钻井液应用的问题，建议开展抑制封堵剂、化学清洁剂、原油分散乳化剂等关键处理剂研究，提升页岩水基钻井液井壁稳定性、润滑性与抗油侵性，开展页岩水基钻井液现场大规模重复利用研究，为页岩油气绿色高效开发提供技术支持。 ■钻井液被誉为“钻井的血液”，作用很多。常见的钻井液类型有哪些？它们的特点和适合使用的范围是什么？ 秦文斌：常见的钻井液类型多样，每种都有其独有的特点和适合使用的范围。一是清水，是最简单的钻井液，一般适用于完整岩层和水源充足的地区。二是分散钻井液，是用淡水、膨润土和各种分散剂配制而成的水基钻井液，拥有非常良好的流动性和携砂能力，适用于多种地层，尤其对于防止钻屑的分散和黏土的膨胀有很好的效果。三是钙处理钻井液，体系中含有一定浓度的钙离子和分散剂，具备比较好的抑制性和稳定能力，适用于复杂地层，特别是那些易产生泥页岩膨胀和剥落的地层。四是盐水钻井液，用盐水（或海水）配制而成，对黏土水化有较强的抑制作用，适用于高盐度地层或海水钻井。五是聚合物钻井液，以高分子量聚合物作为主处理剂，能够絮凝和包被钻屑，保持钻井液的稳定性，适用于钻屑易分散成微细颗粒的地层，能有效控制钻屑的分散。六是油基钻井液，以油（柴油或矿物油）作为连续相，具备比较好的润滑性和热稳定性，适用于高温、高压地层，特别是需要钻穿复杂岩性和含有有害化学气体的地层。 秦文斌：在不同的地质条件下，选择正真适合的钻井液要进一步探索所钻地层的地质特性，这是选择钻井液的基础。对于坚硬、稳定的地层，可以再一次进行选择清水钻井液或低固相钻井液，因为它们流动性好，能够保持孔壁稳定。在松散、易坍塌的地层中，要选择具有较好护壁性能的泥浆钻井液或聚合物钻井液。当地层温度比较高时，应选用耐热性好的钻井液，如油基钻井液或合成基钻井液，以防止钻井液在高温下性能直线下降。地层水的化学性质也是选择钻井液的重要考虑因素。如果地层水富含盐类，则要选择能够抑制黏土水化膨胀的钻井液，如盐水钻井液或钙处理钻井液。选择正真适合的钻井液并对其进行精确调整是钻井工程中的关键步骤，需要考虑黏度、密度、pH值及失水量等多种因素，以确保钻井作业安全高效。 ■针对页岩油气特殊的地质条件和开采工艺，钻井液的研发还存在哪些要解决的技术难题？ 秦文斌：首先，页岩地层通常具有裂缝发育和层理复杂的特点，导致钻井过程中易发生井漏、垮塌等。因此，研发具备优秀能力护壁性能和防塌能力的钻井液至关重要。这要求钻井液不仅要有效封堵地层裂缝，防止钻井液漏失，而且要在井壁形成坚固的保护膜，防止井壁垮塌。 其次，页岩油气开采中常采用水平井和长水平段钻井技术，要求钻井液拥有非常良好的流变性、携砂能力和地层适应性。研发满足这种特殊工艺要求的钻井液，要解决在高温度高压力环境下保持钻井液稳定性的问题，以及有效携带和清除钻屑，防止井眼堵塞。 再次，页岩油气储层通常较为敏感，容易受到钻井液污染。因此，研发环保、低污染的钻井液是一个重要方向，包括选择环保型的处理剂、降低钻井液中有害于人体健康的物质的含量、提高钻井液的生物降解性等，以最大限度保护储层，减少对环境的影响。 最后，针对页岩油气开采的高成本和低采收率问题，研发低成本、高效能的钻井液技术也是当前的重要任务。这涉及优化钻井液配方、提高钻井液利用率、降低钻井液处理成本等方面，以实现经济效益最大化。 ■在石油工程领域，可持续和环境友好是发展的新趋势。页岩油气钻井液的研发技术方向是什么？ 秦文斌：生物基钻井液是一个重要方向。这种钻井液以可再生生物资源为原料，并能有效生物降解，可减少对环境的污染。通过优化生物基钻井液的配方和性能，使其更具发展前景。 纳米技术需要我们来关注。纳米材料具备独特的物理和化学性质，能明显提高钻井液的性能，如增强钻井液的润滑性、降低摩擦阻力、减少钻头磨损，还可用于制备具备优秀能力封堵性能的钻井液，有很大效果预防井漏和垮塌等。 智能钻井液技术特别的重要。智能钻井液可根据地层特性和开采工艺，自动调节性能参数，以适应不一样的工作环境。这种技术能实时监测和反馈地层信息，为钻井决策提供数据支持，提高开采效率和安全性。 循环利用和废弃物处理技术是实现可持续发展的重要手段。通过研发高效的钻井液回收和再利用技术，可减少新鲜钻井液的用量、降低开采成本，同时对钻井过程中产生的废弃物进行无害化处理和资源化利用，减少对环境的影响。 环境风险评估和预测模型是确保钻井液研发可持续的重要工具。这些模型能帮助工程师在研发过程中预测和评估钻井液对环境的潜在影响，及时作出调整研发方向，确保技术的环境友好性。
