钻井液与水活度

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——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Visco1、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、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，即：μi= μi°+ RT ln ai，其中μi为i组分的化学势，μi°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μ水= μ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μi= μi°+ RT ln ai还可知温度升高，有利于μi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Visco1、Visco2来调整流变性。

Visco1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。Visco1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：

τ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，τ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 1.00 0.80 0.70 0.35 0.90 0.85

溶液饱和甲酸钠溶液饱和甲酸钾溶液饱和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τ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110℃，纤维素类、淀粉类最高使用温度多数为120℃（少数达140℃），聚合物类也大多数只能在150℃以下使用；磺化类处理剂（磺化沥青、SMP、SPNH等）最高使用温度为180℃。所以现有水基钻井液难于在200℃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180℃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，有效地保护了各种处理剂，使其可在超高温度（200℃）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：Φ444.5mm x 105m + Φ241.3mm x 1265m + 215.9mm x 2365m

井身结构：Φ339.7mm x 104.12m + Φ140mm 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：35～55S，ρ：1.10～1.31 g/cm3，G10" /G10’=0.5～1.0/1.0～6.0，APIFL：4～9ml，AV：14～31mPa·S；PV：10～26mPa·S；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：