油基钻井液优缺点及应用 (2)

油基钻井液优缺点及应用
李贺
（中国石油大学（华东）石油工程学院，海洋油气工程专业， 11042105）
摘要：油基钻井液具有抗高、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度小等优点。

国外早在20世纪60年代就十分重视油基钻井液技术的开发与应用。

现已广泛作为钻深井、超深
井、海上钻井、大斜度定向井、水平井和水敏性复杂地层及储层保护的重要手段。

国外油基钻
井液体系及配套技术比较成熟。

国内在油基钻井液方面尽管开展了一些工作，但应用较少还没
有形成体系。

目前，国内非常规油气资源的开发已经启动，对油基钻井液有了迫切需求。

我国
应在油基钻井液应用方面尽快行动起来，在借鉴国外经验和国内初步实践的基础上，首先开展
油基钻井液的应用，在应用中积累经验、完善体系。

并通过油基钻井液处理剂、降滤失剂、提
黏切剂、封堵剂及润湿剂的研制，逐渐形成具有国内特点、能够满足现场需要的油基钻井液体
系，以及钻井液回收处理循环再利用的配套设备与方法。

同时，开展油基钻井液高温下流变性、
稳定性研究，以形成系统的流变性控制方法为油基钻井液体系的应用提供理论支撑，促进国内
页岩气等非常规油气资源的开发。

关键词：油基钻井液水平井页岩气非常规油气资源油气层保护水敏性复杂地层
0.引言
与水基钻井液相比，油基钻井液在井壁稳定、润滑防卡、抑制页岩水化膨胀和地层造浆，以及快速钻进等方面具有明显优势，已成为钻探高温深井、海上钻井、大斜度定向井、水平井、各种复杂井段和储层保护的重要手段。

早在20世纪60年代，国外就十分重视油基钻井液体系的开发与应用，70年代就针对深井、超深井钻井的需要，先后研制出一系列高温油基钻井液体系，并成功应用。

目前，国外在复杂井钻井及非常规油气井钻探中，油基钻井液的应用占主导地位。

国内20世纪80年代以来，先后在部分油田使用过油基钻井液，并开展了大量的室内研究工作，但考虑到油基钻井液的安全、成本、需求和环境保护问题，油基钻井液在我国应用十分有限，尚未形成体系。

随着对油基钻井液性能认识的不断提高，以及油基钻井液的市场需求不断扩大，尤其是近期，随着非常规油气资源开发的全面铺开，人们虽然开始重视油基钻井液，但重视程度还不够。

基于油基钻井液的特点及对油基钻井液的需求，国内应加快发展油基钻井液，并尽快形成配套的工艺技术及钻井液体系。

本文结合国内外油基钻井液文献资料及初步实践，对为什么要发展油基钻井液，以及发展油基钻井液需要解决的问题进行初步探讨。

1.发展油基钻井液的原因
钻井液是钻井工程的血液，在钻井过程中起到携带和悬浮岩屑、稳定井壁、平衡地层压力、冷却和润滑钻头和钻具、传递水动力以及提供所钻地层录井资料等作用，是关系钻井尤其是特殊工艺井成败及质量好坏的决定性因素。

目前，我国中浅层油气资源的勘探开发已进入中后期，因此，随着国民经济发展对能源需求的增加以及钻探技术的发展，向深部地层和复杂地层寻找油气资源已成必然。

从全球范围看，石油勘探开发也正朝着复杂地层、深层、深海等地区进军。

这样，深井、超深井、定向井、大位移井和水平井等特殊工艺井钻探，必将成为我国乃至全世界石油工业的一个重要发展方向。

特殊工艺井的钻探对钻井液提出了更高的技术要求，例如，定向井、大位移井和水平井的钻探，要求钻井液具有更优异的润滑性、携岩性和储层保护性能；深井、超深井的钻探由于井底高温高压、裸眼井段长和钻遇地层复杂等，要求钻井液具有优良的高温稳定性、抑制性、携岩性和储层保护性能。

普通水基钻井液无法满足这样的要求，而油基钻井液由于具有页岩抑制性强、润滑性好、抗高温、抗污染能力强和储层保护性能好等优点，是钻高难度井和复杂井的优先选择。

2.油基钻井液概述
2.1油基钻井液简介
油基钻井液主要是指以柴油或低毒的矿物油（如白油）作为连续相，以水为分散相，在一定条件下形成的表现出类似油类的一些性质的油包水（W/O）乳化钻井液，也称逆乳化钻井液。

油基钻井液包括全油基钻井液、油包水钻井液、油基泡沫钻井液和合成基钻井液。

全油基钻井液中水的含量一般低于5%，而油包水钻井液由于油在此类钻井液中占的比例很大（一般大于80%）是基础组分，故而也称为油基钻井液。

油包水乳化钻井液主要由基油、水、乳化剂、有机土、润湿剂、降滤失剂、活度平衡剂、流型调节剂和加重剂等组成。

泡沫钻井液主要由油、水、发泡剂、稳泡剂等组成。

合成基钻井液组成与油基钻井液组成及性能相近，其优点主要体现在基油可生物降解，环境可接受性强等。

2.2油基钻井液的基本组分
2.2.1基油
基油是油基钻井液的分散介质，早期的全油基钻井液常用的基油为柴油，生物毒性高，随着海洋钻井对环境保护的要求越来越严格，目前普遍使用低毒的矿物油和气制油。

为了安全起见，闪点和燃点一般要求在82℃和93℃以上，苯胺点在60℃以上。

2.2.2提粘剂
提粘剂用于提高钻井液粘度和切力，并同时可以降低钻井液的滤失量。

以前全油基钻井液常用沥青类产品作为提粘剂，容易引起油藏岩石润湿反转，由于其加量达5-10％，使得钻井液塑性粘度高，机械钻速较低。

为了提高钻速，目前使用树脂类提粘剂。

2.2.3有机土
在全油基钻井液中，有机土主要用于提高粘度和切力，并起降滤失作用。

其加量一般在3％-6％范围内。

在油基钻井液中，有机土又称为亲油胶体。

2.2.4乳化剂和稳定剂
尽管全油基钻井液中水的含量较少，但仍需要一定量的乳化剂和稳定剂使水相均匀地分散在油相中，同时使重晶石粉和岩屑的表面从亲水转变为亲油，便于在钻井液中的悬浮。

2.2.5氧化钙
氧化钙(CaO)即生石灰。

其主要作用是与有机酸产生钙皂，以增强体系的稳定性。

氧化钙在体系中与水反应：生成的氢氧化钙[Ca(OH)2]主要以细分散状态悬浮在油相中，从而能够提高体系的结构强度，并增强热稳定性。

其次，它可调节体系的pH 值以满足性能要求。

2.2.6加重剂
全油基钻井液中常用的加重剂有石灰石粉、重品石粉和铁矿粉，可根椐体系所需的密度进行选择。

由加重剂颗粒表面一般是强亲水的，因此体系中最好还有一定量的润湿剂，使其表面转化为亲油，以利于加重剂颗粒的悬浮。

一些乳化剂和稳定剂亦具有润湿剂的作用，是否需另加润湿剂，应根据室内实验结果来确定。

3.油基钻井液的优缺点
3.1油基钻井液的优点
3.1.1油基钻井液抗污染能力及防腐蚀能力强
石灰是油基钻井液的必要组成。

过量的石灰可以提供Ca2+，从而有利于二元金属皂的形成，保证所添加的乳化剂可充分发挥效能；同时，石灰可以维持油基钻井液的PH维持在8.5~10范围内以利于防止钻具腐蚀；另外，它可以有效防止地层中
CO
2和H
2
S 等酸性气体对钻井液的污染。

3.1.2油基钻井液润滑性好，防塌能力强
钻井液的润滑性通常包括泥饼的润滑性能和钻井液本身的润滑性两个方面。

钻井液和泥饼的摩阻系数是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。

钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数，用专用仪器进行测量，空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07，大部分有机钻井液的摩阻系数为0.08~0.09，各种水基钻井液的摩阻系数为0.20~0.35，如加有油品或各类润滑剂，则可降到0.10以下。

一般来说普通井钻井液摩阻系数在0.20左右就可以满足钻井需要，水平井泽要求钻井液的摩阻系数尽可能保持在0.08~0.10之间，以保持较好的摩阻控制。

除油基钻井液外，其他类型钻井液的润滑性能很难满足水平井钻井的需要，需要改善钻井液的润滑性能。

钻井液润滑性差，会造成钻具回转阻力增大，引起起下钻困难，甚至发生粘附卡钻；当钻具回转阻力过大时，会导致钻具振动，从而有可能引起钻具断裂和井壁失稳。

油基钻井液由于润滑性好，可以减少钻头，钻具和其他配件的磨损，延长使用寿命，同时可以防止粘附卡钻、减少泥包钻头，易于处理井下事故等。

如针对番禺30-1气田地层疏松、渗透性强，容易发生井漏、遇阻、卡钻等复杂情况，优选出一种适用于大斜度定向井的油基钻井液体系，室内评价及现场应用表明：该体系具有较好的流变性、沉降稳定性和润滑性能，添加石墨等润滑剂，可进一步改善该油基钻井液的润滑性，降低钻进扭矩和摩阻，降低顶驱等关键设备的故障率，且井壁更加稳定，同时解决了番禺30-1气田由于存在断层和裂缝发育而发生井漏的难题。

3.1.3油基钻井液抗温能力强
油基钻井液表观粘度随温度和压力变化曲线
在生产实践中我们发现：在实际钻井过程中，温度和压力同时随井深的增加而增大。

当钻进至深部地层时，虽然井下高温引起表观粘度的降低会由于压力增大使表观粘度增加而得到部分补偿，但前者降低的程度远远超过后者增加的程度。

即由于温度和压力的协同作用，钻井液的表观粘度是随井深的增加而逐渐减小的。

并且温度对油包水乳化钻井液屈服值的影响明显小于对表观粘度和塑性粘度的影响。

与水基钻井液相比，油包水乳化钻井液之所以在井底高温下能保持较高的表观粘度(204. 4℃和103. 4M P时，约为20mPa" s)并具有较好的携屑能力，与高温下其屈服值较高有关。

3.1.4油基钻井液抑制性强
滤液主要为油和滤失量低是油基钻井液的重要特点，也是其适应于钻强水敏性易坍塌复杂地层以及能够有效保护油气层的主要原因。

通常情况下只要具有良好的乳化稳定性，油基钻井液的API滤失量可调整至接近于0。

HTHP滤失量也不超过10Ml。

低滤失主要是由于钻井液中的亲油胶体物质在井壁上的吸附和沉积可形成致密的滤饼，分散在油中的乳化水滴也有利于堵孔，水相的高含盐量（含Cacl2和或Nacl）可有效地防止有机钻井液中水分向井壁岩石运移等作用。

油基钻井液抑制性强，可有效保护油气层。

油基钻井液优良的抑制性，使其在钻复杂井，特别是在钻水敏性地层中优势更加明显。

如胜利油田王732区块，储层具有非速敏、极强水敏、强酸敏、弱碱敏特征，为了更好地保护油气层，满足勘探开发的要求，在该区块使用全
油基钻井液，并在王73-平4井进行首次应用。

结果表明，全油基钻井液能够满足现场施工要求，有效保护了油气层，提高了油气产量。

3.2油基钻井液的缺点
虽然油基钻井液已成为钻高难度高温深井、大斜度定向井、水平井和各种复杂地层的重要手段，但其仍然存在一些缺点或不足。

如何克服缺陷，充分利用油基钻井液的优点，开发低污染、低成本，且与地层配伍性好的油基钻井液体系，将是油基钻井液研究和应用要面临的重要课题。

结合当前实际，认为发展油基钻井液需要解决如下一些问题。

3.2.1油基钻井液的悬浮性问题
对于油基钻井液，加重材料的沉降问题特别突出。

油基钻井液特别是全油基钻井液，存在粘度较高而切力偏低的不足，使得油基钻井液悬浮性较差，不利于悬浮钻屑、加重材料以及超高密度油基钻井液的配制。

研究表明，加重剂的油润湿性及油包水钻井液中水相的组成，对重晶石的悬浮稳定性影响较大。

在白油中将加重材料(如重晶石)磨碎，可使其表面具有有效的油湿性和抗沉降能力。

采用处理的重晶石，可形成稳定的低固相、高密度、低黏性悬浮液或钻井液，保证用超细颗粒重晶石配成的钻井液具有低黏度、低胶凝强度和低沉降特点。

高温下油基钻井液的黏度会降低，因此保证高温下钻井液的悬浮稳定性非常重要。

优选或研制抗高温增黏剂、提切剂和润湿剂，可有效提高钻井液的悬浮稳定性。

3.2.2油基钻井液乳液稳定性问题
油基钻井液使用中，必须确保乳液的稳定性。

油包水乳化钻井液容易因钻井液中出现亲水物质而使乳状液稳定性变差：比如当钻遇水层时，大量地层水的侵入会使钻井液中水量大幅度增加；或者当大量亲水钻屑进入钻井液后，因乳化剂和润湿剂在钻屑表面的吸附导致其过量消耗而未能及时补充所致。

这些情况会造成乳状液流动时漩涡减少，钻屑趋向于相互凝结并容易粘附在振动筛筛网上，以及钻井液中固相下沉速度过快等问题。

3.2.3油基钻井液的封堵问题
尽管油基钻井液具有很强的抑制性，但对于一些层理和微裂缝发育的硬脆性和破碎性地层，油的侵入仍然会带来地层的不稳定因素，故油基钻井液的封堵问题仍然不能忽视。

通过在油基钻井液中引入超微细颗粒材料、纤维材料、变形材料和黏弹性材料，可大幅提高其封堵能力。

研究及实践证明，增强油基钻井液的封堵能力对保持硬脆性泥页岩的井壁稳定至关重要。

如中国南海西部北部湾油田的泪州组二段和流沙港组二段，水敏/硬脆性泥页岩层理和微裂缝较发育，且微裂缝发育的大小没有规律，坍塌应力大，极易垮塌，给钻井作业带来很大困难。

为此，对泪二段和流二段水敏/硬脆性泥页岩的垮塌机理进行研究，以多粒径的封堵材料以及运用多种封堵机理进行综合封堵，使钻井液在近井壁附近形成一层“隔离膜”，从而增强泥饼对地层的封堵效果。

通过进行一系列的室内配伍试验，形成了一套具有强封堵能力的油基钻井液体系，成功在W 11-4D油田的开发及泪洲12-1北油田二期工程中应用，解决了北部湾油田泥页岩坍塌垮塌问题，钻井施工非常顺利，儿乎无井下复杂事故。

3.2.4油基钻井液流变性对温度的敏感性
研究表明，油基钻井液的流变性受温度影响比较明显。

在实际钻井过程中，井内钻井液所受的温度和压力同时随井深增加而增加，一方面温度升高使油包水乳化钻井液表现粘度降低；另一方面压力升高使其表观粘度增加。

当钻至深部地层时，温度对表观粘度的影响超过了压力的影响。

提粘、提切可以适当减小油水比，同时补充乳化剂，增加有机土或氧化沥青等亲油胶体的用量；降粘、提切则应适当增大油水比，用好固控设备，尽量清除钻屑。

3.2.5钻屑或钻井液污染问题
废弃油基钻井液中含有大量的矿物油、酚类化合物、重金属和一些有毒物质，属危险废物。

长期堆积会造成地表植被的严重破坏，导致对土壤、地表和地下水的污染，直接或间接对植物、动物及人类健康产生巨大的危害，极大地制约着油基钻井液技术的发展。

国内对含油废弃物要求进行无害化处理。

因此从环境保护和经济效益的角度出发，寻找一种经济高效的废弃油基钻井液处理技术显得尤为迫切和重要。

3.2.6低剪切速率下流变性控制
低剪切速率流变性控制有两方面要求，一是在低温、低剪切速率下黏度不能过高;二是在高温、低剪切速率下必须具有一定的黏度，保证钻井液具有良好的携砂能力。

海洋深水钻井作业中，钻井液不仅会处于低温下，且在流经立管时其剪切速率一般很低。

研究表明，油包水钻井液在静置或低剪切速率下，会形成一种具有高弹性的类似凝固体的结构。

温度的升高会减弱这种弹性，削弱结构强度。

剪切力对这种弹性有很大影响，可使钻井液从黏弹性固态转化成黏弹性液态。

经剪切的钻井液静止后会转化成固态结构，黏弹性逐渐增大，在长时间(大于4h)后达到平衡。

这一现象对于现场作业很不利。

故，保证钻井液在低剪切速率下的流变性非常重要。

3.2.7油基钻井液面临的固井及后期井筒清洗问题
钻井过程中，采用油基钻井液可产生较薄的泥饼，具有优良的润滑性、较快的钻进速度及优异的井眼稳定性，具有水基钻井液无法比拟的优点。

但其缺点是，完井时残留的钻井液和滤饼不易清除，固井时残余的钻井液若留在井筒、油润湿地层和套管里，将导致水润湿地层和套管间的水泥胶结强度下降，严重影响固井质量。

因此，要重视采用油基钻井液钻井的固井质量问题。

油基钻井液对固井质量的影响主要反映在对顶替效率、水泥石强度及第二界面的胶结程度上。

研究表明，对二界面胶结强度的影响由大到小依次为体系、乳状液、主乳化剂、降滤失剂、白油，采用前置液清洗后，胶结强度成倍提高，尤其对体系、乳状液和降滤失剂清洗效果最佳。

随混浆比的增大，水泥浆初凝和终凝时间明显延长，水泥石抗压强度明显下降，甚至不凝。

故，从固井前井眼清洗的角度讲，前置液的研制或优选对提高固井质量非常关键。

3.2.8油基钻井液天然气侵及稠油污染问题
天然气等可溶于油基钻井液。

在超过临界压力和临界温度的井眼内，天然气有可能在油基钻井液中完全溶解、凝析甚至发生超临界现象。

故天然气侵入油基钻井液后的运移膨胀规律有别于水基钻井液。

在向上部井段运移过程中，溶解气存在反凝析挥发现象和气体因压力降低而发生的等温膨胀现象，将引起井筒气液体积比的急速升高。

若不对侵入油基钻井液的天然气进行井口控制，有可能引发灾难性事故。

钻遇稠油层时，稠油会溶于油基钻井液，导致钻井液流变性变差，前面提到的攫深Ig一侧1井就是一个典型的例子。

因此，在采用油基钻井液钻开稠油层时，必须重视
稠油污染的预防和处理工作。

3.2.9油基钻井液的钻速问题
相对水基钻井液来讲，油基钻井液具有如下有利于提高机械钻速的技术优势:性能稳定、抗温性能好、抗污染能力强、润滑防塌效果好、密度低。

同时油基钻井液也有不利于提高钻速的因素。

1)油基钻井液不利于降低负压吸附钻屑引起的压持效应和井底岩石的可钻强度。

在钻进过程中，钻头在钻压作用下吃入岩石，导致井底岩石产生微裂隙。

由于岩石微裂隙表面初始呈现亲水性，根据界面化学原理，油气界面的毛细管力Pc=2σCOSθ/r:方向向外，瞬时滤液(油)不易进人微裂隙而形成负压真空，从而将井底岩屑吸在井底，增加了井底岩屑的压持效应，如图2所示。

另外，瞬时滤失油不能进人微裂隙，裂隙易闭合，无法形成“液楔”；同时，瞬时滤失油不能降低岩石可钻强度(因为岩石含水量越高，越有利于降低岩石可钻强度)。

图2 井底岩石在钻头作用下产生
微裂缝后产生真空的示意图
2)油基钻井液不利于直井段钻速提高。

油基钻井液维持流变性和滤失性的关键组分一一增黏剂、降滤失剂和封堵剂主要为有机土、氧化沥青、有机褐煤、活化重晶石、碳酸钙等胶体颗粒，这些颗粒均属于亚微米颗粒，钻井液中亚微米颗粒对钻速的影响显著，统计显示:亚微米颗粒含量增加1% , 机械钻速降低10%。

尤其是在硬地层钻进，亚微米粒子对钻速的影响显著。

在固相颗粒中，低密度固相比高密度固相机械钻速低。

因而，油基钻井液对钻速的影响既有有利的一面，也有不利的一面。

性能稳定、润滑性好、密度低，有利于防止钻头泥包、提高钻速；亚微米颗粒含量高，瞬时滤失量小，剪切稀
释性差，不利于降低岩石可钻强度和有效携岩，因此又不利于钻速提高。

对于油基钻井液，可以通过调整钻井液性能使其有效清洁钻头、改变井底岩石的润湿性、大幅度提高钻井液的极压润滑性，以及向钻井液中加人油溶性中性润湿剂，改变微裂隙表面润湿性，加入抗高温的油溶性高分子增黏、提切剂代替有机土、氧化沥青等胶体颗粒，以便降低亚微米颗粒含量、提高剪切稀释性、提高携岩效率，从而提高机械钻速。

3.2.9其他问题
与水基钻井液相比，油基钻井液的配制成本要高得多，也会对井场周围的生态环境造成影响。

通过油基钻井液回收再利用，不仅可以大幅降低成本，而且可以减少污染。

因此，应用油基钻井液的同时，必须重视对油基钻井液的回收再利用，建立集中的油基钻井液处理与储存基地，通过配套设备，制定科学的处理工艺，实现钻井液的循环利用。

油基钻井液的使用，对地质录井也有一定影响，如岩屑清洗困难，岩性辨认困难，油气显示发现困难等，甚至造成不能准确评价地层性质，严重影响地质人员对含油岩层和油气发育的判断。

因此，必须针对油基钻井液的特点，选择合适的测、录井方法，通过改进录井方法，全部或部分地消除油基钻井液对录井的影响。

采用油基钻井液钻井的同时，由于该钻井液与水基完井液、原油之间的配伍性差，相关井原油的重质成分、沥青质含量高，在某些油田，部分采用油基钻井液所钻的井，生产过程中会出现黏稠返出物、影响产能的情况。

因此，后期作业中，要采取相应措施，以保证不影响油井产量。

4.结束语
实践证明，油基钻井液体系的应用，可大幅减少井下复杂，提高机械钻速，降低整体钻井成本。

油基钻井液技术也是我们开拓海外钻井液技术服务市场、提升国际竞争力的技术保障。

同时，对于解决国内钻高温深井、大斜度定向井、水平井、特殊工艺井和减少井下复杂情况的发生，提供了有效的技术手段。