1、1水基成膜钻井液技术作用机理及应用孙金声 林喜斌 苏义脑（中国石油钻井工程技术研究院，北京 100083）摘 要：通过半透膜剂和隔离膜剂的作用机理实验，分析了半透膜剂和隔离膜剂与井壁的作用形式，讨论了半透膜剂和隔离膜剂的成膜机制。成膜钻井液进行了现场实验，现场应用结果表明，使用成膜钻井液，井壁稳定、井颈规则、井径扩大率小、储层保护效果好。关键词：半透膜 隔离膜 抑制性 储层保护引言成膜钻井液主要由半透膜剂（BTM-2）和隔离膜剂（CMJ-2）等处理剂组成，该钻井液具有半透膜性能，抑制能力强，在井壁上能形成一层（多层）隔离膜，在井壁的外围形成保护层，阻止水及钻井液进入地层，可有效地防止地层水化膨
2、胀，封堵地层层理裂隙，防止地层内粘土颗粒的运移，防止井壁坍塌，保护油气层。1 半透膜剂的作用机制1.1 半透膜剂在岩石上作用特征用岩心进行高温高压封堵实验，在电镜下观测岩心用半透膜剂溶液处理前后表面的结构变化。实验结果见图 1.1 至图 1.8。图 1.1 处理前的岩心表面 图 1.2 处理后的岩心表面（露头岩心、K=196） （露头岩心、K=196，0.5%BTM-2）图 1.3 处理前的岩心表面 图 1.4 处理后的岩心表面2（露头岩心、K=176） （露头岩心、K=176，1%BTM-2）图 1.5 处理前的岩心表面 图 1.6 处理后的岩心表面（露头岩心、K=98） （露头岩心、K=9
3、8，2%BTM-2）图 1.7 处理前的岩心表面 图 1.8 处理后的岩心表面（露头岩心、K=187） （露头岩心、K=187 ，3%BTM-2）以上电镜照片显示，有机硅酸盐在岩心表面形成了一层膜，类似化学“封固壳”的一层薄膜，这层薄膜可以封堵微裂缝。有机硅酸盐分子结构很小，可以进入泥页岩孔隙，并能强烈的吸附或与泥页岩发生化学反应，通过井筒周围泥页岩骨架内的沉积形成内泥饼，增强了泥页岩半透膜的理想性，提高了半透膜的膜效率。而且半透膜剂与岩石进行化学反应形成了胶结力很大的物质，并使粘土等矿物颗粒凝结成牢固的整体。因此，可以达到阻止水及钻井液滤液进入地层，抑制泥页岩水化膨胀、分散的目的。1.2 有
4、机硅酸盐半透膜剂的作用机理1.2.1 有机硅酸盐显著改善膜的理想性有机硅酸盐电荷密度高，分子结构小，能够进入页岩孔隙，然后强烈吸附在页岩上，双电层结构得以加强，产生的渗透压更高，增强了膜的理想性。进入页岩孔隙中的有机硅酸盐，吸附在粘土上，堵塞粘土层片之间的缝隙，封堵孔隙或减小孔隙尺寸，使得泥页岩的膜效率增强。泥页岩的膜效率接近理想膜，可以通过控制钻井液电解质活度和控制井筒内压力的办法来控制膜之间的渗透压差，控制水流方向，阻止泥页岩吸水膨胀。在膜效率较高的情况下，即便未能及时调控膜两端的活度来控制渗透压差，有机硅酸盐上的疏水基团也能在一定程度上阻碍水分子顺利通过泥页岩半透膜，减缓压力传递，防止水
5、渗入泥页岩地层，减缓压力扩散，防止泥页岩吸水膨胀，防止井壁垮塌。31.2.2 在泥页岩井壁表面形成膜及封堵孔隙有机硅酸盐分子中含有硅酸根基团，具有硅酸根的一般性质，即在井下有可能发生以下两个反应：一是有机硅酸盐的硅酸根基团中的 Si-O 与无机硅酸盐（井壁上的泥页岩、粘土等）发生化学反应，形成键能较大（452kJmol-1） 、稳定 Si-O-Si 链键的一层较坚固的薄膜；二是带负电的有机硅酸盐分子体积很小，足以因扩散和水力流动而进入页岩孔隙中，当这些有机硅酸盐半透膜剂进入孔隙，水的 pH 值接近中性后，会克服凝聚而形成三维网状凝胶结构，同时地层水中的多价金属离子（Ca 2+，Mg 2+）迅速
6、与这些半透膜剂反应生成不溶沉淀物，有效封堵泥页岩孔隙。由此形成的物理屏障可降低页岩渗透率,防止滤液侵入和压力穿透，阻止水及钻井液进入地层，因而可防止泥页岩水化分散、膨胀，防止井壁坍塌。2 隔离膜剂的作用机制隔离膜剂 CMJ-1、CMJ-2 和磺化沥青 FT-1 在淡水浆中经高温高压后的滤饼经过液氮冷冻，临界点干燥后，制成扫描电镜（SEM）分析样品，对滤饼的表面形态、内部结构进行扫描放大分析研究。表面形态是采用二次电子图像进行观察研究的，配合能谱和波谱研究滤饼的结构组成。图 2.1图 2.6 便是 HTHP 后滤饼的表面结构，能观察到表面较致密，大的固相颗粒较少，并且能清晰的看到，存在着大块的膜
7、结构，这种结构可阻止水分子向泥页岩内渗透，阻止了滤液向地层渗透，从而降低了泥页岩的水化膨胀、分散作用，能有效防止井壁坍塌，稳定井壁和保护油气层。而磺化沥青 FT-1 是通过压差在泥页岩表面形成物理堆积。图 2.1 CMJ-1 SEM 膜结构图 图 2.2 CMJ-1 SEM 膜结构图（扩大倍数为 2510） （扩大倍数 4610）图 2.3 CMJ-2 膜结构图 扩大倍数为 2590 图 2.4 CMJ-2 膜结构图 扩大倍数为 38204图 2.5 磺化沥青在泥页岩上堆积图 图 2.6 磺化沥青在泥页岩上堆积图（扩大倍数为 300） （扩大倍数为 2190）隔离膜剂 CMJ-1、CMJ-2
8、具有特殊的分子结构，它们的分子主链以碳链为主，侧链上含有众多的磺酸根基团、羟基或胺基。磺酸根基、胺基电荷密度高，水化性强，侧链羟基、胺基与粘土矿物既有吸附作用，又能够与粘土颗粒形成氢键，并且容易在井壁上形成一层不透水隔离膜。这些基团作为支链化的结构可以增大空间位阻，对外界阳离子的进攻不敏感，使主链的刚性增强，有利于抗温能力的提高。阻止了滤液向地层渗透，从而降低了泥页岩的水化膨胀、分散作用，能有效防止井壁坍塌,保护油气层。3 水基钻井液成膜技术现场应用3.1 吐哈油田应用神北 6 井穿过侏罗系齐古组 J3q、七克台组 J2q、三间房组 J2s 硬脆性泥页岩水敏性和第三系、白垩系近 2000m 富
9、含盐地层，以及下部地层间断含有煤层，裸眼井段长达3750m，井壁浸泡周期长。邻井都发生了大段划眼或卡钻、常发生坍塌、缩径、粘卡等复杂情况。本井在进入 K 层上部即 2600m 将钾钙醇钻井液转化为成膜水基钻井液。在神北 6 井的采用水基成膜钻井液，获得以下认识和效果：由于该钻井液突出的井壁稳定能力，使得该井顺利完成了吐哈最长的裸眼段 3751m的钻井施工，节约了一层技术套管。神北 6 井的平均井径扩大率和油层井径扩大率比邻井分别降低 50%和 65%，说明水基成膜钻井液比其他类型钻井液具有更好的防塌效果；其它三口邻井相比，复杂损失率降低了 42%。神北 6 井平均井径扩大率为 13.09%，和
10、邻井对比，平均井径扩大率下降 50%。现场施工中神北 6 井中途起下钻及完钻起下非常顺利，下钻到底很容易开泵而且返出的沉砂较少。邻井神北 4、神北 5 中途起下钻遇阻频繁，经常大段划眼，下钻到底沉砂较多，开泵比较困难，有时甚至开不开泵，被迫起钻。与临井相比，神北 6 井节约工时和钻井液费用共计 217.3 万元。3.2 青海油田的应用马北区块的地层大多以棕黄色、棕红色泥岩、砂质泥岩与黄绿色砂岩互层沉积为主，夹泥质粉砂岩。在该区块钻井施工过程中，为了保护油气层，严格限制了钻井液的密度，5因此井壁不稳定导致井下复杂情况经常发生。特别在胶结性差的地层中，易发生坍塌、掉块。防止井壁膨胀、缩径、坍塌是该
11、地区钻井施工过程中钻井液技术难点。马北五号地区马北 103 井使用聚磺钻井液，井下坍塌、掉块较为严重，井径扩大率较大，井径极不规则。马 105 井、涩南 2 井采用成膜钻井液技术。成膜钻井液膜效率高，通过控制钻井液电解质的浓度，可以阻止自由水及钻井液进入地层，从而有效地防止了地层的水化膨胀，封堵地层裂缝，防止井壁坍塌，保护油气层。使用聚合物体系钻进的马 103 井和使用成膜钻井液的马 105 井径对比，如图3.1、3.2、3.3 所示。01002003004000 200 400 600 800 1000 1200井 深 ,mm尺寸,mm钻 头 尺 寸 mm井 径 mm图 3.1 马北 103
12、 井径情况01002003004005000 200 400 600 800 1000 1200 1400井 深 m钻头、井径尺寸mm钻 头 尺 寸井 径图 3.2 马 105 井井径情况01002003004005000 500 1000 1500 2000 2500井 深 m钻头、井径尺寸 mm钻 头 尺 寸井 径图 3.3 涩南 2 井径情况从图 3.1图 3.3 中看出，邻井马 103 井井径扩大范围：16.92（-23.03）%，井径极不规则；而使用成膜钻井液技术的马 105 井井径扩大范围：10.61-5.35%（仅套管鞋位置存在 24.96%的扩大率）和涩南 2 井的井径扩大范围
13、：8.5-3.3%，井径规则。使用聚磺钻井液的邻井马 103 井井径极不规则。而使用成膜钻井液体系的马 105、涩南 2 井，现场成膜钻井液的膜效率高达 76%，有效的阻止了钻井液及钻井液滤液进入地层，从而有效地防止了地层的水化膨胀，封堵地层裂缝，防止井壁坍塌，从未发生过掉块和坍塌现象，井径规则。 63.3 水基成膜钻井液在新疆油田的应用3.3.1 新疆油田 T85388 井设计井深 2480m，实际井深 2501m。表层套管 199.5m，二开井段长，分属多套压力系统，且地层原始压力遭破坏，难以准确预测，易发生井漏、井喷。三叠系白碱滩组、克拉玛依组泥岩地层层段长，粘土矿物以伊蒙混层为主，易水
14、化分散，造成散塌。目的层乌尔禾组地层裂缝发育，易井漏。用成膜钻井液完成二开井段，全井工作时间 483h ，机械钻速 8.23 m/h，纯钻时间 304h，占总工作时间的 60.68% ，复杂时间 18h，占总工作时间的3.59%，油层段井径扩大率、非油层段井径扩大率接近于零。用聚磺混油钻井液完成的邻井T85235 井，完钻井深 2463m，全井工作时间 489h，机械钻速 5.92 m/h，纯钻时间 418h，复杂时间 39h，油层段井径扩大率 3.24%，非油层段井径扩大率接近于零。成膜钻井液机械钻速高，抑制性较强，钻屑包被效果好，其井径与邻井相比更规则。3.3.2 新疆油田 T85242
15、井T85242 井为克拉玛依油田的一口开发井，全井使用成膜钻井液技术，井径变化情况见图 3.4。可以看出，井径扩大率小，井径规则。0246810121890 1950 2010 2070 2130 2190 2250 2310 2370 2430 2490 2550井 深 (m)井径(inch)C1C2C3图 3.4 T85242 井井径变化现场应用效果表明，成膜钻井液能有效阻止或减缓钻井液及钻井液滤液进入地层，从而有效地防止地层的水化膨胀，封堵地层裂缝，防止井壁坍塌。钻井液抑制性强，防塌效果好，井径扩大率小，井径规则。3.4 中原油田的应用桥 69-平 1 井一开用预水化膨润土浆钻进，二开用
16、聚合物正电胶钻井液钻进，三开造斜后将井浆转化为成膜钻井液，改造后的钻井液动塑比合理，滤失量小，摩阻系数低，各项性能指标符合要求。特别是该井水平段岩心渗透率恢复值均大于 85%，保护油气层效果明显。全井施工顺利，井径规则，生产时效高达 97.28%，纯钻时效为 38.32%，电测一次成功。该井投产后产量为 4 万 m3/d 天然气，是对比井（桥 69-平 1 井邻近 8 口井）平均值的8 倍。根据已钻特殊工艺井的统计数量，使用水基钻井液成膜技术的桥 69-平 1 井平均钻井周期为 50d，日进尺为 84.6m/d，而对比井平均钻井周期为 55.6d，日进尺为 75.1m/d，平均钻井周期限降低了
17、 10%,平均日进尺提高了 12.6%，钻井综合成本显著降低。7由此可见，水基钻井液成膜技术可显著减少井下复杂事故，缩短钻井周期，有利于降低钻井成本，提高钻井液保护油气层的能力。3.5 冀东油田的应用试验井选择高尚堡地区的三开井段，试验井 G76-42 位于高尚堡油田高 76 断块构造较高部位，钻探目的是开发 ES1ES31 油藏，为三段制三开定向井，造斜点深度 1706m，完钻井深 3286m，最大井斜角 31，全井采用 PDC 钻头、单弯螺杆复合钻进，施工井段22863286m。二开钻井液转换成成膜水基钻井液性能稳定，钻井液性能一直维持到钻到 3024m，此时发生较为严重的油气侵，最后把钻
18、井液密度提至 1.39 g/cm3，该钻井液性能见表 3.1，该性能维持到完钻。三开钻井施工过程中，在 2822m、3202m 和 3286m 三次短起下，起下钻正常，无任何阻卡现象。电测一次成功，下套管完井顺利。3.1 二开钻井液转换成成膜水基钻井液前后性能性能配方井深(m)漏斗粘度(s)密度(g/cm3)PV(mPas)YP(Pa)Gel(Pa)API FL(ml)泥饼厚度(mm)PH二开聚合物 -2286 42 1.17 15 5 1.5/4 4.8 0.5 9成膜钻井液 22863024 35 1.18 9 4.5 0.5/1 4.4 0.5 9井涌加重后成膜钻井液30243286 5
19、0 1.39 19 6 2/4 3 0.5 94 结论（1）实验结果表明，有机硅酸盐半透膜剂在岩心表面形成了一层较坚固的薄膜，这层薄膜可风度微裂缝。（2）实验结果说明，隔离膜剂在钻井液中能形成具有不透水的完全隔离效果的膜，这层膜可阻止或减缓水和钻井液进入地层，具有良好的防治泥页岩坍塌和保护储层效果。（3）几个油田十余口井现场应用结果表明，使用成膜钻井液，井径扩大率、油层井径扩大率及复杂事故次数大幅度减少，由于复杂事故带来的损失也大大降低。水基成膜钻井液体系抑制性强、防塌及保护储层效果显著。参考文献1 林喜斌，孙金声,苏义脑.水基半透膜钻井液技术研究与应用，钻井业与完井液.2005，22（6）：58.2 孙金声，汪世国.隔离膜水基钻井液技术研究与应用，钻井业与完井液 .2005，22（3）：58.3 张克勤，方慧等.国外世纪钻井液半透膜的研究概述 . 钻井液与完井液.2003，20（6）：81-54 蒲小林，雷刚，罗兴树等.钻井液隔离膜理论与成膜钻井液研究 . 钻井液与完井液.2005，22（6）：1-4
