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有机盐钻井液技术
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Redu1、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Redu1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Redu2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2.50g/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°+RTlnai，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°+RTlna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°+RTlnai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=4.61Tln（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。
有机盐钻井液抗高温机理分析如下：
在普通水基聚磺钻井液中，在高温下其中的溶解氧变得氧化性更强，使有机高分子链断链、降解、失去效能。
反应如下：
反应
（1）
但在有机盐钻井液中，情况就大不相同。
有机盐钻井液中含有高浓度的XmRn（COO）lq-基团，XmRn（COO）lq-具有较强的还原性，可除掉钻井液中的溶解氧。
这是由下述反应的电位决定的：
反应
（2）
反应（3） 4_q
E2、E3为氧化还原电位。
E越高，氧化性越强，E越低，还原性越强。
由于E3（1）不能进行，使得高分子处理剂不断链、不降解。
有效地保护了这些处理剂，使其效能即使在高温下（200℃的情况）也能长时间充分发挥。
有机盐钻井液处理剂中，有机酸根阴离子只有少量用于除去溶解氧外，其它在高温下分子结构不发生任何变化，就是用于除去溶解氧的这极小量的有机酸根，也变成分子量稍小的有机酸根，对钻井液性能无影响。
有机盐钻井液中，其它处理剂的抗温情况如下：
提切剂Visco1为硅酸盐矿物的改性产品（可用通式M1aM2bM3c（OH）dOe表示，M1、M2、M3为2、3、4价元素），在水中抗温可达200℃以上；
提切剂Visco2为抗盐聚合物的微交联产品，在水中溶解后可形成空间网状结构，在水中可抗温至140℃，在有机盐溶液中可抗温至200℃。
降滤失剂Redu1、Redu2为线性中小分子量抗盐聚合物，Redu1分子主链中以C-C键为主，但也有少量C-O键，Redu1可抗温至130℃，但在有机盐溶液中可抗温至200℃。
Redu2分子主链上全为C-C键，其在水中抗温可达180℃，在有机盐溶液中可抗温至200℃以上。
Redu1、Redu2的主要区别为Redu1用量少，Redu2用量多。
无萤光白沥青NFA-25为采用无萤光具有软化点的油溶性物质水溶化工艺生产的防塌剂，也可作油层保护剂。
其主要由碳碳键组成，也有少量C-N、C-O键。
其在水中可抗温至150℃，在有机盐溶液中可抗温至200℃以上。
包被剂IND10为抗盐单体聚合而成的高分子量聚合物，其主链由C-C键组成，在水中可抗温至150℃，在有机盐溶液中可抗温至200℃以上。
（四）有机盐钻井液的滤失造壁性
有机盐钻井液体系中的降滤失剂Redu1、无萤光白沥青NFA-25可有效降低滤失量、改善泥饼质量，可形成薄而韧的泥饼，NFA-25中油溶组分可在压力温梯下发生塑性形变，进入地层微裂缝，起到封堵、防塌的作用。
四、有机盐钻井液性能室内试验
（一）有机盐钻井液的基本性能
浆1：
水+0.3%Na2CO3+2%Redu1+3%NFA-25+25%Weigh2+4%Visco1
浆2：
水+0.3%Na2CO3+0.1%Xc+1%Redu1+1.0%NPAN+50%Weigh2+75%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1
浆3：
水+0.3%Na2CO3+0.1%Xc+1%Redu1+1.5%NPAN+150%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1
浆4：
水+0.3%Na2CO3+1.2%Redu1+0.1%Xc+1.5%NPAN+150%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1+铁矿粉
浆5：
水+0.3%Na2CO3+1.0%Redu1+0.5%NPAN +0.05%Xc+150%Weigh3+2%NFA-25+1%Visco1+铁矿粉
浆6：
水+0.3%Na2CO3+10%高岭土+0.6%Visco2 +5%Redu2+100%Weigh3
以下各浆的基本性能见表一
表一
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆1
1.18
9.0
45.5
31.0
13.5
2.5
3.0
3.2
15.4
浆2
1.45
9.0
32.5
25.0
7.5
1.0
3.0
1.5
14.0
浆3
1.55
9.0
40.0
31.0
9.0
1.0
1.5
0.8
12.0
浆4
2.46
9.0
118.0
109.0
9.0
2.0
6.0
1.0
18.0
浆5
2.60
9.0
124.0
109.0
15.0
2.0
5.0
1.0
16.0
浆6
1.46
9.0
50.5
36.0
14.0
1.0
2.5
0.5
13.0
可见有机盐钻井液基本性能良好，可较好地满足钻井工程的需要。
（二）有机盐钻井液的抗温性能
浆1—浆5在150℃热滚16小时后性能见表二
表二
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆1
1.18
9.0
49.0
26.0
23.0
2.0
2.5
4.0
18.0
浆2
1.45
9.0
35.0
26.0
9.0
1.0
2.5
2.0
16.0
浆3
1.55
9.0
32.5
25.0
7.5
1.0
1.5
1.2
13.0
浆4
2.46
9.0
121.0
114.0
7.0
1.5
2.0
0.8
17.0
浆5
2.60
9.0
96.5
63.0
13.5
1.0
4.5
1.0
18.5
浆6在200℃热滚16小时后性能见表三
表三
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（200℃,3.5MPa）
浆6
1.46
9.0
40.5
21.0
8.0
1.0
1.5
1.0
18.5
这些数据验证了有机盐钻井液优良的抗温性能（可抗200℃高温）。
（三）有机盐钻井液的抗搬土污染性能
表一中浆2、浆4、浆5加入5%夏子街土，150℃热滚16小时后性能见表四
表四
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆2
1.46
9.0
34.0
26.0
8.0
1.0
3.0
1.0
15.0
浆4
2.46
9.0
122.0
110.0
12.0
2.0
6.0
0.6
17.0
浆5
2.60
9.0
130.0
116.0
14.0
1.5
2.5
0.5
15.0
由上表可见有机盐钻井液抗搬土污染能力较强。
（四）有机盐钻井液的抗盐污染性能
表一中浆2、浆4、浆5各加入4%NaCL后150℃热滚16小时后性能见表五
表五
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆2
1.46
9.0
32.0
25.0
7.0
1.0
2.0
1.5
16.0
浆4
2.46
9.0
120.0
111.0
9.0
2.0
5.0
1.0
16.5
浆5
2.60
9.0
128.0
112.0
16.0
1.0
2.0
0.5
15.0
由上表可见，有机盐钻井液抗盐污染能力较强。
（五）有机盐钻井液的抗石膏污染性能
表一中浆2、浆4、浆5各加入1%CaSO4后150℃热滚16小时后性能见表六
表六
序号
γ（g/cm3）
PH
AV
（mPa·S）
PV
（mPa·S）
YP
（Pa）
G10"
（Pa）
G10'
（Pa）
FL
（ml）
HTHPFL（ml）
（150℃,3.5MPa）
浆2
1.45
9.0
31.0
25.0
6.0
1.0
2.5
1.0
14.0
浆4
2.46
9.0
120.0
109.0
11.0
2.0
3.0
1.0
17.0
浆5
2.60
9.0
121.0
111.0
10.0
2.0
4.0
0.6
14.5
由上表可见在较高浓度石膏污染后，有机盐钻井液流变性及滤失造壁性仍保持良好且稳定。
（六）有机盐钻井液的钻屑回收率试验结果
表一中浆2、浆4、浆5各加入准噶尔盆地南缘西四井安集海河组钻屑（此钻屑蒙脱石含量在40%以上，极易水化分散）。
钻屑回收率数据如下：
序号 钻屑回收率
浆2 93.6%
浆4 96.0%
浆5 95.3%
由此可见，有机盐钻井液抑制钻屑分散性能很强。
（七）有机盐钻井液的储层保护数见有机盐钻井液油层保护实验数据总结
有机盐钻井液油层保护实验数据总结
配方号
层位
井深
岩芯号
岩芯
长度
岩芯
直径
污染前压力
污染后压力
污染前渗透率
污染后渗透率
渗透率恢复值
有机盐泥浆
三叠系
4796.25
LN2-4-J2-72
2.958
2.500
0.096
0.113
18.84
16.01
84.98
侏罗系
4514.80
LN2-4-J2-29
2.864
2.488
0.055
0.056
32.15
31.58
98.23
桑塔系
JF134-7
3.678
2.516
0.11
0.118
20.19
18.82
93.21
聚磺泥浆
三叠系
4796.06
LN2-4-J2-70
3.000
2.508
0.08
0.094
22.78
19.39
85.12
侏罗系
4513.76
LN2-4-J2-12
2.938
2.484
0.9
1.10
2.03
1.66
81.79
配方1#
C
DH4-17
3.214
2.502
0.49
0.55
4.00
3.57
89.09
配方2#
C
DH4-6
3.148
2.488
0.21
0.26
9.25
7.47
80.77
聚磺泥浆滤液
三叠系
4748.49
LN2-4-J2-37
3.038
2.488
0.043
0.096
43.62
19.54
44.80
有机盐泥浆滤液
三叠系
4795.44
LN2-4-J2-64
3.154
2.500
0.53
0.85
1.819
1.134
62.34
C
DH4-3
3.168
2.472
0.029
0.039
68.32
50.80
74.36
有机盐泥浆：
3%土浆+0.15%NaOH+1%Visco1+1.5%Redu1+2%NFA-25+3%JHG+30%Weigh2
配方1：
3%搬土浆+0.15%NaOH+1%Visco1+0.3%IND10+1.5%Redu1+2%NFA-25+30%Weigh2
配方2：
3%搬土浆+0.15%NaOH+1%Visco1+0.3%IND10+1.5%Redu1+3%NFA-25+30%Weigh2
可见有机盐钻井液可对油气储层实现较好的保护。
（八）有机盐钻井液对金属的腐蚀性
经中国石油天然气集团公司管材研究所检测密度为1.55g/cm3
的Weigh3溶液对P110油管材料及NK140套管材料的腐蚀率均≈0.01mm/a（毫米/年），基本无腐蚀。
（九）有机盐钻井液对环境的影响
2001年5月—7月在塔里木东河油田DH1-8-6井使用有机盐钻井液的井浆经中油集团环境检测总站检测为无毒。
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：
Φ444.5mmx105m+Φ241.3mmx1265m+215.9mmx2365m
井身结构：
Φ339.7mmx104.12m+Φ140mmx2364.92m
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：
1.10～1.31g/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：
西五井是位于新疆准噶尔盆地南缘西湖背斜山前构造上的一口重点预探井，钻探难度极大，以前在此地区钻的数口井皆因安集海河组、紫泥泉子组地层地质情况复杂而报废，安集海河组、紫泥泉子组特殊地质情况为：
受山前构造影响存在较大水平地应力，地层压力系数较高（高达2.0以上），属超高压力系统。
地层为伊蒙混层（蒙脱石含量高达40%以上）（厚度大于600米），属极易水化分散地层。
该井三开采用81/2"钻头在3925米进入安集海河组地层，钻穿紫泥泉子组地层最后钻达目的层东沟组地层（5200米，未穿）。
该井三开采用高密度有机盐钻井液。
该钻井液基本配方为：
水+0.3%Na2CO3+3%夏子街土+0.1%KOH+2%Vico1+0.1%XC+1.5%Redu1+1%NPAN+2%NFA-25+3%JLX+2%SMPⅡ+2%SPC+50%Weigh2+70%Weigh3+活化铁矿粉
三开转化为有机盐钻井液后，钻井液性能稳定（ρ：
1.80～2.15g/cm3，FV：
50～180S，PV：
55～123mPa·S；YP：
4～33Pa；G：
1-9/2-26；API·FL：
1.0～1.4；HTHP·
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