2018氯化钙水基钻井液现状及展望

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　　【摘要】文章论述了氯化钙水基钻井液的作用机理，综述了氯化钙水基钻井液研究和应用现状，分析了氯化钙水基钻井液用于页岩气开发过程中需要解决的主要问题。
　　【关键词】氯化钙水基钻井液 作用机理 研究进展 页岩气开发
　　氯化钙水基钻井液是一种以Ca2+提供抑制性化学环境的钻井液。传统意义上的氯化钙钻井液其滤液中Ca2+浓度一般在1000～3500mg/L范围内，属于粗分散钻井液;随着储层保护、钻井提速及井壁稳定技术方面等对钻井液提出更高要求，出现了一种高浓度氯化钙无土相水基钻井液(氯化钙质量分数可达15%以上)。有研究指出，该类钻井液可以有效抑制泥页岩的水化膨胀，对于稳定地层十分有利，有望能够在页岩气开发过程中获得应用。鉴于此，本文通过梳理国内外氯化钙水基钻井液的研究和应用现状，把握氯化钙钻井液的发展趋势，并结合页岩气资源勘探开发对钻井液的技术需求，探讨采用氯化钙水基钻井液用于页岩气资源勘探开发的存在问题和解决方案。
　　一、氯化钙水基钻井液的作用机理
　　传统意义上的氯化钙钻井液一方面通过Na+/Ca2+交换将钠土转变为水化能力更(较)差的钙土，另一方面通过压缩粘土颗粒表面扩散双电层，引起粘土晶片面-面和端-面聚结，使得粘土颗粒分散度下降而实现钻井液获得化学抑制性。
　　高浓度氯化钙无土相水基钻井液，除了具有传统氯化钙钻井液的抑制机理外，更主要是通过降低钻井液活度实现抑制性。该理论认为泥页岩井壁表面与水基钻井液间存在一层非理想的半透膜，而某些无机盐的加入能够明显降低钻井液的活度进而提高半透膜效率、有利于井壁稳定。Talal M.等人利用压力传递装置较为系统地研究了不同条件下无机盐与泥页岩渗透压及泥页岩膜效率之间的关系。其研究结论认为，与Na+和K+相比，由于Ca2+拥有更大的离子水化半径和离子交换能力，因此在相同的水活度及泥页岩条件下，氯化钙溶液的对泥页岩产生的渗透压和膜效率明显高于KCl及NaCl等一价金属盐，更有利于保持泥页岩井壁的稳定。
　　二、氯化钙水基钻井液研究及应用现状
　　K.M.Turner等介绍一种在墨西哥湾深水成功应用的新型无固相氯化钙钻井液体系。该体系针对氯化钙质量分数为35%-38%时，常规聚合物悬浮剂和降失水剂基本失效的问题，研制出一种纤维素类处理剂取代预水化膨润土浆、凹凸棒石及大部分聚合物来提供良好的悬浮性能稳定性和剪切稀释性，同时通过添加一种蜡质处理剂、玉米淀粉及一定尺寸的碳酸钙来控制体系失水。现场采用密度约为1.36 g/cm3的该体系钻井液，其在井眼净化、页岩抑制及封堵渗透性砂层效果明显，并在无隔水导管钻进时成功的防止了墨西哥湾浅层流。
　　针对无固相氯化钙溶液的密度偏低，存在无法满足深井及高压地层的需要的问题，Brunner Mond公司采用加入硝酸钙的方法来增加氯化钙溶液的密度，氯化钙与硝酸钙的比在5：95-95：5之间，复配溶液的密度最低为1.35g/cm3，通常氯化钙和硝酸钙在复配液中的总含量约为35%-70%，且复配液的结晶温度较低，在-10℃以上也不会结晶，适合在低温环境中应用。
　　三、存在的问题
　　页岩气开发过程中，主要采用长段水平井技术，对钻井液携岩性能要求较高。高浓度氯化钙在抑制地层造浆的同时，膨润土也因水化率低而失去提粘、提切的作用，即使采用凹凸棒石土也难以满足高浓度氯化钙条件下对钻井液的流型控制要求。因此钻井液流变性能调节还需依靠高分子增粘剂本体粘度实现。常规使用的增粘剂产品分子链中大多含有-CONH2或-COOH基团，易与钙离子发生反应而失效;同时高浓度Ca2+离子较Na+或K+粒子更易导致高分子化合物电势降低、分子链中亲水基团与水分子间发生去水化作用，更加剧了聚合物增粘剂的高分子链间聚集、沉淀而失效;同时，钻井过程中遇到的温度效应(地层温度)也会加剧Ca2+对处理剂的去水化作用而影响流型调节剂性能。此外，钻井液通常采用纯碱或烧碱调整钻井液的pH值，但在高浓度氯化钙钻井液体系中游离的氢氧根等离子会与钙离子发生反应而导致钻井液严重絮凝，进而会导致钻井液流型和失水失控，因此需要开发出能够稳定调整钻井液pH值的缓释碱物质。通过缓释碱类物质对钻井液pH值的实现缓冲调控作用，更有利于高浓度氯化钙钻井液的流型调节。
　　四、结论和展望
　　近十几年来，氯化钙水基钻井液尤其是高浓度氯化钙无土相水基钻井液获得了广泛的研究和应用，但也暴露出一些问题。国外研究机构已经从开发配套处理剂的角度出发，研发建立新一代的氯化钙水基钻井液体系，但所涉及的具体工艺配方仍处于保密状态;国内的相关处理剂多处于研发阶段，尚未实现大规模现场推广应用。
　　随着对非常规页岩气藏资源认识的不断加深，页岩气开发及环境保护法律法规的不断健全，油基钻井液开发页岩气资源过程中暴露出的钻井液及钻屑生物毒性问题越来越受到关注，基于高浓度氯化钙水溶液对泥页岩地层的强抑制特性，通过配套处理剂的研发，建立起一种能够部分替代油基钻井液的高性能水基钻井液，以较低资金和环保成本实现开发页岩气资源勘探开发，正成为钻井液技术领域的一个重要研究方向。
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