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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一一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XyR（COO1M表示，其中X为杂原子及杂原子基团，R为C0-Cio的饱和烃基，CO伪羧基，M为一价阳离子。
其结构式可表示如下：
旳/0_
阴离子貉构式:
H-'：
-'.'-—]
LXXX
其中有m个儿与禹■联接的炬基有门个，皿个淡与1个dS的价态之和为y
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Viscol、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MaMbMc（OHdO表示，M、M2、为2、3价金属元素、M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：
卩i=卩i°+RTInai，其中「为i组分的化学势，卩「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，a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□水二□水+RTlna水大大
降低
2、各组分之间的相互影响:
n,使得务均有提高的趋势。
&i提忘至Max（ai）后，％就不
再提高。
Max（aj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。
由卩i=「°+RTInai还可知温度
升咼，有利于卩i的提咼，ai的提咼有更大的余地，在温度咼时，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Viscol、Visco2来调整流变性。
Viscol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。
Viscol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：
t水化=4.61TIn（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，t7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
Cacb溶液
20%甘油
溶液
1%FA
液
a水
值
1.00
0.80
0.70
0.35
0.90
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T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+、[NH土表面水化及渗透水化膨胀；
3、有机酸根阴离子XmR（COO匸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110C,纤维素类、淀粉类最高使用温度多数为120C（少数达140C）,聚合物类也大多数只能在150C以下使用；磺化类处理剂（磺化沥青、SMPSPNH等）最高使用温度为180C。
所以现有水基钻井液难于在200C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180C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）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（200C）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）基团，XmRn（COO）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、Es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Es（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（200C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MaMbMc（OH）dQ表示，M、M、M3为2、3、4价元素），在水中抗温可达200C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140C，在有机盐溶液中可抗温至200C。
降滤失剂Redu1、Redu2为线性中小分子量抗盐聚合物，Redul分子主链中以C-C键为主，但也有少量C-O键，Redul可抗温至130C,但在有机盐溶液中可抗温至200C。
Redu2分子主链上全为C-C键，其在水中抗温可达180C，在有机盐溶液中可抗温至200C以上。
Redu1Redu2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-NC-O键。
其在水中可抗温至150C，在有机盐溶液中可抗温至200C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150C，在有机盐溶液中可抗温至200C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Redul、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
（1）有机盐钻井液的基本性能
浆1:
水+0.3%NaCO+2%Redu仆3%NFA-2»25%Weigh34%Visco1
浆2:
水+0.3%Na2CQ+0.1%Xc+1%Redu1+1.0%NPAN+50%Weigh2
+75%Weigh3+2%NFA-25+4%Visco1
浆3:
水+O.3%NaCO+O.1%Xc+1%Redu1+1.5%NPAf+150%Weigh3
+2%NFA-25+4%Visco1
浆4：
水+0.3%NaCQ+1.2%Redu1+0.1%Xc+1.5%NPAN150%Weigh3
+2%NFA-25+4%Visco1+铁矿粉
浆5：
水+0.3%Na2CQ+1.0%Redu1+0.5%NPAN+0.05%Xc+150%Weigh3+2%NFA-25+1%Visco1+铁矿粉
浆6:
水+0.3%Na2CQ+10%高岭土+0.6%Visco2+5%Redu2+100%Weigh3
以下各浆的基本性能见表一
表
序
丫（g/cm3
PH
AV
PV
YP
Go”
G°'
FL
HTHPFL（ml）
口.号
）
（mPa-S
（mPa-S
（Pa
（Pa）
（Pa）
（ml
（150C,3.5MP
）
）
）
）
a）
浆
1
1.18
9.
0
45.5
31.0
13.
5
2.5
3.0
3.2
15.4
浆
1.45
9.
32.5
25.0
7.5
1.0
3.0
1.5
14.0
2
0
浆
1.55
9.
40.0
31.0
9.0
1.0
1.5
0.8
12.0
3
0
浆
2.46
9.
118.0
109.0
9.0
2.0
6.0
1.0
18.0
4
0
浆
2.60
9.
124.0
109.0
15.
2.0
5.0
1.0
16.0
5
0
0
浆
1.46
9.
50.5
36.0
14.
1.0
2.5
0.5
13.0
6
0
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150C热滚16小时后性能见表二
表二
序
丫（g/cm3
PH
AV
PV
YP
G°"
G。
’
FL
HTHPFL（ml）
口.号
）
（mPa-S
（mPa-S
（Pa
（Pa）
（Pa）
（ml
（150C,3.5MP
）
）
）
）
a）
浆
1.18
9.
49.0
26.0
23.
2.0
2.5
4.0
18.0
1
0
0
浆
2
1.45
9.
0
35.0
26.0
9.0
1.0
2.5
2.0
16.0
浆
1.55
9.
32.5
25.0
7.5
1.0
1.5
1.2
13.0
3
0
浆
2.46
9.
121.0
114.0
7.0
1.5
2.0
0.8
17.0
4
0
浆
2.60
9.
96.5
63.0
13.
1.0
4.5
1.0
18.5
5
0
5
浆6在200C热滚16小时后性能见表三
表二
序
丫（g/cm3
PH
AV
PV
YP
Go”
Go，
FL
HTHPFL（ml）
口.号
）
（mPa-S
（mPa-S
（Pa
（Pa）
（Pa）
（ml
（200C,3.5MP
）
）
）
）
a）
浆
1.46
9.
40.5
21.0
8.0
1.0
1.5
1.0
18.5
6
0
这些数据验证了有机盐钻井液优良的抗温性能（可抗200C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，150C热滚16小时后性能见表四
表四
序丫（g/cm3PHAVPVYPG°“G。
’FLHTHPFL（ml）
口.号
）
（mPa-S
）
（mPa-S
）
（Pa
）
（Pa）
（Pa）
（ml
）
（150C,3.5MP
a）
浆
1.46
9.
34.0
26.0
8.0
1.0
3.0
1.0
15.0
2
0
浆
2.46
9.
122.0
110.0
12.
2.0
6.0
0.6
17.0
4
0
0
浆
2.60
9.
130.0
116.0
14.
1.5
2.5
0.5
15.0
5
0
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%NaC后150C热滚16小时后性能
见表五
表五
序
丫（g/cm3
PH
AV
PV
YP
Go”
G°'
FL
HTHPFL（ml）
口.号
）
（mPa-S
（mPa-S
（Pa
（Pa）
（Pa）
（ml
（150C,3.5MP
）
）
）
）
a）
浆
1.46
9.
32.0
25.0
7.0
1.0
2.0
1.5
16.0
2
0
浆
2.46
9.
120.0
111.0
9.0
2.0
5.0
1.0
16.5
4
0
浆
2.60
9.
128.0
112.0
16.
1.0
2.0
0.5
15.0
5
0
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%CaS后150C热滚16小时后性能
见表六
表六
序
丫（g/cm3
PH
AV
PV
YP
G。
"
G°'
FL
HTHPFL（ml）
口.号
）
（mPa-S
（mPa-S
（Pa
（Pa）
（Pa）
（ml
（150C,3.5MP
）
）
）
）
a）
浆
1.45
9.
31.0
25.0
6.0
1.0
2.5
1.0
14.0
2
0
浆
2.46
9.
120.0
109.0
11.
2.0
3.0
1.0
17.0
4
0
0
浆
2.60
9.
121.0
111.0
10.
2.0
4.0
0.6
14.5
5
0
0
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
93.6%
浆496.0%
浆595.3%
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
层
井深
口
岩心号
岩心
岩心
污染
污染
污染
污染
渗透
方
位
长度
直径
前压
后压
前渗
后渗
率恢
号
力
力
透率
透率
复值
三
4796.2
LN2-4-J2-7
2.95
2.50
0.09
0.11
18.8
16.0
84.9
叠
5
2
8
0
6
3
4
1
8
有
系
机
侏
4514.8
LN2-4-J2-2
2.86
2.48
0.05
0.05
32.1
31.5
98.2
盐
罗
0
9
4
8
5
6
5
8
3
泥
系
浆
桑
JF134-7
3.67
2.51
0.11（
）.11
20.1
18.8
93.2
塔
8
6
8
9
2
1
系
聚
—三
4796.0
LN2-4-J2-7
3.00
2.50
0.080.09
22.7
19.3
85.1
磺
叠
6
0
0
8
4
8
9
2
泥
系
浆
侏
罗
系
4513.7
6
LN2-4-J2-1
2
2.93
8
2.48
4
0.9
1.10
2.031
6681.
7
9
配
C
DH4-17
3.21
2.50
0.49
0.554.
003.5
789.0
方
4
2
9
1#
配
C
DH4-6
3.14
2.48
0.21
0.269.
257.4
780.7
方
8
8
7
2#
聚
磺
泥
叠
4748.4
LN2-4-J2-3
3.03
2.48
0.04
0.09
43.6
19.5
44.8
浆
系
9
7
8
8
3
6
2
4
0
滤
液
有
—三
4795.4
LN2-4-J2-6
3.15
2.50
0.530.851.81
1.13
62.3
机
叠
4
4
4
0
9
4
4
盐
系
泥
浆
C
DH4-3
3.16
2.47
0.02
0.03
68.3
50.8
74.3
滤
8
2
9
9
2
0
6
液
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%NaOH1%Visco1+0.3%IND10+1.5%Redu1
+2%NFA-25+30%Weigh2
配方2:
3%搬土浆+0.15%NaOH1%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月一7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
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