蔣官澄：仿生與雙疏強封堵高效能水基鉆井液新技術在頁巖（油）氣井中的應用

第九屆中國頁巖氣發展大會圍繞頁巖氣開發產業的產業發展、高效開發、技術創新管理等層面的熱點話題，進行廣泛深入的探討。針對非常規油氣鉆井過程中的油基鉆井存在環境污染、工程質量問題，中國石油大學（北京）石油工程學院教授蔣官澄表示，基于仿生學理論的仿生水基鉆井液技術和雙疏理論的超雙疏水基鉆井液技術為核心 有效解決常規技術手段無法解決的技術瓶頸問題。

以下為中國石油大學（北京）石油工程學院教授蔣官澄現場發言實錄：

尊敬的各位領導：

大家上午好！

我的報告著眼于鉆井業這個小行當在頁巖氣高效勘探開發中的一些作用，希望能夠得到與會各位專家、朋友們的指導！

研究背景與創新性思路的提出

對我們鉆井挑戰最為嚴重和突出的問題就是井壁失穩、阻卡、卡鉆、井漏等等問題，油基鉆井和水井鉆井各有各的優缺點，目前我們在頁巖氣鉆探過程中多數情況下采用的是油基鉆井，但是油基鉆井也存在一些問題，比如說環境污染、工程質量問題等等，由于這個問題的存在，我們就考慮到能不能夠使水基鉆井的抑制性能夠達到油基鉆井的水平甚至超過它，如果能夠實現這點，對我們頁巖氣的高效勘探開發也許有一個推動作用。

這方面的研究最近應該說是成為了國際研究的熱點，并且我們國內，或者說國外近10年來已經通過各種方式手段建立了很多種高性能的水基鉆井液，都建立了很好的高性能水基鉆井液技術，也取得了很好的進展。但是我們真正要達到油基鉆井水平或者超過它應該說還有一段距離，考慮到這個問題，我們想能不能夠將其他學科的一些前沿基礎理論知識引入鉆井領域，采取一些創新性思路和方法，研發原創性的鉆井液技術，來解決上述問題，主要是這個思路。為什么原創性思路呢？剛才前面也說到北美的地質情況和我們的地質情況有很大差距，所以把國外技術拿過來也不一定適用。

 基于這個想法，我們原來思路的提出基于以下的認識：在井壁穩定方面，在國外經歷了幾十年的研究，取得了很多的進展。但是在井壁穩定以下幾方面來說也存在一些問題：比如抑制性問題，最近幾年已經對抑制表面水滑也引起了足夠的重視并且也取得了進展，但是效果還不是很理想，技術上還不是很成熟，這是抑制類方面；另外封堵方面，我們搞鉆機的知道，長期都是封堵僅僅封堵微米及以上尺寸的孔隙，僅幾年研發的納米封堵技術仍然難以徹底解決阻止壓力傳遞；還有就是固化問題，僅僅阻止或減少鉆井液對井壁的破壞不能提高巖石顆粒間內聚強度和巖石膠結力；毛系效應問題，非常規油氣井的毛系現象非常嚴重，通過自吸水導致井壁失穩，許多研究者還沒有認識到，國內外現有的方法和技術不能解決毛系效應問題，如果能使用毛系效應的不利影響轉變為對井壁穩定有利是最佳的方法，如果這些問題能夠解決水基鉆井的抑制性就能夠達到油基鉆井的水平。

還有就是阻止四（音）卡與卡鉆方面，從鉆井液的角度來說，避免或減輕阻卡與卡鉆的最佳方法是往鉆井液中加入球形顆?；蛞后w類潤滑劑，其中液體類潤滑劑發展速度最快，國內外進行了幾十年潤滑劑研究工作，國內潤滑劑均通過改變鉆井液特征和流動性方式發揮作用，效果不理想；國際上最新的方向是潤滑劑中的活性組分與井眼內的自由離子締結在鉆具、井壁表面產生平滑表面，有效控制流動界面內固定有渦流；還有通過鉆具、井壁巖石表面形成微納米乳突結構和大幅降低表面。如何實現？通過仿生鉆井液理論實現抑制、封堵、固化和鍵合型潤滑；我們也建立了井下巖石等表面雙疏性理論，解決毛系效應和自清潔潤滑的問題，最終使毛系效應的不利影響轉變為有利，并且要提高井壁巖石和鉆具表面潤滑性，這是一個理論基礎。在這個理論基礎具體實施的方法，我們就是通過“內外因結合”來解決。

基于仿生學理論的仿生水基鉆井液技術

在這個思路下我們要建立相關的熱點，要基于仿生學理論的仿生水基鉆井液技術。我們要向自然界學習，我們首次將仿生學引入鉆機領域，模仿自然界動植物的結構、功能、原理等，研發系列仿生鉆井液處理劑，形成仿生鉆井液技術，提高巖石顆粒間內聚力、膠結力，減少鉆井液流動截面摩阻等，解決常規技術手段無法解決的技術難題。固壁劑評價確實提高了井壁的強度，抑制劑、封堵劑也確實解決了這個問題。

 我們通過模仿蚯蚓分泌黏液降低摩阻的原理，發明了仿生鍵合型潤滑劑，在鉆井、井壁表面形成潤滑膜，提高鉆速，與“流動型潤滑、自潔型潤滑”相結合，發明了“流動、鍵合、自潔”協同降低井下摩阻的鉆井液新方法和新技術。

并且與美國的潤滑劑單劑進行了對比，優于它，也進行了環保評價。這是第二點。

基于雙疏理論的超雙疏水基鉆井液技術

簡單來說雙疏是既疏于水又疏于油，通過對雙疏處理之后，確實水相和油相接觸角都進行了反轉。

它既疏水又疏油有什么效果？通過線性膨脹、滾動回收試驗也得到了證實，回收率最高；另外從毛細管力來說，從原來的正變成了負，這就實現了我想要的變原來不利變為有利，達到了這個目的。滲透率恢復值也達到了50%以上。

此外，對摩阻也進行了評價，我們是用的劃痕評價，通過摩阻之后劃痕是最淺的，這是北大一個重點實驗室，委托他們進行評價的。包括潤滑系數評價，不僅具有降耗的摩阻效果，并且導入之后效果增強。提速效果也進行了評價，提速效果比其他提速劑相比有較好的提速劑。此外還進行了攜屑效果，可以讓它漂浮起來，增加了一定的上浮力，減少巖屑層的形成。

為什么說一種阻力劑具有很好的效果？其機理我們進行了深入的探討。

以超雙疏劑為核心 有效解決技術瓶頸

仿生與雙疏強封堵高效能水基鉆井液新技術的構建，以超雙疏劑為核心，結合鉆域的地層特點，配套仿生處理劑等，實現了從提高鉆井液性能的外因法轉變為同時改善鉆井液所接觸的固體表面性質的內外因結合，從而從高性能轉變為高效能，有效解決了非常規油氣井鉆探中的技術瓶頸。

基本配方及與典型油基鉆井液性能進行對比和巖屑回收率方面都進行了對比。另外我們又對浸泡強度進行了評價，可以看出強度變高了，分別高于了油基鉆井液，這是以前沒有見到的。

之所以出現這么良好的效果，就是我們根本上實現了固化，實現了很好的抑制，更關鍵是解決了毛細現象，這是其他學者沒有提到的，從而我們就達到了預期的目的。

我們也有好多試驗照片，下面紅框是現場進行試驗的時候，現場技術人員測試率比和常規滲吸對比。

現場應用情況

這套技術應該說在不同類型井中都進行了應用。第一個案例就是昭通頁巖氣SYS145井上成功應用，這個簡單，這是頁巖氣井。但是雖然是直井，由于它是頁巖式，所以它井上風險還是很多，地層也破碎，裂縫有發育等等。這是在這口井上應用的情況?？傊?，我們這套性能非常穩定，防塌與封堵能力強、井徑規則，現場性能維護簡便，全井無掉塊、無井下復雜情況發生，保證了該井的順利完成。整個這套井到今天早晨還剩1.9萬鉆，今天早上我們看到了報告，每天我們都是微信聯系，這口井的難度應該說還是比較大的，這個地區地層垮塌也是很嚴重，對臨井的井徑擴大率達到了40%以上，且嚴重影響起下鉆作為，該井屬于繞障井，繞障變方位、井斜角大、斜井段和水平段易形成巖屑床、鉆具摩阻大等；地層壓力變化大，密度要求范圍寬，增加了漏失的風險；山體構造，斷層多、裂縫發育、極易發生漏失，同一平臺的陽102-H五36-1采用其他水基鉆井液，井塌、卡鉆等復雜情況非常非常頻繁和嚴重。

這是整個鉆井過程中的報表，還不全，應該說性能非常穩定，抑制性強，性能非常穩定。目前這井高難度井段已經鉆完了，后面都比較簡單一點。整個過程中沒有出現垮塌，具有良好的防止井壁穩定，潤滑能力。最關鍵在整個鉆井過程中沒有脫垮塌，起下鉆順利。確實充分展現了我們的潤滑性很好，具有良好的流變性和觸變性，巖屑返出及時、完整，攜巖效果良好。中石油湛江分公司、海服公司等專家到現場進行了考察，得到了專家們的高度認可。

這個照片也充分展示了我們鉆具具有強清潔性，上面這張照片就是三號井，鉆具非常干凈，確實具有強自潔性。相反，下面這張照片可以看到鉆具粘附鉆井液嚴重，泥包現象非常嚴重。

案例分析

再講一個案例，大港油田頁巖油房，這個垮塌非常嚴重。在鉆井過程中和臨井進行對比，鉆井液含量低，摩阻更低，摩阻非常非常低，兩個井完全不一樣。密度，我們在試驗這口井的密度也比這兩個臨井密度低得多，同時現場測試抑制性也比較好，比如說坂含量從25g/l下降到15g/l，也沒有出現高跑漿的現象。這是現場測試的ECD，確實比較低，井徑擴大率也低，經過測試固井質量是達到優質的程度，接近油基鉆井液。

潤滑性也非常好，整個擠壓過程中扭矩始終是在14000nm范圍之內。

這是第三方對井漿室內進行的評價，都具有非常好的封堵性、抑制性，這是第三方的評價。

我們得出了如下結論，首次將仿生學引入鉆井液領域，模仿海洋生物，分別發明了仿生固壁劑、仿生微納米封堵劑和仿生鍵合型潤滑劑；基于本團隊創建的井下巖石表面雙疏性理論發明了超雙疏劑；結合仿生鉆井液理論和雙疏性理論，創建了“仿生與雙疏強封堵高效能水基鉆井液”，使水基鉆井液的抑制性和潤滑性高于油基鉆井液，實現了從“高性能”轉變為“高效能”，解決了非常規等高難度油氣井鉆探中的鉆井液技術瓶頸。

我的匯報到此結束，希望各位專家批評指正！

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