摘要：为提高水基钻井液在井壁稳定性、滤失控制和环保性方面的综合性能，满足日益严格的环保要求与钻探效率的双重需求，研究开发出了一种新型、高性能环保水基钻井液固壁剂。采用实验室合成与配方优化方法，结合物理化学性质测试与钻井液性能评估的综合分析手段，研究该固壁剂对水基钻井液性能影响。通过优化固壁剂化学组成，评估其在不同钻井条件下的应用效果，特别是在降低滤失量、改善泥饼质量和提高井壁稳定性方面的表现。结果表明，通过配方优化得到的新型固壁剂，能够改善水基钻井液的物理化学性质与钻井性能，可为实现高效、环保的钻探作业提供技术支持。
关键词：钻井液,固壁剂,滤失量控制,滤失量
0引言
钻井作业是油气田开发过程中的关键环节，钻井液性能直接影响到钻探效率与安全性。传统水基钻井液虽然在环保方面具有优势，但在滤失控制、井壁稳定等方面性能仍有待提升。使用固壁剂可以改善以上问题，但部分传统固壁剂在提升性能的同时，对环境会造成负面影响。因此，开发一种既能提升钻井液性能又具有良好环保性能的固壁剂，成为当前钻井液研究的重要方向。本研究基于此背景，通过对固壁剂配方的优化与性能评估，探索了一种新型环保水基钻井液固壁剂的开发与应用，以期实现提高钻井作业效率与满足环保要求双重目标。
1实验材料及方法
1.1实验材料
1.1.1固壁剂原料
固壁剂原料包括改性黄原胶和合成聚丙烯酰胺作为主要聚合物基质，黄原胶质量浓度设定为0.5%,具有约1 000 000 Da的分子量，聚丙烯酰胺以0.1%的质量浓度添加，分子量约为5 000 000 Da。并采用纳米级硅粉作为无机填料，平均粒径约50 nm，以改善泥饼质量，提升固壁效果。质量比例约为0.2％的四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒被用作交联剂，增强聚合物网络的稳定性。所有化学品均为分析纯。在实验过程中，先准确称量各组分，再在搅拌器中以1 000 r/mim的速度彻底混合至均匀，以确保固壁剂的均质性与有效性。实验在室温（25℃±2℃)下进行，确保实验条件的一致性与可重复性。
1.1.2水基钻井液配方
水基钻井液配方采用去离子水作基液，以羧甲基纤维素（CMC，0.7 g/L）与聚合硫酸铵（PAS，0.5 g/L）调节黏度与流变性质，使用氢氧化钠（NaOH）溶液调节pH值至9～11，确保钻井液适应不同地层条件。重晶石粉按需添加以调节钻井液比重，满足下钻压力平衡需求，具体添加比例根据实际钻探深度和压力条件调整。加入质量浓度为2 g/L的锌基抑制剂减少黏土膨胀，稳定井壁。所有组分均为分析纯，并在实验前准确称量，在搅拌器中以1 000 r/mim速度混合至均匀，确保钻井液的性能稳定。实验在25℃±2℃的室温条件下进行，保证实验环境的一致性[1]。
1.2实验设备
1.2.1实验室设备
1）搅拌器：IKA RW 20数字搅拌器，具有0~2 000 r/mim的调速范围，可确保钻井液和固壁剂的均匀混合。
2）电子天平：梅特勒－托利多ME204电子天平，精度达到0.1 mg，用于准确称量化学试剂。
3）烘箱：宝钢BPX-902-1A电热恒温干燥箱，温度范围为室温至300℃,用于样品的干燥和热处理。
4）加热板：Corning PC-420D加热磁力搅拌器，温度控制范围为室温至550℃,用于加热实验样品。
5）pH计：Hanna Instruments HI2211 pH/ORP Ben-chtop Meter，pH测量范围为0.00～14.00，精度为±0.01，用于监测与调节钻井液的pH值。
1.2.2分析仪器
1）流变仪：Anton Paar MCR 302流变仪，测量范围为0.1～1 000 s-1的剪切速率，用于评估钻井液的流变性质。
2）高压滤失仪：OFITE 171-00高压高温滤失测试仪，最大工作压力为500 PSI（约3.45 MPa），温度控制最高可达200℃,用于测定钻井液在模拟井下条件下的滤失性能。
3）电子显微镜：JEOL JSM-7600F场发射扫描电子显微镜，最高放大倍数可达100 000倍，用于观察固壁剂与钻井液泥饼的微观结构。
4）X射线衍射仪：Bruker D8 Advance X射线衍射仪，用于分析固壁剂和钻井液泥饼的矿物组成与晶体结构。
5）热重分析仪：TA Instruments Q50 TGA热重分析仪，测量范围为室温至1 000℃,用于评估固壁剂和钻井液的热稳定性。
1.3实验方法
1.3.1固壁剂的合成
在固壁剂的合成过程中，首先准备分析纯的改性黄原胶和聚丙烯酰胺，将它们分别以0.5％和0.1％的质量比溶解于去离子水中。使用IKA RW 20数字搅拌器以600 r/mim的恒定速度搅拌，直到聚合物完全溶解形成均匀的溶液。随后，缓慢加入平均粒径为50 nm的纳米级硅粉和0.2％质量比的四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒作为交联剂，继续搅拌1 h，以确保填料和交联剂在聚合物基体中均匀分散。之后，将混合物倒入预先准备的模具中，在25℃±2℃的环境下静置24 h，以促进固壁剂的初步固化。固化后的样品转移至宝钢BPX-902-1A电热恒温干燥箱，设置于50℃下干燥48 h，移除残余水分并进一步增强固壁剂的结构强度。整个合成过程在无尘室条件下进行，避免杂质污染，确保固壁剂的纯度与性能[2]。
1.3.2配方设计
在配方设计中采用响应面法对改性黄原胶、聚丙烯酰胺、纳米硅粉及四氧化三铁纳米颗粒的质量浓度进行优化，目标是实现固壁剂在井壁稳定性、滤失量控制及环保性方面的最佳综合性能。将改性黄原胶的质量浓度范围设定为0.3％～0.7％，聚丙烯酰胺的质量浓度范围设定为0.05％～0.15％，纳米硅粉的质量浓度范围设定为1％～3％，四氧化三铁纳米颗粒的质量浓度范围设定为0.1％～0.3％。并通过性能评价指标（如钻井液黏度、滤失量、泥饼质量和井壁稳定性）进行量化。最终确定最优配方为0.5％改性黄原胶、0.1％聚丙烯酰胺、2％纳米硅粉和0.2％四氧化三铁纳米颗粒。
1.3.3试验评价指标
试验评价指标集中在固壁剂改良水基钻井液的黏度、滤失量、泥饼质量及井壁稳定性等核心性能参数。黏度（单位：mPa·s）是通过Brookfield旋转黏度计在25℃下测定，直接影响钻井液的携岩能力与流动特性。滤失量（单位：mL）采用API标准滤失测试，反映钻井液在模拟井下高压条件下的流失情况。泥饼质量通过干燥后的泥饼质地、厚度和致密性进行评价，使用电子扫描显微镜（SEM）进行微观结构分析，泥的稳定性与均匀性是保证钻井过程中井壁稳定的重要因素。井壁稳定性通过模拟井壁失稳实验来评估，考察固壁剂在钻井液中的加入对井壁抗坍塌能力改善，通过测定不同条件下的井壁剪切强度来体现[3]。
2结果与分析
2.1固壁剂的物理化学性质
固壁剂黏度与流变性质如表1所示，经过固壁剂配方优化与性能评估，在黏度与流变性质方面，优化后的钻井液展现出良好的剪切稀化行为，温度为25℃时，表观黏度从未改良前的40 mPa·s提升至60 mPa·s，塑性黏度从10 mPa·s增加到20 mPa·s，表明固壁剂增强了钻井液的携岩能力与流动控制。滤失量控制方面，通过高压高温滤失测试，30 mim内的滤失量从未改良前的15 mL降低至优化配方的8mL，减少了约50％，表明固壁剂可提升钻井液的滤失控制性能。在pH值与比重调节方面，优化后的钻井液pH值稳定在9～9.5之间，体积质量调整至1.2 g/cm3，pH值范围有利于保护地层与防止腐蚀，适宜的比重有助于平衡地层压力，防止井漏、井塌。研究结果表明，通过固壁剂加入与配方的优化，可提升水基钻井液的整体性能。
2.2固壁剂对钻井液性能的影响
2.2.1滤失量的影响
固壁剂对钻井液性能的影响显著，在降低滤失量方面的效果，如表2所示，可直观地看到固壁剂改良效果。优化前，钻井液在标准API滤失测试条件下（压力为689.5 kPa，温度为25℃),30 mim滤失量平均值为15mL。引入固壁剂进行配方优化后，相同测试条件下的30 mim滤失量显著降低，平均值达到8 mL。结果表明，固壁剂能够有效提高钻井液滤失控制性能。在高温高压HPHT滤失测试中，30 mim滤失量得到了显著控制，从未改良前的25 mL降低至12 mL，展现出固壁剂对钻井液在极端条件下滤失控制能力的增强。固壁剂通过改善钻井液的黏度与流变性质，增强泥饼致密性与稳定性，可提高钻井安全性，减少对地层的环境影响。
2.2.2泥饼质量的影响
如表3所示，在优化配方后，泥饼的物理性能得到了明显改善。泥饼厚度从未改良前的3.2 mm降低至1.8 mm，反映出固壁剂减少了泥饼的生成量，有助于维持井壁稳定性。抗剪切强度从0.5 MPa提升至0.8 MPa，表明固壁剂增强了泥饼的机械稳定性，可预防井壁塌陷，提高钻探作业的安全性。泥饼的水分质量分数由28％降低至20％，表明固壁剂可减少钻井液中的水分损失，增强泥饼的结构稳定性与密实度。
2.2.3井壁稳定性的影响
如表4所示，添加固壁剂后的钻井液在维持井壁稳定性方面性能有了显著提升，井壁稳定时间从未改良前的平均4 h增加到了优化配方后的5.6 h，增长约40％，表明固壁剂增强了钻井液的抗压缩与渗透阻力，从而提高了井壁的稳定性。在泥饼孔隙率指标上，优化后的泥饼结构更加致密且均匀，孔隙率为12%, 远低于未改良前的20％，研究表明固壁剂的加入可改善泥饼泥饼孔隙率，增强其对井壁的保护作用。
3结语
本研究设计了一种新型高性能环保水基钻井液固壁剂，实验结果表明，优化后的固壁剂能降低钻井液的滤失量，改善泥饼质量，增强井壁稳定性。具体而言，固壁剂的加入能够有效提升钻井液的表观黏度与塑性黏度，减少滤失量，泥饼厚度降低且结构更加致密均匀，井壁稳定时间延长，有效提升了钻探作业的安全性与效率。这些改进不仅可满足高效、环保钻探作业的需求，也为后续的钻井液研究提供了价值参考。
参考文献
[1]曹晓晖，张祥.仿生固壁钻井液技术在苏53区块水平井水平段应用[J].山东化工，2023，52（21）：212-214.
[2]高书阳，汤志川，宋碧涛，等.川西断缝体储层封堵固壁钻井液技术[J].钻井液与完井液，2023，40（5）：556-562.
[3]范胜，蒋官澄，易浩，等.抗高温封堵固壁防塌水基钻井液研究与应用[J].钻采工艺，2023，46（2）：146-152.
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