我国在复杂地层深井钻探中频繁遇到复杂地层井壁容易失稳的重大难题,严重影响了安全优质快速钻井并降低了经济效益。防止或阻止钻井液中的水进入泥页岩地层是保护井壁稳定的先决条件。目前,保护井壁防塌技术主要有物理封堵和化学抑制两种,这些防塌钻井液技术的采用具有很好的作用效果,但未能完全解决泥页岩地层的井壁失稳问题,分析认为存在如下难解决的问题:①泥页岩孔隙很小,难以有效封堵水进入;②致密泥饼的形成有一个时间过程,水已经进入;③均没有考虑改变亲水通道的毛细管吸力作用。论文围绕上述需解决的问题并结合四川省重大培育课题提出了一种新的水基钻井液防塌技术方法—亲水通道改变法,使钻井液中疏水物质参与形成泥饼,将原来泥饼的亲水性毛细通道转变为弱亲水甚至不亲水的毛细通道,使毛细管吸力减小或转变成毛细管阻力,阻止井筒中钻井液滤液进入水敏性泥页岩地层,从而解决井壁地层因吸水而失稳的问题。论文围绕亲水通道改变法展开了研究,取得的主要成果和认识如下:(1)采用间接酯化法对淀粉进行疏水改性,合成了疏水降滤失剂SDG。采用红外光谱对SDG的结构进行了表征,SDG具有酯基基团,说明发生了酯化反应;对引入淀粉中的碳链长度、取代度进行了优选,结果表明丁二酸酐为酯化剂时,取代度在0.005-0.04左右的产品SDG,降滤失效果较好;评价了 SDG在钻井液中的性能,SDG的抗温能力可达150℃,对钻井液基本没有增粘效果,但抗盐效果不佳。(2)采用不同改性剂对碳酸钙进行疏水改性,研制了疏水架桥剂STG。分析了碳酸钙疏水改性的影响因素,其中改性剂种类和加量影响最大;采用活化度、沉降体积和吸油值表征碳酸钙的疏水程度;采用红外光谱仪对改性前后碳酸钙的结构进行了表征,结果说明改性后碳酸钙引入了疏水基团;采用激光粒度仪分析了改性前后碳酸钙的粒度变化,疏水改性碳酸钙的平均粒径比未改性碳酸钙的平均粒径小;分析了改性前后碳酸钙zeta电位随不同pH值变化情况,发现疏水改性碳酸钙zeta电位受pH影响比较大,油酸改性碳酸钙分散稳定性要优于其他改性剂改性碳酸钙的分散稳定性;对疏水架桥剂STG的抗温性、相容性均进行了分析,疏水改性碳酸钙STG的抗温性良好,与其他高分子处理剂的相容性也较好;还采用扫描电镜分析了改性前后碳酸钙形貌,结果表明改性前后碳酸钙形貌变化不大,基本均为立方形。(3)在自制疏水处理剂SDG和STG的基础上,优选出其他处理剂,形成了抗温能力可达150℃的钻井液体系。该钻井液体系抗盐钙能力不佳,对钻屑的容纳量可达5%以上,抑制性能很好;钻井液的24h沉降稳定性也很好;钻井液老化过后平均粒径远小于老化之前;泥饼微观结构分析也可以看出,形成的泥饼非常致密;钻井液的zeta电位与膨润土浆相比,降低了很多,这可能是因为引入的疏水基团造成的。体系中分别加入疏水碳酸钙和亲水碳酸钙,结果说明体系加入疏水碳酸钙后降滤失效果要优于加入亲水碳酸钙的。(4)通过垂置毛管自吸实验可以得出,亲油页岩渗透率相近的情况下,吸水少,吸油多;亲水砂岩渗透率相近的情况下,无压差无循环下,在弱亲水或疏水通道形成之前,未加疏水处理剂钻井液的自吸量和加入疏水处理剂钻井液的自吸量相差不多,但形成弱亲水或疏水通道后,加入疏水处理剂钻井液的自吸量小于未加入疏水处理剂的;从岩心流动实验数据可以发现,加入疏水处理剂钻井液的吸水长度和吸水重量都小于未加入疏水处理剂钻井液,且对地层损害程度小于未加入疏水处理剂钻井液,这也证实了该钻井液体系作用机理为:在钻进时,正压差下,钻井液中引入的疏水物质会在井壁岩石孔隙和泥饼孔隙中形成弱亲水或疏水通道,毛细管吸力转变为毛细管阻力,阻止或减少钻井液中的滤液进入泥页岩地层,防止井壁因吸水而失稳。论文通过理论和实验研究,证实了改变井壁岩石和泥饼通道的钻井液技术的可行性,其研究结果将对丰富防塌钻井液技术具有深刻的理论参考和实际意义。