抗高溫高密度鉆井液體系的研究

樊 營，王浩任，魏 霞，王 松 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北荊州434023）

范 昕 （中南民族大學化學與材料科學學院，湖北 武漢430074）

鉆井液是關系到鉆井尤其是深井鉆井成敗的重要因素。開發(fā)鉆井液處理劑和性能優(yōu)良的鉆井液體系，是深井和超深井鉆進過程中面臨的首要問題。眾所周知，在鉆井過程中，由于地溫梯度和地層壓力梯度的存在，井眼越深，井的溫度和壓力就會變得越高，而鉆井液在高溫下很容易失去其原有性能。同時，又容易使井壁不穩(wěn)定和誘發(fā)卡鉆等井下復雜事故。由于深井井底溫度可達200～250℃或更高，壓力可達150～200MPa，一般認為高壓對水基鉆井液性能沒有顯著影響，而溫度的影響卻十分顯著，因而研制一種抗高溫高密度鉆井液體系具有十分重要的意義[1-3]。為此，筆者進行了抗高溫高密度鉆井液體系的研究。

1 試驗部分

1.1 藥品與儀器

1）藥品 SMP-2、SPNH、KPAM、NaPAN、PAC、K-PAM、PSC-2、K2Cr2O7和重晶石，以上藥品均為工業(yè)級；NaOH、NaCl、CaCl2和無水碳酸鈉，以上藥品均為分析純；膨潤土 （一級）；JLX-2水基潤滑劑。

2）儀器 ZNN-D6六速旋轉粘度儀；ZNS-2AAPI失水儀；XJ-500五軸高攪拌器；HTHP失水儀；1002泥漿比重計；GRL-1滾子加熱爐；0299托盤天平；JA-2103N精密天平；GGS42-2型高溫高壓膨脹儀；JB50-D電動攪拌器；馬氏漏斗粘度計。

1.2 抗高溫高密度鉆井液體系的配制

1）基漿的配制 取10L熱水 （50～70℃）邊攪拌邊緩慢加入400g膨潤土和2.5%NaCO3（膨潤土含量），待膨潤土分散均勻后將配好的基漿靜置24h待用。

2）抗高溫高密度鉆井液的配制 取基漿500ml，攪拌均勻約15min，再慢慢加入所需的各種處理劑，高速攪拌至均勻，再緩慢加入3.0%的NaCl高速攪拌30min至均勻。抗高溫 （200℃）高密度（2.2g／m3）水基鉆井液體系的具體配方為：4%鈉膨潤土基漿＋1.5%SMP-2＋1.5%SPNH＋2%PSC-2＋0.1%K-PAM＋1%JLX-2水基潤滑劑 ＋0.1%K2Cr2O7＋0.2%PAC＋1%NaPAN＋0.1%燒堿＋3%KCl＋適量重晶石。

2 結果與分析

2.1 流變性評價

將預先配制好的鉆井液進行充分攪拌，然后倒入旋轉粘度計的量筒杯中，使液面與粘度計外筒的刻度平齊，評價其流變性，結果如表1所示。從表1可以看出，API失水量為4.8ml，小于5ml，HTHP失水量為12.4ml，小于15ml，失水量均在抗高溫高壓鉆井液的性能指標范圍之內(nèi)；YP值為10Pa，而PV值為23mPa·s，說明其流變性較好，能夠滿足平板型層流攜巖的要求。

表1 鉆井液的常規(guī)性能

2.2 抗高溫性能評價

將配制好的鉆井液倒入滾子爐里，擰緊蓋子，在140～210℃條件下加熱滾動16h，待冷卻后，倒入杯中高速攪拌5min至均勻，然后測定鉆井液高溫性能，試驗結果如表2所示。從表2可以看出，該鉆井液在溫度由140℃增加到200℃時，其各項性能指標變化不大，但由200℃增至210℃時，其性能變化較大，因此該鉆井液可以抗200℃的高溫。

表2 鉆井液抗溫性能評價

2.3 沉降穩(wěn)定性評價

鉆井液的沉降穩(wěn)定性如表3所示。從表3可以看出，抗高溫高密度鉆井液經(jīng)過48h靜置后，上下密度差為0.02g／cm3，靜 置 72h 后，上下 密 度 差 也 僅 為0.04g／cm3，說明該鉆井液懸浮性較好，符合高密度鉆井液的沉浮穩(wěn)定性要求。

表3 鉆井液的沉降穩(wěn)定性

2.4 抗鹽性能評價

在研制的鉆井液體系中分別加入3%～25%的NaCl，評價其抗鹽性能，結果如表4所示。從表4可以看出，該配方加入濃度為20%的NaCl后，其鉆井液性能均變化不大，但將NaCl的濃度由20%增至25%時，其性能變化較大，說明該鉆井液可以抗20%的NaCl。其原因是由于該鉆井液體系使用了SPNH、SMP和PSC-2，上述處理劑的親水基團主要是磺酸基，其親水性極強，在含鹽環(huán)境和含鈣環(huán)境中均具有良好的溶解性，并給粘土帶來足夠厚的水化膜，保證鉆井液體系具有較好的抗鹽性[4]。

表4 鉆井液抗鹽性能評價

2.5 抗鈣性能評價

在研制的鉆井液體系中分別加入0.2%～1.2%的CaCl2，評價其抗鹽性能，結果如表5所示。從表5可以看出，加入0.2%～1.0%的CaCl2后，鉆井液的各項指標變化不大。但CaCl2的濃度由1.0%增至1.2%時，其性能參數(shù)變化較大，說明該鉆井液配方可以抗1.0%CaCl2，具有良好的抗鈣性能。

表5 鉆井液抗鈣性能評價

2.6 抑制性評價

取350ml鉆井液于高速攪拌杯中，加入待評價的處理劑后高速攪拌15～30min，使處理劑充分分散，然后將其倒入滾子爐老化罐中，再加入30g 6～10目鉆屑 （取自新疆油田某井）混勻，在120℃下滾動16h后，用40目篩過濾出未分散的鉆屑，干燥稱重為W，計算頁巖滾動回收率 （回收率＝（W／30）×100%）。回收率越大，處理劑抑制性越強；反之抑制性越差。試驗結果如表6所示。從表6可以看出，基漿對鉆屑的抑制性能不好，配制的高溫高密度鉆井液體系的鉆屑熱滾回收率已超過90%，與兩性離子聚合物鉆井液體系的回收率相差不大，說明該鉆井液體系的頁巖抑制性能較好。

表6 鉆井液抑制性評價

2.7 油氣層保護效果評價

為了評價抗高溫高密度鉆井液對儲集層的保護效果，選取77號和198號人造巖心，其空氣滲透率分別為129.3×10-3μm2和113.4×10-3μm2進行高溫高壓動態(tài)損害試驗，同時用一塊空氣滲透率為224.9×10-3μm2的284號人造巖心進行對比試驗 （用基漿損害）。先將巖心抽成真空，再用標準鹽水飽和，然后在室溫下分別測鉆井液前后巖心對煤油的滲透率，試驗結果如表7所示。由表7可以看出，284號巖心被基漿損害后，滲透率恢復值僅為69.5%；77號和198號巖心被抗高溫高密度鉆井液損害后，滲透率恢復值均在90%以上，說明該鉆井液的油氣層保護效果較好。

表7 巖心動態(tài)損害試驗

3 結 論

1）抗200℃高溫的高密度2.2g／m3的水基鉆井液體系的具體配方為4%鈉膨潤土基漿＋1.5%SMP-2＋1.5%SPNH＋2%PSC-2＋0.1%K-PAM＋1%JLX-2水基潤滑劑＋0.1%K2Cr2O7＋0.2%PAC＋1%NaPAN＋0.1%燒堿＋3%KCl＋適量重晶石。

2）該鉆井液體系具有良好的沉降穩(wěn)定性、抗溫性、流變性、抗鹽性、抗鈣性和頁巖抑制性。

3）該鉆井液體系對人造巖心的滲透率有較好的保護作用。

[1]王松，胡三清.高溫高密度鉆井液完井液體系室內(nèi)研究 [J].河南石油，2003，17（2）：46-48.

[2]周長虹，崔茂榮，馬勇，等.深井高密度鉆井液的應用及發(fā)展趨勢探討 [J].特種油氣藏，2006，13（3）：1-3，11.

[3]蒲曉林，黃林基，羅興樹，等.深井高密度水基鉆井液流變性、造壁性控制原理 [J].天然氣工業(yè)，2001，21（6）：48-51.

[4]張斌，盧虎，王秀平，等.克拉4井超高密度鉆井液現(xiàn)場應用技術 [J].鉆井液與完井液，2007，24（5）：22-25.