一種高性能深水水基鉆井液體系研究

李懷科，羅健生，耿 鐵,李自立，王 楠 (中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北 燕郊 065201)

一種高性能深水水基鉆井液體系研究

李懷科，羅健生，耿 鐵,李自立，王 楠 (中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北 燕郊 065201)

基于研制的聚胺頁巖抑制劑PF-UHIB和低分子量包被抑制劑PF-UCAP，室內研制出了一種適用于深水作業的強抑制、無土相、高性能深水水基鉆井液體系，并對其性能進行了綜合性能評價。試驗結果表明，該鉆井液體系低溫流變性優異，抗泥頁巖水化分散能力強，鉆屑回收率高達96.6%，儲層保護效果好，滲透率恢復大于85%。

深水水基鉆井液；強抑制；高性能；低溫；儲層保護

海洋深水中蘊藏著巨大的石油資源，已經成為各大石油巨頭公司未來的主戰場和眾多石油服務商關注的焦點。由于深水作業時面臨低溫高壓、氣體水合物、淺層地質災害等技術難題，這給深水石油資源的開發和利用帶了巨大的挑戰[1-2]。油基鉆井液以其優良的性能成為深水鉆井的首選，但頻繁出臺的環境法規，限制了油基鉆井液的應用，取而代之的是環境友好型的水基鉆井液[3]。值得注意的是，在油氣鉆井過程中70%～75%為泥頁巖地層，這將給作業帶來很多復雜問題，如黏附卡鉆、井壁失穩，扭矩增大等[4]。解決這類問題的最好辦法是使用高性能水基鉆井液體系(HPWBM)，該體系主要由頁巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑組成[5]。基于研制的聚胺頁巖抑制劑PF-UHIB和低分子量包被抑制劑PF- UCAP，通過室內試驗研究，最終構建了一套強抑制、無黏土相的高性能深水水基鉆井液體系。

1 主要處理劑研究和性能評價

1.1聚胺頁巖抑制劑

1)抑制性評價 研制出一種聚胺抑制劑PF-UHIB，室內評價了抑制頁巖水化分散能力，并與國外產品的性能進行了對比。具體做法是配制3%聚胺抑制劑溶液，分別在其中加入不同量的膨潤土，在100℃下熱滾16h，測定其流變參數，重點觀察體系表觀黏度AV、動切力YP、Gel(10min)的變化情況。試驗結果如圖1～3所示。結果表明，研制的聚胺與國外產品相比，2種聚胺抑制劑抑制膨潤土的水化分散能力相當，膨潤土的最高加量都達25%。但隨著膨潤土加量的不斷增加，當土的加量超過15%后，PF-UHIB的性能要稍好于國外產品。同時，體系的YP和Gel(10min)具有相同的變化趨勢。即在膨潤土加量較少的情況下，動切力YP和Gel(10min)變化不明顯，當超過某一數值后才會有明顯的上升。

圖1 體系AV隨膨潤土加量變化曲線 圖2 體系YP隨膨潤土加量變化曲線

2) Zeta電位評價 室內在膨潤土基漿中加入不同濃度的聚胺抑制劑，利用Zeta電位儀測定黏度顆粒表面Zeta電位隨胺類抑制劑濃度的變化情況，結果如圖4所示。從圖4結果可以看出，隨著胺類抑制劑濃度加量的增加，黏土顆粒表面Zeta電位不斷升高，當濃度達到一定值之后，Zeta電位基本維持穩定，不再發生變化；研制的聚胺和國外產品的Zeta電位相當，始終是負值，穩定值維持在20mV左右。

圖3 體系Gel(10min)隨膨潤土加量變化曲線 圖4 不同胺類抑制劑濃度對黏土顆粒ZETA電位的影響

1.2低分子量包被抑制劑

為了解決深水作業中傳統包被抑制劑在體系中增稠的現象，利用反相懸浮聚合工藝研制出了低溫黏度低，低分子量包被抑制劑PF-UCAP，并與常用包被劑PLUS進行了對比。

1)低溫黏度評價 室內測定了2種包被劑溶液在不同溫度下的流變性能，結果如圖5，圖6所示。從圖5和圖6可以看出，相同溫度條件下，PF-UCAP的黏度和切力要比PF-PLUS低很多。隨著溫度的降低，2種包被劑黏度之間的差值卻越來越大；而且PF-UCAP的表觀黏度AV和動切力YP受溫度的變化較小。

圖5 不同包被劑溶液的表觀黏度AV對比 圖6 不同包被劑溶液的動切力YP對比

圖7 不同包被抑制劑的滾動回收率對比圖

2)滾動回收率評價 采用頁巖滾動回收率方法分別評價了PF-UCAP對緬甸鉆屑和BZ鉆屑的包被效果，并與PF-PLUS進行了對比，結果如圖7所示。從圖7可以看出，PF-PLUS、PF-UCAP對鉆屑具有很強的包被效果，能夠有效抑制其在水中破碎、分散，滾動回收率都在80%以上。這說明研制的低分子量包被抑制劑的包被能力可與分子量較高的PLUS效果相媲美。

2 體系構建和性能評價

2.1體系構建

通過室內實驗，構建了一套深水水基鉆井液體系(以下簡寫為HEM)，其基本配方如下：海水+Na2CO3+NaCl+PF-UHIB+PF-PAC +PF-UCAP+ PF-FLO + PF-XC。體系中加入NaCl主要是將其作為熱力學抑制劑，在一定程度上抑制氣體水合物的生成；PF-PAC與PF-FLO復配起來能夠起到很好的降失水效果；PF-XC的加入主要是保證體系具有一定的切力，確保體系的懸浮穩定性。

2.2體系綜合性能評價

1)低溫流變性評價 室內配置密度為1.2g/cm3的HEM鉆井液，在120℃條件下熱滾16h，測定4、8、15、25和50℃條件下的流變特性，結果見表1。從表1中數據可以看出，低溫條件下，鉆井液表現出良好的流變特性，體系的黏度變化幅度較小，特別是動切力受溫度的影響小，有利于井下壓力控制。同時體高溫高壓濾失量低，只有8.80ml，泥餅薄而韌，保證了井壁穩定。

表1 高性能深水水基鉆井液體系的低溫流變參數

注：PV為塑性黏度；FLAPI為API濾失量；FLHTHP為高溫高壓濾失量。

圖8 體系過100目篩 圖9 滾后鉆屑

2)過篩能力評價 將上述HEM體系冷卻至8±0.5℃左右，用100目篩在動態條件下評價體系的過篩能力，體系過完篩后見圖8。從圖8可以看出，篩布上基本沒有篩余物，說明低溫條件下該體系的過篩能力良好，不會出現糊篩現象。

3)包被抑制性評價 取BZ明化鎮組易分散泥頁巖過6～10目篩，在105℃下烘干2h，冷卻至室溫后將其加入HEM體系中，在120℃條件下熱滾16h，取出烘干稱重，用滾動回收率評價體系的抑制效果，同時還測試了體系的防膨率，滾后鉆屑如圖9所示。結果表明，研制的HEM體系能很好地抑制泥頁巖的水化分散和膨脹，滾動回收率高達96.6%，防膨率高達93.1%。且熱滾后的鉆屑顆粒粒徑均一，基本保持原樣，沒有發生形態上的改變。

4)儲層保護效果 根據中國石油天然氣行業標準SY/T 6540-2002《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》。試驗采用天然露頭巖心，用JHDS-Ⅲ高溫高壓動失水儀模擬實際井下條件，測定HEM體系污染前后巖心的油相滲透率，用滲透率恢復值來評價該鉆井液體系的儲層保護效果，結果如表2所示。2塊巖心的滲透率恢復值均達到85%以上，說明研制的HEM體系具有很好的儲層保護效果。

表2 HEM體系的儲層損害試驗結果

3 結 論

(1)研制的聚胺抑制劑PF-UHIB能夠很好的抑制泥頁巖的水化分散能力，膨潤土的加量最高加量可以達到20%，性能基本接近國外同類產品。

(2) 研制的低分子量包被抑制劑PF-UCAP低溫黏度低，包被鉆屑能力強，滾動回收率大于80%。

(3) HEM鉆井液體系低溫流變性優異，體系的黏度變化幅度較小，特別是動切力受溫度的影響小，有利于井下壓力控制。

(4)HEM體系低溫條件下過篩能力良好，不會出現糊篩現象。

(5)研制的HEM體系的頁巖滾動回收率高，達96.6%，能很好地抑制泥頁巖的水化分散。

(6)儲層損害評價結果表明，體系的滲透率恢復大于85%，儲層保護效果好。

[1]李懷科,王楠,田榮劍，等. 深水條件下氣制油合成基鉆井液流變性和流變模式研究[J].中國海上油氣,2010,22(6):406-408.

[2] 田榮劍,王楠,李松，等.深水作業中鉆井液在低溫高壓條件下的流變性[J].鉆井液與完井液,2010,27(5):5-7.

[3] 張克勤,何綸,安淑芳，等.國外高性能水基鉆井液介紹[J].鉆井液與完井液,2007,24(3):68-73.

[4] Ronald P. Stelger, Peter K. Leung. Quantitative Determination of the Mechanical Properties of Shales[J]. SPE18024,1992.

[5] Nima Gholizadeh-Doonechaly,Koroush Tahmasbi, Ehsan Davani. Development of High-Performance Water-Based Mud Formulation Based on Amine Derivatives[J].SPE121228, 2009.

2013-06-18

中海油服研究項目(YHB11YF012)。

李懷科(1983-)，男，工程師，現主要從事深水鉆井液方面的研究工作。

TE254.1

A

1673-1409(2013)26-0096-03

[編輯] 洪云飛