高性能水溶性加重劑室內性能研究

劉音，田惠，周振良

（中石油渤海鉆探工程技術研究院，天津塘沽300457）

高性能水溶性加重劑室內性能研究

劉音，田惠，周振良

（中石油渤海鉆探工程技術研究院，天津塘沽300457）

針對常規高密度鉆井液體系固相含量過高造成體系流變性變差、制約機械鉆速提高等問題，本文對合成的水溶性加重劑進行了研究，評價了產品加量與密度的關系、頁巖抑制性能、潤滑性能、與體系的配伍性能等。由室內評價結果可知，在20℃時，水溶性加重劑飽和水溶液密度達1.35 g/cm3，且潤滑性、頁巖抑制性能突出，另外，將水溶性加重劑加入本院牛東2井鉆井液體系配方中，發現它與體系其它助劑配伍性良好。從產品高溶解度、良好的頁巖抑制性、潤滑性、體系的配伍性來看，水溶性加重劑產品實現了一劑多用途。

水溶性加重劑；頁巖抑制性；潤滑性；高溶解度

近年來，隨著深井、超深井、高壓井數量的增多，對鉆井液技術的要求越來越高。油基鉆井液可較好地解決對油層的影響和對鉆具的腐蝕問題，但污染環境，且成本較高［1］。普通水基鉆井液雖然成本較低，但在解決技術性能及其穩定性、井壁穩定、對機械鉆速的影響、對油層的影響、對鉆具的腐蝕等問題上受到限制［2］。目前的研究工作主要是針對常規水基鉆井液聚合物、聚磺鉆井液進行改進，盡管取得了一定的進展，但其中主要問題還沒有根本解決。

為滿足深井、超深井、高壓井、復雜井鉆井工程需要，要求鉆井液密度合適，流變性好，濾失造壁性能好，抑制性強［3］。常規普通鉆井液在解決這些問題方面皆受到一定的限制，尤其是流變性問題。通常的處理方法是使用非水溶性惰性加重劑，這種方法可使鉆井液的密度達到要求（可滿足2.0 g/cm3密度以上的要求），但同時帶來鉆井液固相含量過高，塑性粘度（PV）明顯提高，如土的含量稍有增加，其動、靜切力（YP、G）就會大幅度提高，造成鉆井液流變性差，鉆速慢，且容易發生井下復雜情況，嚴重時鉆井液變成滴流甚至不能流動，使鉆井作業難以進行［4-5］，為解決這一問題，通常采用加水稀釋鉆井液，加降濾失劑的方法，這樣又要重新加重，造成“鉆井液稠→加水稀釋→加降濾失劑→加加重劑→增稠→再加水稀釋→再加加重劑→增稠→……”的惡性循環。最后可能造成鉆井液過稠，難以流動，只能排放鉆井液，重新配漿。

綜上，現需要研究水溶性加重劑不但具有高溶解度、高密度，且抗鹽、頁巖抑制等性能突出，實現一劑多用途。

1　實驗部分

1.1實驗原料

主要原料：水溶性加重劑（渤海鉆探工程技術研究院）、鈣膨潤土、巖屑、氯化鈉、石膏、聚合醇、碳酸鈉等，試劑均為工業級。

1.2實驗儀器

主要儀器：測試頁巖膨脹儀器、EP-2型極限壓力潤滑儀、精密電子天平、恒溫磁力攪拌器、電熱鼓風干燥箱等。

1.3水溶性加重劑的制備

水溶性加重劑粉末由加重劑主劑和加重劑副劑兩個部分組成。加重劑主劑是鉀、鈉、胺等有機酸鹽、有機酸季銨鹽的混合物；加重劑副劑是鉀、鈉、胺的天然高分子改性后得到的產物。將兩個部分混合后，能形成密度較高的水溶液。

1.4頁巖膨脹性能測試

稱取105±3℃下烘干的鉆井液用鈣膨潤土10 g（稱準至0.01 g），裝入測筒內，并將塞桿插入測筒，在壓力4 MPa下保持5 min后，測量一定濃度溶液的8 h巖芯的線膨脹量，根據公式計算相對膨脹降低率。

1.5巖屑滾動回收率測試

所用巖屑為濱深某個井3 228 m～3 546 m井段的巖屑。取6～10目的巖屑40 g，產品加量為10%，30%和50%時熱滾120℃/16 h后，篩取40目巖屑，105± 3℃烘干后，根據公式計算巖屑滾動回收率。

2　結果與討論

2.1加量與密度的關系

將一定質量的高性能水溶性加重劑溶解于水中，得到一定質量濃度的水溶液，測其密度，得到質量濃度與密度的關系（見圖1）。當W/V水百分比值從10%增加到100%時，其水溶性加重劑的密度由1.05 g/cm3增加到1.35 g/cm3，飽和水溶性加重劑溶液的密度最大值為1.35 g/cm3。

圖1　質量濃度與密度之間的關系

2.2抑制性能評價-巖芯線性膨脹

稱取105±3℃下烘干的鉆井液用鈣膨潤土10 g（稱準至0.01 g），裝入測筒內，并將塞桿插入測筒，在壓力4 MPa下保持5 min后，測30%溶液的8 h巖芯的線性膨脹量（見圖2）。

圖2　30%水溶性加重劑溶液隨時間變化的巖芯線性膨脹曲線

由圖2可知，5 h以后巖芯的線性膨脹量變化不大，數值為11 mm左右。比較8 h清水和30%濃度水溶性加重劑的線性膨脹數值，通過公式計算，相對膨脹降低率值為22.36%。

2.3抑制性能評價-巖屑滾動回收率

所用巖屑為濱深某井3 228 m～3 546 m井段的巖屑。取6～10目的巖屑40 g，產品加量為10%，30%和50%時熱滾120℃/16 h后，篩取40目巖屑，105±3℃烘干后，計算巖屑滾動回收率（見表1）。

由表1所示，水溶性加重劑產品加量為10%，30%和50%時熱滾120℃/16 h后的巖屑滾動回收率值依次增加，說明抑制作用依次增強。

2.4潤滑性能評價

將水溶性加重劑加入到本院鉆井液體系配方中，用極限壓力潤滑儀測其潤滑性能（見表2）。

表1　巖屑滾動回收率數值

表2　水溶性加重劑潤滑性能數據

表3　牛東2井鉆井液體系數據

由表2可知，熱滾前，不同密度的兩個體系的流變和濾失性能相當，但120℃/16 h熱滾后，密度和pH值保持不變，加入水溶性加重劑的失水量減少，極壓潤滑系數為0.008左右，說明該產品具有良好的潤滑性。

2.5體系性能評價

將水溶性加重劑加入到本院牛東2井鉆井液體系配方中，對產品在體系中的性能進行評價（見表3）。

水溶性加重劑在鉆井液體系中與其他助劑配伍性良好，由表3可知，樣品1和2在120℃/16 h熱滾后，密度和pH值保持不變，失水量減少，HTHP熱滾16 h后值為20左右，表現了產品良好的性能。

3　結論與認識

（1）通過開展高性能水溶性加重劑的研制，并對其頁巖抑制性、潤滑性、體系配伍等性能進行評價，得出在20℃時，水溶性加重劑飽和水溶液密度達1.35 g/cm3，且潤滑性、頁巖抑制性能突出。而將水溶性加重劑加入本院牛東2井鉆井液體系配方中，發現它與體系其它助劑配伍性良好。

（2）水溶性加重劑的抗鹽性、抗污染性能等正在評價中。

［1］王中華.國內外油基鉆井液研究與應用進展［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：533-537.

［2］王治法，劉貴傳，劉金華，等.國外高性能水基鉆井液的最新進展［J］.鉆井液與完井液，2009，26（5）：69-72.

［3］匡韶華，蒲曉林，柳艷麗.超高密度水基鉆井液濾失造壁性控制原理［J］.鉆井液與完井液，2010，27（5）：8-11.

［4］黃維安，等.高密度鉆井液加重劑的研究［J］.國外油田工程，2010，26（8）：37-40.

［5］王琳，林永學，楊小華，等.不同加重劑對超高密度鉆井液性能的影響［J］.石油鉆探技術，2012，40（3）：48-53.

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.04.027

TE254.4

A

1673-5285（2015）04-0098-03

2015－01-19