密度對(duì)油基鉆井液性能的影響

潘誼黨，于培志

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

油基鉆井液具有抑制性強(qiáng)、潤(rùn)滑性好、抗溫抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于深井、超深井、大斜度井和水平井等復(fù)雜井[1-2]。隨著我國(guó)能源需求的增加，以川渝地區(qū)頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)逐漸加快[3]，越來(lái)越多的高密度油基鉆井液在鉆井現(xiàn)場(chǎng)被使用。與水基鉆井液相比，油基鉆井液流變性更容易受溫度影響[4-6]。油基鉆井液是固體顆粒的懸浮液，隨著鉆井液密度增大，加重材料加量的增大，鉆井液的流變性變得難以控制[7-9]。研究表明，通過(guò)減少有機(jī)土加量[10-11]或改用微粉加重材料[12]等方法，可以改善高密度時(shí)油基鉆井液的流變特性。但是，現(xiàn)場(chǎng)使用高密度油基鉆井液時(shí)仍然遇到很大困難。以四川威遠(yuǎn)縣威204H37-5井為例，該井水平井段油基鉆井液密度最高達(dá)2.15 g/cm3，在鉆井過(guò)程中時(shí)常會(huì)發(fā)生黏度和切力突然增大或者破乳電壓突然降低的情況，表現(xiàn)出鉆井液性能的不穩(wěn)定。高密度對(duì)油基鉆井液性能影響的研究目前仍然十分缺乏，研究了密度對(duì)油基鉆井液性能的影響，以及不同密度下溫度、剪切時(shí)間、油水比、有機(jī)土、CaCl2濃度和劣質(zhì)固相對(duì)油基鉆井液性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

主乳化劑、輔乳化劑、潤(rùn)濕劑、降濾失劑，河南龍翔石油助劑有限公司；0#柴油；API重晶石、有機(jī)土，華東局六普鉆井公司鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用；CaCl2、CaO，工業(yè)級(jí)；巖屑，威204H37-5井目的層龍馬溪組頁(yè)巖（密度為2.15 g/cm3）。

NB-1型泥漿比重計(jì)，上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；電穩(wěn)定性測(cè)試儀DWY-2，青島同春石油儀器有限公司；六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)1103-12、黏度計(jì)量加熱器JR，青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司；全自動(dòng)張力儀JK99C，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；ZNG-A型鉆井液固相含量測(cè)定儀，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；JSM-7401場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 油基鉆井液的配制

基本配方：油水比8∶2（0#柴油∶25%CaCl2水溶液），4%主乳化劑，2%輔乳化劑，1%潤(rùn)濕劑，4%降濾失劑，2%有機(jī)土，3%氧化鈣，使用API重晶石加重至所需密度。

配制步驟：①取240 mL柴油加入高腳杯中，以12 000 r/min高速攪拌15 min，并加入主乳化劑、輔乳化劑和潤(rùn)濕劑；②以12 000 r/min高速攪拌10 min，并加入CaCl2水溶液；③以12 000 r/min高速攪拌15 min，并加入降濾失劑、有機(jī)土和氧化鈣；④以12 000 r/min高速攪拌40 min，加入重晶石。

1.2.2 鉆井液基本性能測(cè)定

參照GB/T 29170—2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液實(shí)驗(yàn)室測(cè)試》測(cè)定鉆井液流變性、電穩(wěn)定性、密度和固相含量。測(cè)量不同溫度下鉆井液的流變性時(shí)，使用黏度計(jì)量加熱器進(jìn)行加熱和保持恒溫。鉆井液老化條件為：120 ℃下熱滾16 h。老化后的鉆井液先以12 000 r/min高速攪拌10 min，然后再進(jìn)行性能的測(cè)定。鉆井液的配制和測(cè)量嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進(jìn)行，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對(duì)比性。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度對(duì)油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓的影響

配制不同密度油基鉆井液，老化后在70 ℃下測(cè)量鉆井液的破乳電壓和表觀黏度[13]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。隨著密度的增加，油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓都呈上升的趨勢(shì)，密度大于1.9 g/cm3后，這種上升趨勢(shì)更加明顯。因?yàn)殂@井液的密度和加入的重晶石的量并不呈線性關(guān)系。隨著密度增加，重晶石的加入量呈加速增加的趨勢(shì)。因此在高密度時(shí)，油基鉆井液的表觀黏度和破乳電壓上升得很快。

表1 密度對(duì)鉆井液表觀黏度和破乳電壓的影響

油基鉆井液一般使用API重晶石進(jìn)行加重，討論密度對(duì)鉆井液的影響，實(shí)質(zhì)上是討論重晶石加量對(duì)鉆井液的影響。可以看出，重晶石的加入會(huì)提高油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性。圖1是文中所使用的重晶石掃描電鏡照片。從圖中可以看出，重晶石顆粒呈不規(guī)則狀，并且棱角分明。隨著鉆井液密度的增加，重晶石含量不斷增加，不規(guī)則狀的重晶石顆粒會(huì)大大增加鉆井液中固相和液相、固相和固相之間的摩擦，因此隨著密度增加鉆井液的塑性黏度會(huì)增大。從圖中還可以觀察到，重晶石粒徑大小不一，存在很多相對(duì)微小的顆粒。重晶石等加重材料表面性質(zhì)多屬于水濕性[12]。在油基鉆井液中，微小的重晶石顆粒更傾向于聚集在一起，增加了不必要的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增大了鉆井液的動(dòng)切力。表觀黏度值是塑性黏度和動(dòng)切力的和，因此密度的增加會(huì)使鉆井液表觀黏度增大。

圖1 重晶石掃描電鏡圖

2.2 不同密度下其它因素對(duì)油基鉆井液性能的影響

2.2.1 溫度對(duì)油基鉆井液黏度的影響

油基鉆井液在井底會(huì)經(jīng)歷高溫老化，性能發(fā)生變化。表2是密度為1.5和2.1 g/cm3時(shí)油基鉆井液老化前后不同溫度下的塑性黏度和動(dòng)切力值。

表2 溫度對(duì)油基鉆井液性能影響

從表2可以看出，2種密度的油基鉆井液老化前后，塑性黏度變化幅度不大；密度為1.5 g/cm3時(shí)油基鉆井液老化前后動(dòng)切力少量增加，而密度為2.1 g/cm3時(shí)老化后的動(dòng)切力大約是老化前的1.5倍，增幅顯著。這表明高溫老化會(huì)提高油基鉆井液動(dòng)切力，并且這種趨勢(shì)在高密度時(shí)更加明顯，因此油基鉆井液在高密度時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注老化后的性能。由表2還可以看出，無(wú)論是老化前后，密度2.1 g/cm3的油基鉆井液比密度1.5 g/cm3的油基鉆井液塑性黏度和動(dòng)切力受溫度的影響更大。密度不僅僅單獨(dú)地影響油基鉆井液的性能，也會(huì)影響油基鉆井液對(duì)其它因素的敏感性。因此，研究不同密度下其它因素對(duì)油基鉆井液的影響十分必要。

為研究不同密度時(shí)溫度對(duì)油基鉆井液的影響，配制不同密度油基鉆井液，老化后測(cè)量不同溫度下的表觀黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。隨著溫度降低，油基鉆井液的表觀黏度增加，這種增加趨勢(shì)在高密度時(shí)尤為明顯。因此，高密度油基鉆井液表觀黏度受溫度的影響比低密度時(shí)大很多。

圖2 不同溫度下油基鉆井液的表觀黏度

不同密度時(shí)不同溫度油基鉆井液的表觀黏度圖見(jiàn)圖3。

圖3 不同密度油基鉆井液的表觀黏度

如圖3所示，當(dāng)密度小于1.9 g/cm3時(shí)密度對(duì)油基鉆井液表觀黏度影響較小，而密度大于1.9 g/cm3時(shí)，表觀黏度不僅迅速增加，表觀黏度受溫度的影響也迅速增大。密度的增加使油基鉆井液表觀黏度對(duì)溫度的敏感性增加，并且存在一個(gè)臨界密度，大于該密度的油基鉆井液表觀黏度受溫度的影響迅速增大。

2.2.2 剪切時(shí)間對(duì)不同密度油基鉆井液破乳電壓的影響

配制不同密度油基鉆井液，在加入重晶石的時(shí)候開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔5 min測(cè)量一次破乳電壓值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。可以看出，隨著剪切時(shí)間增加，油基鉆井液破乳電壓不斷升高。破乳電壓最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，密度越高，破乳電壓穩(wěn)定值越高。并且密度越高，達(dá)到穩(wěn)定值需要的剪切時(shí)間越短。這說(shuō)明，重晶石的加入不僅有利于提高鉆井液的乳化穩(wěn)定性，還能加速鉆井液的乳化。

圖4 剪切時(shí)間對(duì)油基鉆井液破乳電壓的影響

圖5 是不同剪切時(shí)間下密度對(duì)破乳電壓的影響圖。從圖5可以看出，相同剪切時(shí)間時(shí)，高密度油基鉆井液破乳電壓始終高于低密度鉆井液。存在一個(gè)臨界密度，大于該密度的油基鉆井液破乳電壓隨密度的增加升高的很快。

圖5 密度對(duì)油基鉆井液破乳電壓的影響

固體顆粒對(duì)乳狀液的穩(wěn)定作用，主要是固體顆粒在油水界面形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的界面膜[14]。重晶石顆粒在油水界面上，減少了油水接觸面積，有利于乳狀液的穩(wěn)定。在攪拌過(guò)程中，重晶石顆粒增加了鉆井液的切力，加快了大液滴形成小液滴的過(guò)程，因此能夠加速鉆井液的乳化。然而，重晶石提高油基鉆井液乳化穩(wěn)定性和加速乳化的作用在高密度時(shí)才得以體現(xiàn)。

為了探究重晶石加量與破乳電壓的關(guān)系，取剪切時(shí)間為90 min、95 min和100 min時(shí)破乳電壓的平均值，當(dāng)做不同密度油基鉆井液最終穩(wěn)定的破乳電壓值。作出重晶石加量-破乳電壓穩(wěn)定值的散點(diǎn)圖，并作線性擬合，結(jié)果如圖6。可以看出，破乳電壓穩(wěn)定值和重晶石加量的線性相關(guān)系數(shù)為0.9896，呈高度線性關(guān)系。根據(jù)擬合公式，計(jì)算密度1.3、1.5、2.1和2.3 g/cm3時(shí)的理論破乳電壓值。密度2.3 g/cm3的鉆井液比密度2.1 g/cm3增加了158 V，而密度1.5 g/cm3的鉆井液僅比密度1.3 g/cm3增加了80 V，相差近一倍。這是因?yàn)椋S著密度增加，重晶石的加入量呈加速增加的趨勢(shì)。目前在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，重晶石對(duì)破乳電壓的影響并不受重視，但這顯然忽略了在高密度時(shí)重晶石提高油基鉆井液乳化穩(wěn)定性的潛力。

圖6 重晶石加量對(duì)油基鉆井液破乳電壓的影響

2.2.3 油水比對(duì)油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓的影響

油水比是油基鉆井液中油和水的體積比，油水比的大小對(duì)鉆井液的流變性和穩(wěn)定性影響很大。配制不同油水比不同密度的油基鉆井液，老化后在70 ℃下測(cè)量鉆井液的表觀黏度和破乳電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，不同油水比時(shí)，密度2.1 g/cm3的油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓都比密度1.5 g/cm3的鉆井液高，并且這種差值在低油水比時(shí)更加明顯。隨著油水比升高，油基鉆井液表觀黏度降低，并且密度2.1 g/cm3的油基鉆井液降低的很快。可以說(shuō)明，高密度油基鉆井液表觀黏度受油水比的影響比低密度大。因此，為了降低高密度時(shí)油基鉆井液黏度，應(yīng)該適當(dāng)提高油水比。表3還可以看出，油水比越高，鉆井液破乳電壓越高。實(shí)驗(yàn)基本配方中乳化劑的加量是按照油水比8∶2設(shè)計(jì)的，在油水比6∶4和7∶3時(shí)乳化劑的加量不足，因此破乳電壓很低。油水比從8∶2提高到9∶1時(shí)，即在乳化劑的量充足時(shí)，提高油水比仍然能起到提高破乳電壓的作用。當(dāng)油水比從7∶3增加至8∶2時(shí)，密度2.1 g/cm3的鉆井液破乳電壓陡然增加，而密度1.5 g/cm3的鉆井液緩慢增加。說(shuō)明高密度油基鉆井液破乳電壓受油水比的影響比低密度大。綜上可知，在高密度時(shí)油基鉆井液對(duì)油水比更敏感，保持較高、穩(wěn)定的油水比十分重要。

表3 油水比對(duì)油基鉆井液性能的影響

2.2.4 CaCl2濃度對(duì)油基鉆井液破乳電壓的影響

油基鉆井液通常使用25%的CaCl2水溶液配制，用以平衡井下地層水的活度，減少鉆井液中水的流失。在油基鉆井液中CaCl2的濃度通常不被現(xiàn)場(chǎng)重視，因?yàn)樵诘兔芏惹闆r下CaCl2的濃度似乎對(duì)油基鉆井液沒(méi)有影響。但是，隨著國(guó)內(nèi)高密度油基鉆井液使用的越來(lái)越多，CaCl2的濃度對(duì)油基鉆井液的影響也逐漸被現(xiàn)場(chǎng)工程師發(fā)現(xiàn)。

使用不同濃度的CaCl2水溶液配制密度為1.5 g/cm3和2.1 g/cm3的油基鉆井液，老化后測(cè)量破乳電壓，結(jié)果見(jiàn)表4。隨著氯化鈣濃度增大，油基鉆井液破乳電壓逐漸降低，并且高密度下這種降低趨勢(shì)更明顯。2.1 g/cm3密度時(shí)，當(dāng)CaCl2的濃度從0提高到20%，鉆井液的破乳電壓從1563 V降低到796 V，降低了49%。而密度1.5 g/cm3時(shí)，僅降低了32%。因此，CaCl2的濃度對(duì)高密度油基鉆井液影響比低密度時(shí)大。在使用高密度油基鉆井液的時(shí)候要適當(dāng)減小CaCl2濃度。另外，如果用其他鹽替代傳統(tǒng)的氯化鈣鹽，性能會(huì)得到改善。甲酸鹽作為內(nèi)鹽，通常比氯化鈣具有更好的性能[6]。

為了探究CaCl2濃度對(duì)油基鉆井液破乳電壓的影響機(jī)理，使用全自動(dòng)張力儀對(duì)不同濃度的CaCl2水溶液表面張力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表4。隨著CaCl2濃度增大，CaCl2水溶液的表面張力逐漸增大。這表明溶液中分子間的吸引力增大，水滴更容易聚合到一起，增加了乳狀液的不穩(wěn)定。另外，CaCl2濃度對(duì)破乳電壓的影響程度受密度的影響，說(shuō)明重晶石也參與了其影響機(jī)理。針對(duì)CaCl2濃度對(duì)油基鉆井液性能的影響機(jī)理，還需要進(jìn)一步的研究。

表4 CaCl2濃度對(duì)油基鉆井液性能的影響

2.2.5 有機(jī)土對(duì)油基鉆井液表觀黏度的影響

使用不同有機(jī)土加量，配制密度1.5 g/cm3和密度2.1 g/cm3的油基鉆井液，老化后70 ℃下測(cè)量表觀黏度和破乳電壓，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 有機(jī)土對(duì)油基鉆井液表觀黏度的影響

從圖7可知，隨著有機(jī)土加量的增加，油基鉆井液的表觀黏度隨之增大。當(dāng)有機(jī)土加量從0增加到3%時(shí)，密度為2.1 g/cm3油基鉆井液的表觀黏度增加了49 mPa·s，而密度為1.5 g/cm3的鉆井液僅增加了約16 mPa·s。可以說(shuō)明，高密度油基鉆井液的表觀黏度受有機(jī)土加量的影響比低密度大很多。鉆井現(xiàn)場(chǎng)一般使用的有機(jī)土加量不超過(guò)2%，在使用高密度油基鉆井液時(shí)，還需適當(dāng)減少有機(jī)土的加量。

研究表明，油基鉆井液對(duì)溫度的依賴性取決于鉆井液中存在的固相和有機(jī)黏土的量[15-16]。配制密度為2.1 g/cm3的油基鉆井液，老化后測(cè)量不同溫度下的表觀黏度，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知，有機(jī)土加量的增加不僅會(huì)提高油基鉆井液的表觀黏度，還增加了溫度對(duì)鉆井液的影響。綜上可知，與低密度相比，高密度油基鉆井液對(duì)有機(jī)土加量更加敏感。

圖8 不同有機(jī)土加量時(shí)溫度對(duì)表觀黏度的影響

2.2.6 劣質(zhì)固相對(duì)油基鉆井液的影響

鉆井液中不利于維護(hù)和提高鉆井液性能的固相被稱為劣質(zhì)固相，油基鉆井液中的劣質(zhì)固相主要是微小的巖屑。大塊的巖屑可以通過(guò)鉆井液凈化系統(tǒng)自動(dòng)除去，然而微小的巖屑因?yàn)槠涞椭亓Γ虼撕茈y從鉆井液中除去。低密度鉆井液中劣質(zhì)固相含量增加會(huì)使鉆井液密度明顯增加，容易被發(fā)現(xiàn)和處理。而高密度鉆井液中混入了過(guò)量的劣質(zhì)固相并不會(huì)使鉆井液的密度顯著增加，因此很容易被現(xiàn)場(chǎng)工程師忽略。以四川威遠(yuǎn)縣威204H37-5井為例，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液密度2.15 g/cm3時(shí)，固相含量最高達(dá)53%（室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得密度2.1 g/cm3的油基鉆井液固相含量為43%），遠(yuǎn)高于理論值。

為了探究劣質(zhì)固相對(duì)不同密度油基鉆井液的影響，將頁(yè)巖巖屑粉碎并通過(guò)80目篩網(wǎng)，模擬劣質(zhì)固相。配制密度1.5 g/cm3和密度2.1 g/cm3的油基鉆井液，加入不同量的劣質(zhì)固相，12 000 r/min高速攪拌10 min后測(cè)量其表觀黏度，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，隨著劣質(zhì)固相增加，油基鉆井液表觀黏度隨之增加。劣質(zhì)固相加量從0增加到40%時(shí)，密度2.1 g/cm3的油基鉆井液表觀黏度增加了32 mPa·s，而密度為1.5 g/cm3的鉆井液僅增加了8 mPa·s。可以說(shuō)明，高密度油基鉆井液表觀黏度受劣質(zhì)固相的影響比低密度大很多。因此，在使用高密度油基鉆井液時(shí)要更加注重對(duì)劣質(zhì)固相的監(jiān)控和處理。

表5 劣質(zhì)固相加量對(duì)油基鉆井液表觀黏度的影響

3 結(jié)論

1.討論密度對(duì)鉆井液的影響，實(shí)質(zhì)上是討論重晶石加量對(duì)鉆井液的影響。重晶石能增加油基鉆井液的黏度和切力，提高鉆井液的乳化穩(wěn)定性。油基鉆井液的破乳電壓和重晶石的加入量呈線性關(guān)系。隨著密度的增加，油基鉆井液表觀黏度和破乳電壓都呈加速上升的趨勢(shì)，而這種趨勢(shì)是由鉆井液的加重機(jī)制決定的。

2.密度不僅單獨(dú)對(duì)油基鉆井液性能造成影響，還提高了油基鉆井液對(duì)其它因素的敏感性。在高密度時(shí)，油基鉆井液的表觀黏度受溫度、油水比、有機(jī)土和劣質(zhì)固相的影響程度比低密度時(shí)更大。密度的提高不僅提高油基鉆井液的破乳電壓，還減小了達(dá)到破乳電壓穩(wěn)定值的剪切時(shí)間。破乳電壓在高密度時(shí)對(duì)油水比、CaCl2濃度和有機(jī)土的影響比低密度更加敏感。綜上可知，油基鉆井液在高密度時(shí)性能會(huì)更加不穩(wěn)定。

3.在鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用高密度油基鉆井液時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：①有機(jī)土不僅影響油基鉆井液的黏度，還增加了鉆井液黏度對(duì)溫度的依賴性，因此需要盡量減小有機(jī)土的加量；②保持較高、穩(wěn)定的油水比，防止油水比降低導(dǎo)致鉆井液破乳電壓急劇降低；③適當(dāng)減小CaCl2的濃度，或用其他鹽替代傳統(tǒng)的氯化鈣鹽；④注重對(duì)劣質(zhì)固相的監(jiān)控和處理。